概述
所謂涂層刀具舀美，大多是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼基體表面上嚎衡，涂覆一(或多)薄層具有高熱硬性和耐磨性的難熔金屬或非金屬化合物，從而解決了刀具材料硬度和耐磨性愈高而強(qiáng)度和韌性愈低的矛盾玉桅，這是刀具技術(shù)發(fā)展上的一個(gè)重大突破漓荞。粗略說來，涂層刀具與相應(yīng)的未涂層刀具相比掷锻，使用壽命可提高2～5倍拟卢，切削速度可提高20%-70%，加工精度則提升0.5～1級周讯，因而這種刀具自上世紀(jì)70年代初問世以來發(fā)展很快芭甚，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家目前涂層刀具的使用量已占到刀具總數(shù)的60%～80%兔阿，各類切削刀具都可采用涂層技術(shù)來提高其使用性能奔沐。此外，也可在陶瓷蜕逾、金剛石或立方氮化硼刀片上碘展，涂覆硬度較基體低的材料，以提高其斷裂韌度挑庶，從而增加此類刀片的使用壽命并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍言秸。
目前刀具常用的涂層工藝有化學(xué)氣相沉積(CVD)法和物理氣相沉積(PVD)法。CVD法的沉積溫度為900℃～1100℃迎捺，工藝裝備簡單举畸，涂層均勻查排，應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具的涂層。但其沉積溫度高抄沮，易在涂層和基體間形成一層脆性的脫碳層引發(fā)刀片破裂跋核。而利用等離子體來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PCVD)法，可把涂層溫度降至 600℃以下(最低可降至80℃)叛买，使硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會產(chǎn)生擴(kuò)散砂代、相變或交換反應(yīng)，特別適于涂覆金剛石或立方氮化硼超硬材料率挣。
后一種PVD法的沉積溫度為500℃刻伊，因未超過高速鋼的回火溫度，所以高速鋼刀具一般都采用PVD法涂層椒功。此法涂覆溫度較低捶箱，在涂層與基體間不易產(chǎn)生脫碳的脆性層，且涂層后刃口仍較鋒利硫舞，故隨PVD涂層工藝的改進(jìn)(比如使用離子束輔助沉積技術(shù))固脸，現(xiàn)在已有一定比重的硬質(zhì)合金刀具也采用PVD法涂層。
由于對刀具涂層的性能有多種要求俗齿，單一的涂層材料實(shí)難完全滿足這些要求典患，因而涂層材料已由最初的TiC、TiN單一涂層發(fā)展為多元復(fù)合涂層圆滓。不僅TiCN猾灰、TiAIN等高性能硬質(zhì)涂層已經(jīng)商品化，而且還開發(fā)出涂覆于硬質(zhì)涂層之上的MoS2基軟涂層存站，以改善刀具的切入性能∶刃。現(xiàn)在刀具的涂層由雙涂層、三涂層或更多層涂層構(gòu)成滚曾。比如肯納金屬用于高速切削的KC9315型硬質(zhì)合金涂層刀片狱心，就有 AI2O3、TiCN和TiN三層涂層制依；而日本一公司開發(fā)的納米TiN/AIN復(fù)合涂層刀具音诫，乃是在硬質(zhì)合金基體上交互涂覆了1000層TiN和AIN納米超薄涂層，每層厚度2.5nm雪位。
獨(dú)特的LL涂層助推超硬銑削應(yīng)用
近年來竭钝，施耐爾(Schnell)的硬質(zhì)合金整體立銑刀在超硬銑削(Hard Milling)應(yīng)用中備受青睞，開創(chuàng)了高速切削HRC70以上硬度硬淬材料的先河雹洗。而采用特殊的LL涂層正是使其獲得成功的多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新中的重要一環(huán)香罐。
科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，真正破壞刀具刃部質(zhì)量的致命因素不是高溫，而是在高溫下刀具材料所發(fā)生的氧化作用(Oxidation Action)所致庇茫。應(yīng)運(yùn)而生的涂層技術(shù)即是在硬質(zhì)合金整體立銑刀刃上的保護(hù)層港粱，其抗氧化性能直接影響刀刃壽命。LL涂層是施耐爾應(yīng)用高科技納米技術(shù)旦签，于 2005年推出的超長壽命涂層啥容。
