涂層刀具及其合理使用

1、涂層刀具及其合理使用(二)納米結(jié)構(gòu) 日本日立工具公司推出的GM20、GM25多層厚膜涂層刀片，它是在比普通CVD涂層稍低溫度條件下(約800900)進(jìn)行的，以形成耐磨性很高的柱狀結(jié)晶，為了提高刀片的抗粘附性，再在刀具表面上涂覆一層Al2O3膜。據(jù)稱，這種鍍膜的厚度大，韌性高，與基體結(jié)合緊密，抗崩刃性好，尤其適于斷續(xù)切削的工作，刀具壽命可比一般涂層刀片高1.52倍以上。 美國(guó)Kennametal Hertel公司在KC9315型刀片上涂有16µm厚的厚涂層，這種刀片特別適于加工高強(qiáng)度鑄鐵(如球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵)，切削速度可達(dá)400m/min，并可在干切削和斷續(xù)切削條件下使用。該刀片涂層

2、總共有三層：氧化鋁(Al2O3)、碳氮化鈦(TiCN)和氮化鈦(TiN)。 目前，金剛石薄膜涂層刀具的應(yīng)用已進(jìn)入實(shí)用階段。它是在硬質(zhì)合金基體(常用K類合金)上采用CVD法沉積一層由多晶組成的膜狀金剛石而成，常稱CVD金剛石刀具(簡(jiǎn)稱CD刀具)。因基體易于制成復(fù)雜形狀，故適用于幾何形狀復(fù)雜的刀具。美國(guó)和日本都相繼推出了金剛石涂層的絲錐、鉆頭、立銑刀和帶斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片(如Sandvik公司的CD1810和美國(guó)Kennametal公司的KCD25)等產(chǎn)品，用于有色金屬和非金屬材料的高速精密加工，刀具壽命比未涂層的硬質(zhì)合金刀具提高近十倍、甚至幾十倍。而另一種適于加工鋼鐵材料的CBN涂層亦已開發(fā)成功，

3、并正在走向工業(yè)試用階段。前幾年，武漢大學(xué)研制出一種C3N4薄膜，膜的硬度接近超硬材料，用其涂覆在高速鋼鉆頭上，可使鉆頭壽命大大提高。此外，美國(guó)一家涂層公司使用熱陰極蒸發(fā)技術(shù)把碳蒸發(fā)沉積到高速鋼刀具表面上，獲得結(jié)合得很好的類金剛石碳涂層(DLC)。類金剛石是非晶體，但它有很多金剛石相似的性能，如高的抗壓強(qiáng)度與硬度、低的摩擦因數(shù)和好的耐蝕性等，類金剛石刀具的問(wèn)世，為涂層刀具的應(yīng)用展現(xiàn)了一個(gè)新的前景。 除上述各種硬質(zhì)涂層材料外，還開發(fā)了MoS2基的軟涂層材料及WC/C“中硬”型滑性涂層材料。前者能大大改善刀具的切入性能，并防止積屑瘤的產(chǎn)生；后者切入時(shí)摩擦因數(shù)雖比MoS2涂層稍高，但它的抗磨損性能較好

4、。軟涂層可單獨(dú)使用，也可先在刀具表面上進(jìn)行硬質(zhì)涂層，再在其上涂MoS2軟涂層，無(wú)論是切鋼或加工高硅鋁合金都有好的效果(見圖2)，而且對(duì)鑄件也同樣有效。例如，采用一種(Ti, Al)N+ MoS2軟涂層的硬質(zhì)合金鉆頭干鉆削灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的深孔，刀具壽命高達(dá)1600min，而只涂TiN或TiCN涂層的鉆頭，其壽命分別為19.6min和44min。 目前，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還著手根據(jù)被加工材料的性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)涂層成份、涂層厚度及與之相匹配的基體材料，以求獲得其最佳組成并取得最佳涂覆效果。同時(shí)，還在開發(fā)智能涂層，這種涂層在磨損、變形或暴露于高溫的情況下，會(huì)引起電阻的變化，并發(fā)射電子而能被機(jī)床識(shí)別。 涂層

