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涂层,不可或缺

 
核心提示:涂层刀具的重磨和重涂涂层刀具由于表层硬度高,用普通砂轮刃磨时磨削比小,重磨困难,不少操作者就把它作为不重磨刀具而丢弃,造

涂层刀具的重磨和重涂

涂层刀具由于表层硬度高,用普通砂轮刃磨时磨削比小,重磨困难,不少操作者就把它作为不重磨刀具而丢弃,造成极大的浪费。文中介绍了涂层刀具的重磨和重涂方法。

涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上,利用气相沉积方法涂覆一薄层或多层、甚至多达千层以上耐磨性好的难熔金属或非金属化合物,如TiC、TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3、C3N4、MoS2、DLC及金刚石等材料。可涂单一的涂层,也可涂复合和多元涂层。日本住友电工公司推出的一款高速强力型钻头,它是在钨钴类硬质合金基体上交互涂覆了1000层TiN和AlN纳米超薄膜薄层,涂层总厚度约2.5μm。该公司开发出的ZX涂层立铣刀,超薄膜薄层数多达2,000层,每层厚度约1纳米,从而解决了刀具材料的硬度和耐磨性越高而强度和韧性越低的矛盾。

涂层作为一个化学屏障和热屏障,减少了刀具与工件间的扩散和化学反应,从而减少了月牙洼磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性,切削时可比未涂层刀具提高使用寿命3-5倍以上,提高切削速度20%-70%,提高加工精度0.5-1级,降低刀具消耗费用20%-50%。因此,涂层刀具已成为现代切削刀具的标志。在工业发达国家涂层刀具使用比例已超过70%,美国在数控机床(NC)和加工中心(MC)上使用的刀具80%-85%都是涂层刀具。目前,切削加工中使用的各种刀具,包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀、插齿刀和剃齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。

现在,中国大陆湖南株洲硬质合金集团公司已能提供YB系列、CN系列及CA系列的各种涂层刀具的产品。四川自贡硬质合金厂、上海工具厂有限公司以及爱恩邦德(Ionbond)(苏州)和胜培尔超强镀膜(苏州)有限公司等企业均能向用户提供各种涂层刀具或涂层刀片的产品。

必须指出的是,涂层刀具目前在使用中存在一个误区,由于其表面硬度高,当刀具磨损或涂层剥落时,因用普通砂轮刃磨时磨削比小,重磨困难,不少操作者就把它作为不重磨刀具而丢弃,造成极大的浪费。涂层刀具磨损后必须进行重磨。涂层刀具重磨时,需将刀具上的磨损部分全部磨掉。对于只需重磨前刀面的刀具(如拉刀、成形车刀、成形铣刀、齿轮滚刀和插齿刀等)或只需重磨后刀面的刀具(如钻头和铰刀等),若在其毗连切削刃的另一个刀面(如钻头的螺旋出屑槽)上的涂层未受损伤,刀具耐磨性即可提高。重新刃磨后的涂层刀具,其刀具使用寿命可达原来新涂层刀具寿命50%左右或更长,仍比未涂层刀具的寿命要高。

刃磨涂层硬质合金刀具所用的砂轮,可采用金刚石砂轮。但刃磨涂层高速钢刀具时,用立方氮化硼砂轮磨削有较好的效果。刀具的磨损处应全部磨去,涂层不能剥落,但又不能使刀具退火。

使用涂层刀具的一个重要问题是重磨后刀具切削性能恢复的问题,即刀具每次刃磨(开口)后可否再进行重复涂层(重涂) 的问题。表1中列出了涂层高速钢齿轮滚刀和插齿刀,重磨前刀面后再进行重涂后的刀具耐磨性试验结果。

 