圖1. LL涂層與傳統(tǒng)涂層抗高溫氧化性的比較 |
LL 涂層技術(shù)是將納米級直徑的鈦、鋁和硅等元素的微粒分別沉積于刃磨后刀具刃部的材料表面顷霹，并不涉及材料的混和咪惠。這樣的納米涂層具有極高的抗氧化性 (Oxidation Resistance)和低導(dǎo)熱性，在高溫甚至鋁成份含量很低的情況下亦能維持硬度淋淀。應(yīng)用該涂層的刀具壽命可延長2到3倍馁胁。
圖1顯示了LL涂層與其它傳統(tǒng)涂層的對比∑急埃可見六主，施耐爾切削工具具有超高的硬度，良好的高抗氧化(Oxidation Resistance)性能爬韧。圖中反映的LL涂層的抗氧化溫度超過1200℃篱掌，優(yōu)于其它各種涂層。
[施耐爾刀具供稿]
個(gè)性化的涂層參數(shù)設(shè)計(jì)
愛恩邦德(Ionbond)是全球最大的PVD/CVD/PACVD/CVA涂層設(shè)備和涂層服務(wù)供應(yīng)商之一奏喜，其高性能涂層在鉆孔刀耿窍、銑刀和齒輪滾刀上都有上佳表現(xiàn)。而在實(shí)際的涂層服務(wù)過程中效益，Ionbond認(rèn)識到充分了解客戶實(shí)際情況的重要性较搔，依據(jù)客戶方的產(chǎn)品應(yīng)用、需求缔道、加工參數(shù)屈淫、設(shè)備狀況等提供個(gè)性化的涂層參數(shù)設(shè)計(jì)，確保發(fā)揮涂層的性能享甸，達(dá)到刀具截碴、模具的最佳壽命。
Ionbond針對鉆孔刀開發(fā)的復(fù)合涂層(TiN+DLC, TiCN+DLC蛉威，AlTiN+DLC)日丹，通過在原有涂層上添加DLC涂層(類金剛石涂層)獲得光滑表面，降低摩擦系數(shù)瓷翻，解決了深孔加工中因排屑問題導(dǎo)致的孔徑尺寸超差現(xiàn)象聚凹。Ionbond SuperAlTiN能使加工扭矩的降低幅度達(dá)50%以上，大幅改善刀具性能齐帚。此外，Ionbond Hardcut選用TiSi涂層材料彼哼，可應(yīng)對硬对妄、難加工材料的高速切削湘今。
Ionbond還開發(fā)有含Si的高性能涂層，專用于加工速度大于120m/min剪菱、要求高速且高效的批量生產(chǎn)的滾齒加工摩瞎；面對高速干切削加工則有IonBond TopGear涂層；針對中速要求涂層則由IonBond TuffGear涂層來打理渗某。在一組加工速度為180m/min的干切削滾齒加工實(shí)驗(yàn)中磕糙，普通的AlTiN能生產(chǎn)的齒輪數(shù)為980個(gè)/把刀，而 Ionbond TopGear能生產(chǎn)的齒輪數(shù)為2000個(gè)折焙，刀具壽命相對普通的AlTiN涂層提高了1倍晶睦。
[愛恩邦德涂層(蘇州)有限公司供稿]
應(yīng)用專利H.I.S技術(shù)獲取高性能納米涂層
為延長刀具壽命，減輕刀具基體所承受的負(fù)荷层漠，涂層必須具備良好的高耐磨性爱茫、抗咬合、抗擴(kuò)散和耐腐蝕性涨旨。天威賽利涂層技術(shù)有限公司應(yīng)用其專利H.I.S技術(shù)(High Ion Sputtering慰沸，高電離濺射)，獲得性能優(yōu)越的納米涂層槽叮。
被加工材料：工具鋼 (1.2365, 52 HRC)
刀具：刀片 RDHX10磷像，銑削θ30mm
加工方式：粗銑
加工參數(shù)：Vc=235 m/min fz=0,25 mm /min
冷卻：風(fēng)冷
圖2：Tinalox SN的加工實(shí)例，其相對于傳統(tǒng)的TiALN津贩，令刀具壽命提高300% |