5、刀具的合理使用 涂層刀具的使用效果除與涂層方法及設(shè)備、涂層工藝和涂層材料有關(guān)外，還有以下情況。 涂前刀具的表面質(zhì)量 被涂刀具表面應(yīng)是光亮的磨光面，刀具各工作表面上不得有銹斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷，要求刃口上無(wú)毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra<0.81.25µm。表面粗糙度值愈小，涂層的結(jié)合度愈好。此外，刀具表面的清洗質(zhì)量也十分重要。 刀具基體材料 涂層刀具的基體材料與涂層材料應(yīng)合理匹配，須根據(jù)不同的加工要求選用。涂層高速鋼刀具的基體，既可用W6Mo5Cr4V2(M2)的通用型高速鋼，也可用含鈷的超硬高速鋼和粉末冶金高速鋼(PM HSS)。因粉末冶金的基體均勻，故使用效

6、果好。加工鈦合金時(shí)，推薦用含鈷超硬高速鋼如W2Mo9Cr4VCo8(M42)作為刀具的基體材料。對(duì)于涂層滾刀，當(dāng)以正常切削速度(小于45m/min)加工齒輪時(shí)，崩刃是滾刀磨損的主要原因，因此應(yīng)選擇韌性較好的W6Mo5Cr4V2高速鋼作為刀具的基體材料；而在高速滾齒時(shí)(切削速度大于100m/min)，月牙洼磨損是滾刀磨損的主要原因，因此應(yīng)選用耐熱性和耐磨性較高的含鈷超硬高速鋼或CW9Mo3Cr4VN高速鋼為刀具的基體材料。 涂層硬質(zhì)合金刀具的基體，在加工鋼材時(shí)，宜選擇加工鋼材的硬質(zhì)合金，如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co類合金(P30用得較多)；加工鑄鐵和有色金屬時(shí)，宜選擇WC-C

7、o類合金(K20用得較多)。 被加工材料的硬度及切削加工性，對(duì)涂層刀具的使用效果也有一定影響。試驗(yàn)證實(shí)，涂層刀具最適于切削高硬度和耐磨合金一類難加工材料。 刀具的幾何角度 由于涂層的潤(rùn)滑性好，所以涂層刀具工作時(shí)常會(huì)在工件表面上打滑，為此涂層刀具上的后角應(yīng)比未涂層刀具的后角略大。實(shí)踐表明，對(duì)鉸刀等一類精加工刀具，加大后角后，可使刃口鋒利，切屑形成容易，打滑現(xiàn)象明顯減少，刀具的使用性能提高。 切削用量和切削液 為了充分發(fā)揮涂層刀具的性能，必須正確選用切削用量和切削液。涂層刀具由于耐熱性好，抗月牙洼磨損能力強(qiáng)，故可采用較大進(jìn)給量和切削速度工作，但首先應(yīng)選取較大進(jìn)給量。通常涂層高速鋼刀具采用的進(jìn)給量比

8、未涂層刀具提高10%100%，提高20%30%的切削速度是合適的。為了提高工效，涂層硬質(zhì)合金刀具也可采用比未涂層刀具高25%70%的切削速度進(jìn)行切削。目前，用涂層硬質(zhì)合金通用刀具加工中碳結(jié)構(gòu)鋼時(shí)的切削速度，立銑刀可達(dá)100150m/min，鉆頭可達(dá)80100m/min；絲錐加工鑄鐵為2040m/min。 實(shí)踐證明，使用20號(hào)機(jī)械油加10%煤油冷卻時(shí)，可使涂層高速鋼鏜刀的壽命提高12倍。TiN涂層高速鋼滾刀加工20CrMnTi(197HBS)鋼制斜齒圓柱齒輪(模數(shù)m=5)時(shí)，使用20號(hào)機(jī)械油和煤油混合潤(rùn)滑，刀具壽命可提高5倍左右，即使重磨后也可提高23倍，干切時(shí)壽命僅提高1倍。 涂層刀具使用時(shí)還