从上表可见,经涂层及重复涂层后的齿轮滚刀和插齿刀的使用寿命有明显提高。实际试验表明,在上述齿轮滚刀和插齿刀的重复涂层面上,膜层厚度没有明显增加,而用多次重涂后的刀具加工出的齿轮仍能达到图样上规定的精度要求。齿轮滚刀经过17次重复涂层后,刀齿后刀面涂层膜的累积总厚度仍只有5-6μm,而且涂层膜在刀具表面上是均匀的,新涂上去的膜层与原涂层形成冶金结合,两者没有可辨别的界层,也无明显的空穴。重复涂层对其它刀具如麻花钻、铰刀和立铣刀等也同样有效。

涂层刀具重涂时,除可使用原涂层材料外,也可采用新的涂层材料。实际使用表明,TiN涂层刀具重涂时若采用TiAlN新的涂层材料,无论是切削速度或者是刀具使用寿命均将有明显提高。此外,涂层刀具的使用寿命与膜层厚度也有一定的关系。若以后刀面磨损为基准,随着膜层厚度的增加刀具寿命也会增加,但膜厚为5μm时达到饱和,即寿命不再明显增加。如果以前刀面月牙洼深度为刀具寿命的基准,刀具寿命与膜层厚度成正比,未发现饱和现象。但膜层太厚时易引起剥落,因而现在刀具的涂层厚度一般不超过5-10μm。

对于重磨的成形刀具,也只有进行重涂,才能保证刀具的总寿命提高3-5倍以上。凡重涂刀具首先必须按工艺要求将各几何参数磨好,其磨光部分不允许存在各种质量缺陷,如磨糊、毛刺等。重涂时可采用局部屏蔽技术只对刃磨面进行涂层。对于不采用屏蔽技术的重涂,在重涂4-6次后,刀具的非刃磨面的涂层厚度就会过大,从而影响刀具的精度和产生局部剥落现象,此时要对刀具进行脱膜处理后再重涂。重涂后的刀具切削性能一般不低于第一次新涂层刀具,刀具可重涂多次,直到报废为止。

从上可知,重涂对提高刀具耐磨性和生产率是有很大潜力的。通常,硬质合金生产厂一般都能进行重涂。目前中国大陆还有专门的涂层公司开展此项业务,例如中瑞合资的上海纳微涂层有限公司,这是一个大型涂层服务中心,专门开展刀具的涂层、重磨及重涂服务,该公司引进了4套涂层设备,可涂覆S-AlTiN(超级氮钛化铝)、S-TiN(超级氮化钛)、TiCN、DLC、CrN等多种涂层。但涂层刀具重磨后是否要重涂,还要看该刀具在技术上可否重涂和在经济上是否合算而定。

企业谈涂层与刀具

就刀具而言,涂层技术、超硬材料、CAD/CAM软件等方面都取得了重大突破,尤其是涂层技术的发展非常迅速。那么,刀具企业与涂层企业在这方面都做了怎样的努力呢? 

伊斯卡:直指“快速金属切削”

提升刀具性能,最基础的研发方向指向提升刀具材料。这涉及到基体及涂层两个方面。

硬质合金基体,有一个基本特性,即韧性越高,则耐磨性越低;反之亦然。因此,当进行断续切削时,如铣削、非连续车削时,可选择韧性高的基体;当进行连续精车时,则需选择耐磨性高的基体。

而超细晶粒牌号的开发,打破了基体的常规规律。超细晶粒牌号,兼具高耐磨性及高韧性。这就为实现刀片及刀具的通用性打开了一个通道。伊斯卡推出的IC07、IC08超细晶粒硬质合金基体,即为通用型硬质合金基体的典范,兼具高的耐磨性及高的韧性。特别是经涂层处理后的IC908,凭借基体与涂层的完美结合,可通用于钢、淬硬钢、不锈钢、高温合金、铸铁的钻削、切槽切断、铣削。IC908面市多年,因其在加工中的出色表现,深得众多用户的信赖。

这些年,伊斯卡在涂层技术上也取得了长足的发展,主要表现在以下几个方面:

1、中温化学气相涂层(MT-CVD)。采用中温化学气相涂层(MT-CVD,沉积温度700-900℃)所制取的Ti(C,N),与采用高温化学气相涂层(HT-CVD,沉积温度900-1,100℃)所制取的Ti(C,N)相比,前者的涂层组织结构致密,厚度可达10μm以上,并呈柱状结晶,且涂层后,刀具表面残损的应力也更小。这种硬质合金涂层处理具有更高的抗磨损性能、抗热震性能和较高的韧性。当应用于恶劣条件下的高速重切削、干切削加工时,刀具寿命有显著提高。伊斯卡在IC8150-IC8350、IC9150-IC9350等P类牌号,IC5005、IC5010、IC5100等K类牌号中,均采用了中温化学气相涂层技术。

2、硬质合金α-Al2O3涂层技术。沉积Al2O3涂层时,随着沉积温度的不同,Al2O3会呈现不同的结晶相,如:γ、δ、α、κ- Al2O3等。其中,只有α- Al2O3是热力学稳定结构。因工艺条件的变化,往往得到α相、κ相Al2O3的混合物,这降低了涂层的性能。而伊斯卡现在已能通过严格控制工艺参数,得到纯正的α- Al2O3,并控制其晶体生长方向,呈柱形组织;并将此技术命名为α-TEC。伊斯卡也将α-TEC技术,应用到了IC8150-IC8350,IC5400等P类牌号,IC5005、IC5100、IC5010等K类牌号。

3、采用复合涂层(DO-TEC)。该技术为基于中温化学气相涂层(MTCVD)表面进行PVD涂层。伊斯卡的DT7150牌号采用了此技术,TiCN为底层,Al2O3为中间层,TiN为过渡层,均采用中温化学气相涂层技术;TiAlN为顶层,采用PVD涂层技术。此牌号在灰铸铁、球墨铸铁的中-高速铣削加工中,表现出色。

4、采用TiAlN(PVD)涂层或AlTiN(PVD)涂层。TiAlN呈紫黑色,硬度为35GPa,摩擦系数为0.4-0.6,最高使用温度为800℃,可用于加工难加工材料,干切削、硬切削。伊斯卡的IC908、IC907、IC808、IC830、IC928、IC950采用了此涂层。

而AlTiN呈黑色,硬度为 38GPa,摩擦系数为0.5-0.7,最高使用温度为900℃,性能优于TiAlN涂层。伊斯卡的IC900、IC903、IC810、IC910采用了此涂层。


5、采用束魔涂层技术(SUMO-TEC)。束魔技术应用于化学涂层时,通过特别的过程控制,有效降低了CVD涂层表面的应力,减少了热裂纹,从而延长了刀具寿命。如IC8150, 超硬基体表面的富钴层上,采用中温化学气相涂层(MTCVD)技术,在TiCN 底层上,涂覆厚的Al2O3涂层作为中间层,TiN作为顶层。TiCN可改善刀具耐磨性以防止崩刃,Al2O3则具有优异的耐高温、抗氧化性,TiN具有高硬度、耐磨损性。通过对刀片前刀面涂层后处理,引发表面压应力,有助于抑制裂纹的产生。涂层表面也更光滑,与切屑的摩擦减少,切削热降低。束魔技术应用于物理涂层时,通过处理沉积在刀片涂层表面的液滴,形成光滑的涂层表面,使得刀具寿命得以延长。

束魔涂层技术,可使得涂层表面更光滑,刀片涂层表面应力更低。这一切,使得切削区域温度更低,抗崩刃性及抗积屑瘤性更佳,结合相适的硬质合金基体,在加工绝大多数被加工材料时均能获得更可靠持久的刀具寿命。

蓝帜:带纳米球涂层的新一代滚刀

针对齿轮加工工序的特点和技术要求,蓝帜公司的刀具专家研发了新的涂层技术——纳米球。由纳米层构成且只有3-4μm薄薄的多层结构,虽然硬度很高,但是具有显微弹性,能有效地保护用户的刀具在加工过程中免于磨损。创新的涂层技术不仅能够使用户得到更高的切削速度,而且缩短了节拍时间,有效地提高了生产效率。同时,还可延长刀具使用寿命高达30%,使用户的刀具成本降低了25%。

