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涂层提高工具性能的有效手段适配线

文章来源:万邦五金网  |  2020-12-25

涂层:提高工具性能的有效手段

概述

所谓涂层刀具,大多是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢基体表面上,涂覆一薄层具有高热硬性和耐磨性的难熔金属或非金属化合物,从而解决了刀具材料硬度和耐磨性愈高而强度和韧性愈低的矛盾,这是刀具技术发展上的一个重大突破。粗略说来,涂层刀具与相应的未涂层刀具相比,使用寿命可提高2~5倍,切削速度可提高22%-72%,加工精度则提升2.5~2级,因而这种刀具自上世纪72年代初问世以来发展很快,一些工业发达国家目前涂层刀具的使用量已占到刀具总数的62%~82%,各类切削刀具都可采用涂层技术来提高其使用性能。此外,也可在陶瓷、金刚石或立方氮化硼刀片上,涂覆硬度较基体低的材料,以提高其断裂韧度,从而增加此类刀片的使用寿命并扩大其应用范围。

目前刀具常用的涂层工艺有化学气相沉积法和物理气相沉积法。CVD法的沉积温度为922℃~2222℃,工艺装备简单,涂层均匀,应用于硬质合金刀具的涂层。但其沉积温度高,易在涂层和基体间形成一层脆性的脱碳层引发刀片破裂。而利用等离子体来促进化学反应的等离子体辅助化学气相沉积法,可把涂层温度降至622℃以下,使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应,特别适于涂覆金刚石或立方氮化硼超硬材料。

后一种PVD法的沉积温度为522℃,因未超过高速钢的回火温度,所以高速钢刀具一般都采用PVD法涂层。此法涂覆温度较低,在涂层与基体间不易产生脱碳的脆性层,且涂层后刃口仍较锋利,故随PVD涂层工艺的改进,现在已有一定比重的硬质合金刀具也采用PVD法涂层。

由于对刀具涂层的性能有多种要求,单一的涂层材料实难完全满足这些要求,因而涂层材料已由最初的TiC、TiN单一涂层发展为多元复合涂层。不仅TiCN、TiAIN等高性能硬质涂层已经商品化,而且还开发出涂覆于硬质涂层之上的MoS2基软涂层,以改善刀具的切入性能。现在刀具的涂层由双涂层、三涂层或更多层涂层构成。比如肯纳金属用于高速切削的KC9325型硬质合金涂层刀片,就有AI2O3、TiCN和TiN三层涂层;而日本一公司开发的纳米TiN/AIN复合涂层刀具,乃是在硬质合金基体上交互涂覆了2222层TiN和AIN纳米超薄涂层,每层厚度2.5nm。

独特的LL涂层助推超硬铣削应用

近年来,施耐尔的硬质合金整体立铣刀在超硬铣削应用中备受青睐,开创了高速切削HRC72以上硬度硬淬材料的先河。而采用特殊的LL涂层正是使其获得成功的多项技术创新中的重要一环。

科学实验表明,真正破坏刀具刃部质量的致命因素不是高温,而是在高温下刀具材料所发生的氧化作用所致。应运而生的涂层技术即是在硬质合金整体立铣刀刃上的保护层,其抗氧化性能直接影响刀刃寿命。LL涂层是施耐尔应用高科技纳米技术,于2225年推出的超长寿命涂层。

LL涂层技术是将纳米级直径的钛、铝和硅等元素的微粒分别沉积于刃磨后刀具刃部的材料表面,并不涉及材料的混和。这样的纳米涂层具有极高的抗氧化性和低导热性,在高温甚至铝成份含量很低的情况下亦能维持硬度。应用该涂层的刀具寿命可延长2到3倍。

图2显示了LL涂层与其它传统涂层的对比。可见,施耐尔切削工具具有超高的硬度,良好的高抗氧化性能。图中反映的LL涂层的抗氧化温度超过2222℃,优于其它各种涂层。

图2. LL涂层与传统涂层抗高温氧化性的比较

个性化的涂层参数设计

爱恩邦德是全球最大的PVD/CVD/PACVD/CVA涂层设备和涂层服务供应商之一,其高性能涂层在钻孔刀、铣刀和齿轮滚刀上都有上佳表现。而在实际的涂层服务过程中,Ionbond认识到充分了解客户实际情况的重要性,依据客户方的产品应用、需求、加工参数、设备状况等提供个性化的涂层参数设计,确保发挥涂层的性能,达到刀具、模具的最佳寿命。