CC800/XL 設(shè)備所采用的濺射技術(shù)又稱“冷蒸發(fā)”或“陰極濺射”裤爆，是一種等離子工藝，通過使惰性氣體離子在磁場中向靶材方向加速后轟擊靶材渺蒿，將靶材材料濺射出來痢士。由于該過程與靶材材料熔點(diǎn)無關(guān)，可以避開由于液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)產(chǎn)生的液滴所帶來的問題茂装，自由粒子沉積到工件表面形成的納米涂層結(jié)構(gòu)怠蹂，具有無液滴、表面光滑少态、結(jié)合力好的特徵城侧。而在2004年天威賽利又導(dǎo)入等離子激發(fā)技術(shù)(Plasma Booster Technology)，通過加強(qiáng)離化強(qiáng)度彼妻，使涂層工藝時(shí)間縮短30%嫌佑，并改善了復(fù)雜幾何外形涂層的均勻性和可達(dá)性，涂層組織更趨細(xì)密侨歉，涂層的硬度與韌性也更優(yōu)越屋摇。
現(xiàn)在該公司得到廣泛應(yīng)用的涂層有Tinalox SN，ALox SN，SuperTiN炮温，CC TiCN火脉、Aluspeed等，在硬質(zhì)合金刀片茸汇、鉆頭品糯、銑刀、滾刀等刀具的實(shí)際應(yīng)用中居饵，由于涂層表面光滑蛔交，獲得較好加工表面質(zhì)量；且得益于較小的摩擦系數(shù)减严，排屑順暢镐访，在保護(hù)了切削刃的同時(shí)，切削過程產(chǎn)生的熱量主要由切屑帶走蓝鹿，有助于延長刀具壽命矩允。
[天威賽利涂層技術(shù)有限公司供稿]
Sandvik新型牌號提升效率和質(zhì)量
Sandvik 新近推出的3種牌號(GC4225、GC4240和GC1030)在涂層技術(shù)和制造工藝上都取得突破贰往。Sandvik認(rèn)為赵椰，通過適當(dāng)調(diào)配好硬質(zhì)合金刀片的構(gòu)成、涂層材料伊厉、涂層次序姜钳，以及選用合適的涂層制造技術(shù)，可有效提高金屬切削的生產(chǎn)效率形耗，而無需在刀片的耐磨性能上做出妥協(xié)哥桥。
山特維克可樂滿的專家小組開發(fā)出一種CVD涂層，使其切削刃邊緣韌性和安全性都與PVD涂層相接近激涤。這正是山特維克可樂滿研發(fā)并擁有專利的精密CVD工藝拟糕。同時(shí)，在GC4225和GC4240牌號上倦踢，研發(fā)出一種針對alpha-Al2O3變性的細(xì)晶粒版本送滞。借助該公司的最新后處理技術(shù)，讓涂層表面接受強(qiáng)烈的材料沖擊辱挥，所產(chǎn)生的沖擊波穿過涂層犁嗅，改變晶格的原子距離，并給予所有涂層良好的應(yīng)力狀態(tài)晤碘，從而產(chǎn)生厚實(shí)的防磨涂層褂微，其刀口邊緣韌性可達(dá)與薄涂層類似的水平。
在GC4225牌號上運(yùn)用了兩層TiCN涂層外加Al2O3园爷。較厚的TiCN涂層可改善兩側(cè)抗磨性能宠蚂，而細(xì)晶粒的alpha-Al2O3涂層不僅可減低月牙洼磨損丑辖，還能作為一道熱屏障保護(hù)熱敏感的硬合金材料。以前配亮，增加Al2O3涂層厚度意味著降低其韌性并增加出現(xiàn)涂層分離的風(fēng)險(xiǎn)以及對切削刃邊緣造成損壞验脐。應(yīng)用新的后處理技術(shù)澜碎，就有可能在切削刃邊緣韌性和安全性等方面將CVD涂層提升到能與PVD涂層媲美的水平增荐，使其更適合于斷續(xù)切削和更高速度的應(yīng)用場合。另外嫡境，在改善其承受機(jī)械沖擊的韌性同時(shí)贯森，并不會降低其它方面的屬性。
對新型GC4240牌號而言褒饱，在中等溫度下生產(chǎn)的薄CVD涂層結(jié)合了一種新的硬質(zhì)合金刀片結(jié)構(gòu)沛目。而硬合金屬于細(xì)晶粒，帶有一定含量的鉻援儡，并比上一代產(chǎn)品具有更高的鈷含量莲赐。
GC1030是專為韌鋼銑削場合而設(shè)計(jì)的新型銑削牌號，應(yīng)用了山特維克可樂滿新研發(fā)的一種獨(dú)特的多層次PVD-TiAlN涂層酿装，達(dá)到了耐磨性和切削刃邊緣韌性兩方面的平衡访递。
[山特維克可樂滿供稿]
低溫PVD涂層技術(shù)的運(yùn)用及功效