在齿轮加工过程中,滚刀承受着极大的热应力和机械应力,而干切削的发展趋势更增加了刀具在切削过程中必须承受的热应力。此外,加工中断的地方对滚刀的切削刃会产生极为危险的负荷。针对这些问题,新开发的纳米球涂层为其提供了有效的解决方案,同时使刀具的加工性能明显提高。蓝帜的纳米球使菲特滚刀的刀具寿命比带传统氮化物涂层的刀具寿命延长了30%,而且切削速度更高,更有效缩短了生产节拍时间。

创新的纳米球涂层的关键优势在于其多层性、纳米结构的设计,这大大提高了刀具的隔热性,意味着基体需要较长的时间才能升温。同时,纳米球涂层的多层结构使它比单层涂层更具有弹性。当基体失去了稳定性并在压力下屈服时,位于其上面的柔性多层涂层也会受磨损。如果纳米球涂层中出现裂纹,其扩展会被重新定向,并被多层结构所减缓。

为了保证刀具的高品质,蓝帜保证带纳米球涂层的菲特滚刀通过所有的重新调试周期将能够继续以与新刀具一样的标准工作。刀具在蓝帜服务中心原来的磨床和涂层设备上进行重新调试(翻新),这个过程保证了产品一贯的高品质和绝对的过程安全性。

综上所述,带纳米球涂层的滚刀适合干、湿加工,同时,在氮化铝铬基上的纳米结构的多层涂层特别适合整体硬质合金滚刀;多层设计(三明治结构)保证了刀具最优的机械性能和热性能:在点负荷时具有高弹性和吸收能力(可抑制并将裂纹扩展降到最低程度),涂层内低内应力,提高了隔热效果,即在滚削过程中所产生的高温需要较长的时间才能使钢制刀具变热;与传统的单层滚刀相比,蓝帜公司纳米球涂层刀具的使用寿命延长了至少30%;纳米球涂层刀具具有更高的生产效率。

山特维克可乐满:不断改进化学涂层技术

作为用于生产优质涂层以提升切削刀具性能的关键技术,化学涂层(CVD)可以说是促进刀具涂层与工艺的不断演进并大大提高刀具生产效率的重大功臣。

山特维克可乐满涉足化学涂层的历史可追溯到最初推出涂层刀片牌号的1969年。这种GC125牌号只带有几微米厚的碳化钛涂层,但却提高了切削速度并延长了刀具寿命。

化学涂层是一种用途极广的技术,可用于生产厚薄不一的碳氮化钛、氧化铝及金刚石等耐磨硬质涂层,以及半导体产品等。它是另一项使用广泛的刀具涂层技术——物理涂层(PVD)的辅助技术。化学涂层可在刀具刀片上形成厚厚的氧化铝(Al2O3)、碳化钛(TiC)、碳氮化钛(TiCN)以及氮化钛(TiN)涂层(5-25微米),从而提供极高的耐磨性,同时适合在有大量磨料磨损的情况下使用。相比之下,物理涂层工艺产生的较薄涂层具有高压缩应力,因而更适合于强调韧度的切削应用场合。

化学涂层技术在不断改进和完善。化学涂层得以发展的一个原因是,它让工程师们能够对每个涂层进行优化,而且如今它仍是唯一可沉积优质α- Al2O3结晶层的涂层工艺。

最新的涂层硬质合金刀片有多达10层涂层,每个涂层的功能都不一样。在多涂层牌号中,外面一层薄薄的氮化钛用于磨损标示,在其下面通常是提供耐化学性及耐磨性的氧化铝层,再下面就是几层韧性碳氮化物及氮化物层,可提供高度的后刀面耐磨性。刀片基体由硬质合金底面和钴粘结剂相位组成,而在靠近涂层的区域,一些硬质合金取代物上的基体已被去掉,以提升抗边缘断裂能力。