9、要求機(jī)床的精度好、剛性高和振動(dòng)小，刀具或刀片的夾持也應(yīng)牢固。 涂層刀具的重磨和重涂 涂層刀具磨損后必須進(jìn)行重磨。涂層刀具重磨時(shí)，須將刀具上的磨損部分全部磨掉。對(duì)于只需重磨前刀面的刀具(如拉刀、齒輪滾刀和插齒刀等)或只需重磨后刀面的刀具(如鉆頭和鉸刀等)，若在其毗連切削刃的另一個(gè)刀面(如鉆頭的螺旋出屑槽)上的涂層未受損傷，刀具耐磨性即可提高。重新刃磨后的涂層刀具，其刀具壽命可達(dá)原來(lái)新涂層刀具壽命50%左右或更長(zhǎng)，仍比未涂層刀具的壽命要高。 刃磨涂層硬質(zhì)合金刀具所用砂輪可采用金剛石砂輪。但刃磨涂層高速鋼刀具時(shí)，用立方氮化硼(CBN)砂輪磨削有較好效果。刀具的磨損處應(yīng)全部磨去，涂層不能剝落，又不能使

10、刀具退火。 使用涂層刀具的一個(gè)重要問(wèn)題是重磨后刀具切削性能恢復(fù)的問(wèn)題，即刀具每次刃磨(開口)后可否再進(jìn)行重復(fù)涂層(重涂)的問(wèn)題。對(duì)于重磨的成形刀具，只有進(jìn)行重涂，才能保證刀具的總壽命提高35倍以上。凡重涂刀具首先必須按工藝要求將各幾何參數(shù)磨好，其磨光部分不允許存在各種質(zhì)量缺陷，如磨糊、毛刺等。重涂時(shí)可采用局部屏蔽技術(shù)只對(duì)刃磨面進(jìn)行涂層。對(duì)于不采用屏蔽技術(shù)的重涂，在重涂46次后，刀具的非刃磨面的涂層厚度就會(huì)過(guò)大，從而影響刀具的精度和產(chǎn)生局部剝落現(xiàn)象，此時(shí)要對(duì)刀具進(jìn)行脫膜處理后再重涂。重涂后的刀具切削性能一般不低于第一次新涂層刀具，刀具可重涂多次，直到報(bào)廢為止。 由上可知，重涂對(duì)提高刀具耐磨性和生

11、產(chǎn)率是有很大潛力的。但重磨后是否要重涂，還要看該刀具在技術(shù)上可否重涂和在經(jīng)濟(jì)上是否合算而定。 涂層刀具在中國(guó)應(yīng)用概況 中國(guó)對(duì)涂層刀具的研究與應(yīng)用是從20世紀(jì)80年代開始的。目前，湖南株洲硬質(zhì)合金廠已能提供YB系列、CN系列及CA系列的各種涂層刀具的產(chǎn)品。YB系列是用引進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)相當(dāng)于瑞典Sandvik公司GC系列涂層刀片的產(chǎn)品，涂層材料為TiC、TiC+Al2O3及TiC+Al2O3+TiC；CN系列主要用于鋼材的精加工，其涂層材料為TiC+Ti(C,N)+TiN；CA系列涂層材料為TiC+Al2O3，適于鑄鐵和有色金屬材料的加工。四川自貢硬質(zhì)合金廠用美國(guó)的涂層設(shè)備，生產(chǎn)ZC系列涂層刀片。但與

