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应用于现代切削领域的高性能涂层

文字:[大][中][小] 发布时间:2013-9-5  浏览次数:697

  据专家分析,在未来五年内,诸如高速切削、硬加工及干式切削等现代切削方式将在全球获得广泛应用。为满足生产效率的需要,无论是机床制造商或是刀具制造商均必须为此作好充分准备,而涂层则在其中扮演着相当关键的角色。
  考虑到未来对切削刀具各方面需求的增加,刀具制造商不得不将刀具视为一个系统来对待。刀具基体材料、几何形状、刃口的处理以及涂层必须根据不同的应用条件做系统匹配。除此之外,切削参数也是必须综合考虑的因素之一。当然,如果切削参数变得非常苛刻,那么仅仅依靠改变涂层是无法获得理想的性能结果的。
  高电离溅射技术
  为满足应用领域对诸如抗氧化性能、热稳定性能及热硬度等需求的不断提高,目前人们将研究重点放在了对(Ti,Al)N 基涂层的改进上。通过采用高电离溅射(H.I.S)技术可获得最先进的(Ti,Al)N涂层,测试结果显示,这种涂层与不同的基体材料均具有极佳的结合力,尤其适合于高性能切削领域(HPC)。与其他PVD技术(例如ARC技术)不同的是,H.I.S 技术可直接将被蒸发材料从固态转化为气态,因此从根本上避免了采用ARC技术时蒸发材料在熔融状态中以液滴的形式沉积于工件表面的现象,因而,通过H.I.S技术获得的涂层具有表面非常光滑平整的特点。这一点对于那些需要很好的切屑流和高切屑去除率的应用场合来说非常重要。H.I.S技术的另一个优点是,由于被蒸发材料在沉积过程中直接从固态转化为气态,因此对材料几乎没有任何限制,这也就意味着即使是非导电材料也同样适用。正是因为这样的灵活性,H.I.S技术将成为未来最具潜力的涂层技术之一。
  Supernitrides涂层
  CemeCon AG涂层工艺技术公司新推出了一种被称为“Supernitrides”的涂层。Supernitrides将氧化物涂层的化学稳定性和硬质涂层的机械性能完美地结合起来,开创了涂层材料的一个全新领域,特别适合于高档材料的加工并可满足各种不同金属切削任务的需要。值得一提的是,这一代表着未来发展趋势的涂层种类只能通过H.I.S技术或H.I.P ( 高电离脉冲)技术获得。
  Supernitrides 最显著的特点在于其致密的纳米组分结构(见图1),同时,其成分中含有可生成不同氧化物的高含量元素。涂层的形态及构成(例如铝含量、结构、表面光洁度等)均可根据应用需要进行最佳设计。对许多种不同的被加工材料(如CGI、42CrMo4、铸铁、工具钢等)进行的钻、铣、滚削和车削加工测试结果都证实了(Ti,Al)N基Supernitrides 的优越性能。
  出色的热稳定性、极佳的热硬度和抗氧化性能,再加上合适的韧性,使得加工过程中产生的大量热被切屑带走。Supernitrides涂层中的铝含量越高,切削过程中表面产生Al2O3薄膜的速度将更快,从而对刀具起到更为有效的保护作用。图2为对42CrV4材料进行铣削加工的案例。从图中可以看到,切屑的弯曲度很大,这种形状有利于切屑带走大量的热量。根据铝含量的状况,热稳定温度和相应的化学稳定温度可达到1100℃。通过显微图片可以看出这些铝含量为63%的薄膜呈纳米组分结构。与此同时,涂层硬度可提高到3.500~3.700 Vickers左右。
  Supernitrides涂层优异的性能向世人们展示了专业化的涂层技术仍然具有很大的市场潜力。CemeCon公司的技术人员发现,工具供应商常常将标准涂层做为一种折衷的解决方案提供给不同的用户。但是,这种现货供应的工具未必适合任何材质的任何应用场合,特别是面对新型材质的加工。
  当加工过程有着特殊要求时,对工具涂层的优化将会大大提高其切削速度和切削量。针对特殊材质和切削条件开发研制的涂层能够使工具的性能增加20%~30%,从而提高了加工效率。因此,为了使工具达到最佳的使用效果,除了对切削刃部的几何形状进行选配之外,最重要的还是对涂层的优选。
  Supernitrides带来的惊喜
  对于工具制造商来说,Supernitrides涂层广泛的适用性使其成为一种更为经济实用的涂层工艺,而对于汽车制造商来说,Supernitrides涂层的优异性能改进了工具的切削参数,在改善企业生产能力的同时也增强了企业的竞争实力。
  对于德国汽车制造商来说,除了要对来自OEM供应商的零部件进行严格的质量控制外,关键点是要着眼于如何在生产过程中提高产品质量、降低制造成本。对于被密切监控下的生产流程,人们首先将关注的重点放在了如何使生产更加合理化上,如:如何延长工具的使用寿命、如何减少机床的停机时间等问题。