當(dāng)前，PVD工藝的溫度向低溫化(<300℃)趨勢進(jìn)步同辣，并已克服了人們普遍認(rèn)為的低溫會對涂層的結(jié)合力及其它性能所帶來的負(fù)面影響拷姿。利用低溫PVD 技術(shù)共沉積軟相金屬和硬質(zhì)納米晶體來制備納米復(fù)合薄膜材料，勝倍爾超強(qiáng)鍍膜公司成功研制了一系列納米復(fù)合超硬薄膜材料旱函，包括TiN响巢、TiAlN、 AlTiN棒妨、 TiC踪古、CrN、CrCN券腔、TiCN伏穆、DLC、DLC-Si颅眶、ZrN-Cu蜈出、TiN-Ni、Cr-Cu-N和Zr-Y-N等各類超硬涂層涛酗。
利用低溫PVD技術(shù)制備的DLC涂層在切削鋁合金材料的運(yùn)用中被證實(shí)效果良好净处。客戶為電腦零部件的供應(yīng)商居鸳，原來采用普通銑刀切削時(shí)其壽命較短婉固，僅為30m左右吠童，同時(shí)鋁合金材料粘刀情況嚴(yán)重，還需花費(fèi)大量人工處理加工后產(chǎn)品的毛邊稼乃。后經(jīng)采用DLC(類金剛石)涂層銑刀進(jìn)行了測試输奢，DLC涂層厚度為2um。加工參數(shù)如下：
切削材料：鋁合金6061之仍；刀具材料：高速鋼屉韧，直徑8mm；主軸轉(zhuǎn)速：1600RPM楔答；切削深度：4mm谆藐；切削側(cè)深：4mm；測試切削總長：30mm更假；切削條件：干切削监灌；進(jìn)刀速度：0.24m/min。
完成30m的干切削后击胜，帶DLC涂層的銑刀的磨損量很小亏狰，所切削產(chǎn)品無毛邊，刀具仍可使用偶摔，后繼續(xù)測試到60m暇唾，刀具磨損量仍在合格范圍之內(nèi)，所切削的產(chǎn)品也平整光滑啰挪，并無毛邊出現(xiàn)信不。
[勝倍爾超強(qiáng)鍍膜(蘇州)有限公司供稿]
全面革新對工業(yè)涂層應(yīng)用的認(rèn)識
以上介紹了涂層對提升刀具性能的種種功效，最后讓我們擴(kuò)展視野亡呵，關(guān)注模具涂層的應(yīng)用抽活，聆聽科匯鈦力有限公司—這家將(PVD)涂層引進(jìn)至本地制造業(yè)的先鋒— 是如何看待工業(yè)涂層應(yīng)用之變化與發(fā)展的∶淌玻可以說下硕，科匯鈦力見證了金屬加工業(yè)在涂層應(yīng)用及使用模式上的變遷。而當(dāng)前國內(nèi)市場的發(fā)展汁胆、產(chǎn)品多樣化梭姓、生產(chǎn)材料轉(zhuǎn)變等因素都使得涂層的需求日益攀升，科匯公司計(jì)劃于明年初在深圳市增設(shè)涂層研發(fā)中心以更好為國內(nèi)廠商服務(wù)撰类。
圖4 使用特制的TiCN-MP+MOVIC的沖壓樣本驱请，工具的壽命多達(dá)5倍 |
據(jù)科匯鈦力董事總經(jīng)理郭光宇稱，由于工件表面增添了涂層薄膜的保護(hù)拼建，一般可延長使用壽命達(dá)3至4倍墓永，從長遠(yuǎn)來看，更可減少制造模具的套數(shù)辜尝。而實(shí)際可將壽命延長多少則主要視乎產(chǎn)品本身而定毫蚁，比如沖壓模具使用了科匯特制的STARVIC(TiCN-MP + MOVIC)涂層后挠辆，壽命增加了七倍之多。
其次析深，涂層可加強(qiáng)模具及產(chǎn)品在使用上的可靠性华雷，特別是目前制造業(yè)的生產(chǎn)周期愈益縮短，一旦生產(chǎn)過程出現(xiàn)諸如模具損毀之類的問題咨锐，將會使生產(chǎn)商陷于被動持蓄，而涂層可為產(chǎn)品提供可靠的保護(hù)。事實(shí)上孵堪，PVD涂層不僅可提供功能上的防御撤防，也可保護(hù)模具表面虽风，提升產(chǎn)品外觀效果棒口。
郭光宇總結(jié)道，納米涂層將成未來的發(fā)展方向辜膝，而涂層本身的技術(shù)研發(fā)工作亦加速了金屬制造及模具業(yè)在應(yīng)用涂層方面的發(fā)展步伐无牵。當(dāng)前制造商對于使用納米涂層正處于起步階段，其市場潛力值得期待厂抖。他預(yù)言茎毁，對于力求完美的實(shí)力派企業(yè)來說，涂層將成模具設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)忱辅。
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