12、制造技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)應(yīng)用涂層刀具的比例與涂層技術(shù)的水平均較低。為此，上海工具廠有限公司和湖南株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)公司新近又從瑞士和德國(guó)分別引進(jìn)了PLATIT公司和CemeCon公司的涂層設(shè)備，以使中國(guó)刀具的涂層技術(shù)和涂層刀具的性能迅速趕上并接近國(guó)際先進(jìn)水平。與此同時(shí)，還成立了中瑞合資上海納微涂層有限公司，這是一個(gè)大型涂層服務(wù)中心，開展刀具的涂層、重磨及重涂服務(wù)，該公司引進(jìn)了4套涂層設(shè)備，可涂覆S-AlTiN(超級(jí)氮鈦化鋁)、S-TiN(超級(jí)氮化鈦)、TiCN、DLC、CrN等多種涂層?？梢灶A(yù)料，隨著涂層刀具的推廣與應(yīng)用，必將促進(jìn)中國(guó)高速切削、干式切削和硬切削等先進(jìn)切削技術(shù)的發(fā)展，而

13、先進(jìn)切削技術(shù)的發(fā)展，又將進(jìn)一步推動(dòng)涂層刀具的應(yīng)用。不斷改進(jìn)的鋁鈦氮刀具涂層關(guān)于提高AlTiN涂層中鋁的含量及其效果的爭(zhēng)議一直持續(xù)不斷。但有一點(diǎn)可以肯定：那就是提高AlTiN涂層的鋁含量后，有利于改善刀具的性能。當(dāng)然，用戶應(yīng)區(qū)分真實(shí)效果和夸大宣傳的差別，并且應(yīng)該懂得，最佳的涂層隨使用條件而異，就象刀具的幾何角度和基體一樣。 工業(yè)界的專家認(rèn)為，AlTiN涂層適用于在高速和干式切削(或近似干式切削)的條件下，加工不銹鋼、鈦、高溫超級(jí)合金的淬硬材料。 圖1 Balzers公司的AlTiN納米結(jié)構(gòu)涂層-Balinit Futura Nano,在高速、大進(jìn)給干式切削中，用于鉆頭、銑刀和鉸刀，優(yōu)點(diǎn)十分顯著

14、Ion Bond公司(一家物理和化學(xué)氣相沉積設(shè)備的供應(yīng)商)的高級(jí)開發(fā)工程師Haron Gekonde說(shuō)：“AlTiN涂層在刀具/工件接觸區(qū)溫度高達(dá)800至900時(shí)，仍能保持其硬度?！边@是AlTiN涂層的主要優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榍懊嫣岬降谋患庸げ牧隙紩?huì)在切屑剪切區(qū)產(chǎn)生大量的熱。當(dāng)然，在AlTiN涂層中的鋁含量多少最合適，還是有爭(zhēng)議。 不斷克服前進(jìn)中的障礙 盡管刀具涂層的開發(fā)取得了巨大的成功，但是廣大的刀具涂層技術(shù)人員沒有以此為滿足。難加工合金不斷進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，刀具涂層市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)仍然十分激烈。Carboloy公司的車削工具部主任Don Graham說(shuō)：“大家都在跳躍式的前進(jìn)，彼此你追我趕超過(guò)對(duì)手。最佳的涂層

15、在市場(chǎng)上只能維持46個(gè)月的領(lǐng)先地位，很快就會(huì)有更好的涂層問(wèn)世?！?改進(jìn)AlTiN涂層的方法之一就是提高鋁含量。(美國(guó))表面工程涂層協(xié)會(huì)前主席、現(xiàn)任Teefer市場(chǎng)服務(wù)公司總裁Fred Teefer說(shuō)：“提高鋁含量可使涂層在高溫下保持較高的強(qiáng)度，并且能提高抗氧化能力?！?圖2 當(dāng)?shù)毒?工件接觸區(qū)的溫度超過(guò)749時(shí)，鋁原子會(huì)穿過(guò)涂層晶格到達(dá)刀具表面。在該處鋁和氧發(fā)生反應(yīng)，形成一套氧化鋁薄膜。這層氧化皮保護(hù)了涂層，防止其進(jìn)一步氧化。 最流行的說(shuō)法是，當(dāng)?shù)毒?工件接觸區(qū)溫度超過(guò)約749時(shí)，鋁會(huì)“抓取”空氣中的氧，使涂層的外表面轉(zhuǎn)化成氧化鋁，形成一層氧化皮。Carboloy公司的車削工具部主任Don G