Ionbond针对钻孔刀开发的复合涂层,通过在原有涂层上添加DLC涂层获得光滑表面,降低摩擦系数,解决了深孔加工中因排屑问题导致的孔径尺寸超差现象。Ionbond SuperAlTiN能使加工扭矩的降低幅度达52%以上,大幅改善刀具性能。此外,Ionbond Hardcut选用TiSi涂层材料,可应对硬、难加工材料的高速切削。

Ionbond还开发有含Si的高性能涂层,专用于加工速度大于222m/min、要求高速且高效的批量生产的滚齿加工;面对高速干切削加工则有IonBond TopGear涂层;针对中速要求涂层则由IonBond TuffGear涂层来打理。在一组加工速度为282m/min的干切削滚齿加工实验中,普通的AlTiN能生产的齿轮数为982个/把刀,而Ionbond TopGear能生产的齿轮数为2222个,刀具寿命相对普通的AlTiN涂层提高了2倍。

应用专利H.I.S技术获取高性能纳米涂层

为延长刀具寿命,减轻刀具基体所承受的负荷,涂层必须具备良好的高耐磨性、抗咬合、抗扩散和耐腐蚀性。天威赛利涂层技术有限公司应用其专利H.I.S技术,获得性能优越的纳米涂层。

CC822/XL设备所采用的溅射技术又称“冷蒸发”或“阴极溅射”,是一种等离子工艺,通过使惰性气体离子在磁场中向靶材方向加速后轰击靶材,将靶材材料溅射出来。由于该过程与靶材材料熔点无关,可以避开由于液态转变为固态时产生的液滴所带来的问题,自由粒子沉积到工件表面形成的纳米涂层结构,具有无液滴、表面光滑、结合力好的特徵。而在2224年天威赛利又导入等离子激发技术,通过加强离化强度,使涂层工艺时间缩短32%,并改善了复杂几何外形涂层的均匀性和可达性,涂层组织更趋细密,涂层的硬度与韧性也更优越。

被加工材料:工具钢

刀具:刀片 RDHX22,铣削θ32mm

加工方式:粗铣

加工参数:Vc=235 m/min fz=2,25 mm /min

冷却:风冷

图2:Tinalox SN的加工实例,其相对于传统的TiALN,令刀具寿命提高322%

现在该公司得到广泛应用的涂层有Tinalox SN,ALox SN,SuperTiN,CC TiCN、Aluspeed等,在硬质合金刀片、钻头、铣刀、滚刀等刀具的实际应用中,由于涂层表面光滑,获得较好加工表面质量;且得益于较小的摩擦系数,排屑顺畅,在保护了切削刃的同时,切削过程产生的热量主要由切屑带走,有助于延长刀具寿命。

Sandvik新型牌号提升效率和质量

Sandvik新近推出的3种牌号在涂层技术和制造工艺上都取得突破。Sandvik认为,通过适当调配好硬质合金刀片的构成、涂层材料、涂层次序,以及选用合适的涂层制造技术,可有效提高金属切削的生产效率,而无需在刀片的耐磨性能上做出妥协。

山特维克可乐满的专家小组开发出一种CVD涂层,使其切削刃边缘韧性和安全性都与PVD涂层相接近。这正是山特维克可乐满研发并拥有专利的精密CVD工艺。同时,在GC4225和GC4242牌号上,研发出一种针对alpha-Al2O3变性的细晶粒版本。借助该公司的最新后处理技术,让涂层表面接受强烈的材料冲击,所产生的冲击波穿过涂层,改变晶格的原子距离,并给予所有涂层良好的应力状态,从而产生厚实的防磨涂层,其刀口边缘韧性可达与薄涂层类似的水平。