山特维克可乐满最早采用精密化学涂层技术的一种牌号是用于铸铁铣削的GC3020。它于1994年推出,运用中等温度化学涂层(MTCVD)——内层采用碳氮化钛(TiCN),上面是独特的专利氧化铝(Al2O3),从而实现卓越的耐磨性及涂层附着力。用于不锈钢切削的GC2025牌号是代表当今最新技术的一个例子。

在实际操作中,化学涂层涉及一系列工艺流程,包括利用气相来沉积固体材料。以最简单的形式为例,化学涂层系统主要由加热反应室(将需要涂层的刀片放在托架上)、气体输送系统,以及真空泵系统组成。这个泵是用来保持反应器内低压,以及清除各种多余及附带产生的气体。

在预热温度下,将氯化铝、一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气和四氯化钛等气体输入反应室。

当它们经过刀片的受热表面时,就会发生反应并形成固体涂层。气流、气压及反应温度等过程参数极为关键。沉积氧化铝需要使用1,0000C左右的温度,而碳氮化钛在800至950摄氏度的范围内可取得最佳效果。一次化学涂层过程可能长达24小时。

化学涂层(CVD)很可能在未来仍保持重要地位。它对刀具性能产生过重大影响,以致现今超过80%的刀片牌号均采用涂层技术。山特维克可乐满目前提供的涂层牌号中有近70%用到化学涂层。


2011年欧瑞康巴尔查斯涂层公司针对孔加工市场又推出了一款新的涂层——BALINIT® PERTURA,适合于所有高性能硬质合金钻头的全面解决方案。




作为目前的BALINIT® FUTURA 和HELICA钻头涂层技术的新一代改良,BALINIT® PERTURA最关键的优势是其纳米结构。在加工难加工材料时能够提高生产率和工艺可靠性。这一新型涂层由于其设计、结构和光滑度脱颖而出。为纳米结构层提供了最优的残余应力、硬度和断裂韧性之间的完美平衡,明显增加耐磨性,抑制裂纹扩散。此外,更高的红硬性显著增强对磨损的保护,大大延长了不同钻头的服务寿命。由于减少了粘附的敏感性,即使在深孔加工时也能促进排屑,光滑的涂层表面对于加工具有挑战性的材料时也很完美。

下图是直径8.5mm的钻头钻削球墨铸铁GGG60的案例,切削参数为:线速度90m/min,进给0.22mm/r,孔深为43mm的通孔,乳化液冷却,当钻头磨损量达到0.3mm时,采用巴尔查斯原有的两款涂层的钻头加工数量分别为2,300和2,750孔,采用BALINIT® PERTURA的钻头加工数量达到了3,800孔,大大延长了使用寿命。

由于BALINIT® PERTURA的纳米多层结构和极高的红硬性,采用这个涂层的钻头可以选择更高的切削速度,以提高生产效率。下图是采用PEERTURA涂层来提高生产效率的一个案例。直径8.5毫米的硬质合金钻头,加工42CrMo4,43mm长的通孔,乳化液冷却,采用巴尔查斯原有的一款针对孔加工的涂层,钻削线速度为80m/min,进给量为0.284mm/r,钻削500个孔需要25min;而采用PERTURA涂层的钻头,线速度可以达到210米/分钟,进给量为0.2mm/r,钻削500个孔只需要13分钟,大大缩短了加工时间,提高生产效率85%。

同时,BALINIT® PERTURA在重磨的钻头上也能得到和新刀相同的性能。如果重磨和重涂的成本是新钻头价格的三分之一,原来需要4支新钻头来实现产量,现在只需要1支新钻头加上3次重磨和重涂,就能达到相同的产量,刀具成本降低50%。

目前来看,BALINIT® PERTURA是一款在孔加工应用中具有突破性的涂层产品,可以保证各种钻削在中、高速的钻削环境下稳定的生产,提高生产效率,降低生产成本。

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