16、raham解釋說(shuō)：“每個(gè)人都相信這種說(shuō)法是正確的，但迄今未得到客觀證實(shí)?！边@種氧化鋁薄膜層能阻止進(jìn)一步地氧化，并能在刀具/工件接觸區(qū)產(chǎn)生高溫時(shí)起保護(hù)刀具的作用。 然而，提高鋁含量說(shuō)起來(lái)容易，做起來(lái)卻很難。在PVD中，常用直流法將AlTiN涂覆到刀具上，但這種方法在涂層中的鋁含量超過(guò)65%時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電絕緣障礙而無(wú)法有效地進(jìn)行。 Isoflux涂層設(shè)備制造公司總裁Dave Glocker解釋說(shuō)：“在涂層出現(xiàn)電絕緣時(shí)，單純的100伏左右的直流偏壓將不起作用，因?yàn)橹绷麟妷簾o(wú)法從絕緣材料上導(dǎo)出。所以必須改變工藝方法，以便能在絕緣體上加上偏壓，也就是要在基體上加上交流或脈沖直流偏壓，或者使用射頻工藝?！迸c

17、此同時(shí)他還指出，生產(chǎn)鋁含量超過(guò)65%的AlTiN涂層時(shí)，還有一個(gè)額外的問(wèn)題。例如在一個(gè)含鋁70%的鋁氮靶上濺射時(shí)，靶的表面也會(huì)形成電絕緣。所以，你可能既要對(duì)付一個(gè)絕緣的涂層，又要對(duì)付靶上的絕緣層。為了克服這些問(wèn)題，涂層設(shè)備應(yīng)具備沉積電絕緣材料的能力。Glocker說(shuō)：“做到這一點(diǎn)是可能的，我們能做，其它公司也能做。但涂層設(shè)備不是目前在工業(yè)中使用的傳統(tǒng)型設(shè)備?！?關(guān)于冷卻液的一些考慮 生產(chǎn)高鋁含量AlTiN涂層的設(shè)備可能變得日益普遍使用。因?yàn)楹芏嗔悴考圃焐汤酶墒角邢骰蚪聘墒角邢鱽?lái)達(dá)到環(huán)保要求，以減少生產(chǎn)費(fèi)用。更加耐熱的AlTiN涂層，使切屑離開工件時(shí)帶走更多的熱量。這樣，為了降低刀具/工件

18、接觸區(qū)的溫度而使用冷卻液的要求會(huì)變得很小，甚至可以不用，這對(duì)加工鎳基合金特別有利，因?yàn)榇藭r(shí)切削刃處的溫度可能高達(dá)816。美國(guó)Teefer市場(chǎng)服務(wù)公司總裁Teefer指出，雖然冷卻液、過(guò)濾設(shè)備和處置費(fèi)用占車間費(fèi)用的15%，但減少冷卻液消耗的主要?jiǎng)恿κ菫榱俗袷丨h(huán)境法規(guī)。他指出，冷卻液用得越少，零件需要清理的也越少。Isoflux涂層設(shè)備制造公司總裁Dave Glocker同意這種看法，并補(bǔ)充說(shuō)：“同時(shí)也節(jié)省費(fèi)用?！?超級(jí)氮化物涂層 目前已經(jīng)有一系列的刀具使用含鋁超過(guò)65%的AlTiN涂層，例如，Carboloy公司的涂層鋁含量為67%，Ion Bcnd公司的涂層鋁含量為70%，Ceme Con公司