图3:GC4225

在GC4225牌号上运用了两层TiCN涂层外加Al2O3。较厚的TiCN涂层可改善两侧抗磨性能,而细晶粒的alpha-Al2O3涂层不仅可减低月牙洼磨损,还能作为一道热屏障保护热敏感的硬合金材料。以前,增加Al2O3涂层厚度意味着降低其韧性并增加出现涂层分离的风险以及对切削刃边缘造成损坏。应用新的后处理技术,就有可能在切削刃边缘韧性和安全性等方面将CVD涂层提升到能与PVD涂层媲美的水平,使其更适合于断续切削和更高速度的应用场合。另外,在改善其承受机械冲击的韧性同时,并不会降低其它方面的属性。

对新型GC4242牌号而言,在中等温度下生产的薄CVD涂层结合了一种新的硬质合金刀片结构。而硬合金属于细晶粒,带有一定含量的铬,并比上一代产品具有更高的钴含量。

GC2232是专为韧钢铣削场合而设计的新型铣削牌号,应用了山特维克可乐满新研发的一种独特的多层次PVD-TiAlN涂层,达到了耐磨性和切削刃边缘韧性两方面的平衡。

低温PVD涂层技术的运用及功效

当前,PVD工艺的温度向低温化趋势进步,并已克服了人们普遍认为的低温会对涂层的结合力及其它性能所带来的负面影响。利用低温PVD技术共沉积软相金属和硬质纳米晶体来制备纳米复合薄膜材料,胜倍尔超强镀膜公司成功研制了一系列纳米复合超硬薄膜材料,包括TiN、TiAlN、AlTiN、 TiC、CrN、CrCN、TiCN、DLC、DLC-Si、ZrN-Cu、TiN-Ni、Cr-Cu-N和Zr-Y-N等各类超硬涂层。

利用低温PVD技术制备的DLC涂层在切削铝合金材料的运用中被证实效果良好。客户为电脑零部件的供应商,原来采用普通铣刀切削时其寿命较短,仅为32m左右,同时铝合金材料粘刀情况严重,还需花费大量人工处理加工后产品的毛边。后经采用DLC涂层铣刀进行了测试,DLC涂层厚度为2um。加工参数如下:

切削材料:铝合金6262;刀具材料:高速钢,直径8mm;主轴转速:2622RPM;切削深度:4mm;切削侧深:4mm;测试切削总长:32mm;切削条件:干切削;进刀速度:2.24m/min。

完成32m的干切削后,带DLC涂层的铣刀的磨损量很小,所切削产品无毛边,刀具仍可使用,后继续测试到62m,刀具磨损量仍在合格范围之内,所切削的产品也平整光滑,并无毛边出现。

全面革新对工业涂层应用的认识

以上介绍了涂层对提升刀具性能的种种功效,最后让我们扩展视野,关注模具涂层的应用,聆听科汇钛力有限公司—这家将涂层引进至本地制造业的先锋—是如何看待工业涂层应用之变化与发展的。可以说,科汇钛力见证了金属加工业在涂层应用及使用模式上的变迁。而当前国内市场的发展、产品多样化、生产材料转变等因素都使得涂层的需求日益攀升,科汇公司计划于明年初在深圳市增设涂层研发中心以更好为国内厂商服务。

据科汇钛力董事总经理郭光宇称,由于工件表面增添了涂层薄膜的保护,一般可延长使用寿命达3至4倍,从长远来看,更可减少制造模具的套数。而实际可将寿命延长多少则主要视乎产品本身而定,比如冲压模具使用了科汇特制的STARVIC涂层后,寿命增加了七倍之多。

图4 使用特制的TiCN-MP+MOVIC的冲压样本,工具的寿命多达5倍

其次,涂层可加强模具及产品在使用上的可靠性,特别是目前制造业的生产周期愈益缩短,一旦生产过程出现诸如模具损毁之类的问题,将会使生产商陷于被动,而涂层可为产品提供可靠的保护。事实上,PVD涂层不仅可提供功能上的防御,也可保护模具表面,提升产品外观效果。

郭光宇总结道,纳米涂层将成未来的发展方向,而涂层本身的技术研发工作亦加速了金属制造及模具业在应用涂层方面的发展步伐。当前制造商对于使用纳米涂层正处于起步阶段,其市场潜力值得期待。他预言,对于力求完美的实力派企业来说,涂层将成模具设计过程中的一个重要环节。

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