19、則在2002年7月宣布開發(fā)了一種用于生產(chǎn)超級(jí)氮化物涂層的工藝，含鋁量達(dá)到80%。 據(jù)Ceme Con公司的技術(shù)經(jīng)理Rainer Cremer介紹，超級(jí)氮化物是一種極細(xì)顆粒、致密結(jié)構(gòu)的立方晶格金屬氮化物基的硬質(zhì)涂層。 上述涂層是由Ceme Con公司開發(fā)的高度離子化脈沖工藝(H.I.P)生產(chǎn)的，這種工藝基于復(fù)式陰極、雙極性、磁控濺射原理。脈沖產(chǎn)生的極高密度等離子體直接導(dǎo)向刀具，對(duì)正在生成的薄膜進(jìn)行高度離子轟擊，從而改善了涂層質(zhì)量。 Cremer指出，H.I.P工藝既可在直流偏壓下工作，也可在脈沖偏壓下工作，這取決于涂層的導(dǎo)電性。H.I.P工藝可以沉積非導(dǎo)電體涂層，因?yàn)殡p極性法可使刀具和陰極進(jìn)行有

20、效的周期放電。 Cremer還指出，AlTiN涂層的硬度隨含鋁量的增加而提高，但是含鋁80%氮化鋁的切削性能是否最佳，有待進(jìn)一步研究。 關(guān)于硬度問(wèn)題 對(duì)于鋁含量超過(guò)50%涂層，盡管有時(shí)仍按原來(lái)叫法稱為TiAlN，但有些公司已把提高鋁含量的涂層稱為AlTiN，以區(qū)別于原來(lái)的TiAlN。例如Melin工具公司自2002年6月起就停止使用原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)TiAlN涂層，并推薦用AlTiN涂層來(lái)替代。TiAlN涂層的硬度為2600HV，而AlTiN涂層的硬度可達(dá)4500HV。 圖3 多涂層超級(jí)氮化物AlTiN涂層的顯微組織 但是，對(duì)AlTiN硬度方面的見解并不統(tǒng)一，因?yàn)殇X含量并不是影響硬度的唯一因素。Bal

21、zers公司的研究開發(fā)部經(jīng)理Wolfgang Kalss就不相信隨著鋁含量上升，涂層硬度相應(yīng)提高這種觀點(diǎn)。他說(shuō)：“把鋁含量提高到超過(guò)65%是可能的。但是提高鋁含量后，也會(huì)形成較軟的AlN相，使硬度降低?！彼€補(bǔ)充談到，Balzers曾收集分析各種數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在鋁、鈦比達(dá)到1：1時(shí)，涂層硬度最高。 雖然對(duì)AlTiN涂層在切削過(guò)程中的硬度值存在爭(zhēng)議，但是對(duì)于涂層表面在切削過(guò)程中氧化形成Al2O3覆蓋層的說(shuō)明卻沒有分歧。冶金工藝公司的銷售經(jīng)理Kris Lang說(shuō)：“因?yàn)榍邢鬟^(guò)程中形成了氧化物覆蓋層，使脆性的涂層在抗熱性提高的同時(shí)也提高了硬度?！?他補(bǔ)充說(shuō)明，AlTiN涂層刀具的理想工作速度為18324

22、4m/min，主軸轉(zhuǎn)速為2000040000r/min或更高，并且切削深度較淺。在這種條件下工作，生產(chǎn)效率較高，主軸所受壓力較小，表面較光潔，切屑較細(xì)有利于帶走較多的切削熱。這對(duì)切屑下側(cè)的涂層耐久性要求也不象低速切削那么高。這種工作條件對(duì)于切削可加工性標(biāo)準(zhǔn)值低達(dá)78%鎳基合金來(lái)說(shuō)是很需要的。 AlTiN涂層中還可加入碳，這樣在切削鎳基合金時(shí)可增加刀具韌性。Lang補(bǔ)充說(shuō)，正在進(jìn)行的一項(xiàng)試驗(yàn)是在涂層中加入硅，作為粘結(jié)劑強(qiáng)化涂層的顯微結(jié)構(gòu)，以改善其性能。 圖4 CC800/9.I.P爐子有一個(gè)高壓脈沖刻蝕階段，對(duì)工件進(jìn)行涂前清理。這個(gè)功能對(duì)于形狀復(fù)雜的刀具(鉸刀、復(fù)合立銑刀)等特別有利 Lang指出，隨著越來(lái)越多的廠家購(gòu)買加工中心，AlTiN涂層刀具的使用也增加了。他的公司已有40%的涂層采用Al