  Volkswagen公司的扎尔茨吉特工厂里,Supernitrides涂层的出色表现令人们感到震惊。在加工发动机零件时,Supernitrides涂层向人们展示出了出色的加工效果及高速切削时的优异加工性能。在相同加工条件下,工件的产量由过去的1750个提高到了6000个。这同时说明了,即使经过了相当长的加工周期,刀具的公差仍然在严格的给定规范之内。
  与Volkswagen公司的紧密合作使得CemeCon公司可以时刻把重点放在对整个加工工序的优化上,及时找出生产中的问题所在,并使之得以及时解决。在扎尔茨吉特工厂里,Supernitrides涂层应用产生的效果是有目共睹的——改善了企业的生产能力,提高了产品的质量,降低了产品的制造成本。
  硼基涂层
  硼基(boron)涂层是一种用于低硅铝合金和有色金属材料加工的涂层,这种涂层目前也仅可通过H.I.P技术获得。被称之为“TiBx ”或“TiBN” 的硼基涂层非常不容易与铝粘结,从而可以避免在铝加工过程中最另人头痛的积屑瘤问题。但需要注意的是,刀具表面的光滑状况是成功进行铝加工的一个至关重要的因素。刀具表面较低的粗糙度使得流动的切屑无法获得任何机会机械性黏结在刀具表面。这个实例也说明了刀具本身表面形态及涂层表面状况将共同影响整个切削过程。欧洲有些刀具制造商建议在进行铝加工时采用后刀面进行过抛光处理的刀片。当然,对于这种应用场合,除了对表面进行抛光处理外,还同时需要其它很多专有技术的配合。
  金刚石涂层
  随着越来越多的纤维和微粒增强材料及金属复合材料在汽车制造行业中被采用(见图3),那些具有较高抗磨损性能的材料例如金刚石将会在提高机械加工率和产率上发挥独到的关键作用。对于EDM石墨电极加工等研磨磨损为主要磨损形式的应用场合,金刚石涂层是最佳选择。图4、图5为目前最先进的纳米和微晶结构以及多涂层金刚石薄膜的例子。
  正如ISCAR公司总裁JocobHapas先生所说,中国的汽车工业中高硅铝合金材料(Si >8%)将发挥越来越重要的作用。为了使刀具获得非常光滑平整的表面以防止积屑瘤和铝材料的堆积,非常有必要采用纳米晶体结构的金刚石涂层。
  图6为采用最新设计的未涂层刀具和金刚石涂层刀具对含30% SiCMMC材料进行钻削加工的对比结果。从图中可以看出,无涂层的钻头在加工了12个孔后就出现了非常严重的磨损,而金刚石涂层刀具在加工完90个孔后依然几乎看不到磨损。需要说明的是,PVD涂层无法提高用于这种材料加工的刀具性能。
  未来的涂层技术
  CemeCon公司不断开发并向市场推出新的硬质涂层产品,例如TINALOX、SUPERTIN、ALOX、 Hyperlox 和CCDiaLine,以及最新问世的Supernitrides涂层家族。
  将来,脉冲直流等离子体增强溅射技术使气体控制等离子向材料控制等离子的转变成为可能,另外,H.I.P.技术也使人们有史以来第一次可以在低于450℃的工艺温度下沉积晶体氧化铝(Al2O3)薄膜,将(Ti,Al)N基涂层与厚度较大的Al2O3涂层组合起来,而传统的CVD无法实现这种组合,原因在于(Ti,Al)N为亚稳性,无法通过CVD合成。这两种涂层的组合方式在柄状刀具上的应用将成为未来一种新型的涂层方案(见图7)。
  另外一种新的涂层种类被称为“TiAlBN基抗磨损润滑涂层”(见图8)。通过改变其硼含量可影响其形态和性能从而更好地满足应用需要。这种薄膜的独到之处在于表面润滑薄膜的“实时”产生。“实时”的意思即在使用过程中随着升温,硼会向接触地带涂层表面扩散,并在表面生成BN和/或B2O3发生反应。
  对CK45的钻削加工初步结果显示出这些涂层极为乐观的性能状况。通过对TiAlBN涂层钻头进行精抛光处理后可使其性能相对目前最先进的涂层提高336%。需要补充说明的是,这里所说的目前最先进的涂层钻头应用于湿式加工条件,而TiAlBN涂层钻头则采用的是干式切削。
  结束语
  目前人们还是通过切削刃来获得利润,即为了提升其刀具质量,刀具制造商必须通过优化其基体材质、制造工艺如研磨、几何形状的设计、表面刃磨、刃部处理等方式,同时还需与涂层专家紧密合作以实现刀具与表面涂层的最佳组合。在未来,涂层刀具必须根据不断变化的现代切削应用条件来进行系统组合。与传统观念中的“在刀具上涂覆一层薄膜”相比,这是一种截然不同且非常复杂的工程方法。
  背景资料
  作为(Ti,Al)N涂层的创建者,CemeCon公司是目前高性能涂层生产和与此相关的PVD & CVD技术开发领域中最为活跃的一家企业。早在1988年,人们还在潜心于TIN和TICN涂层与相关技术时,CemeCon 便率先将(Ti,Al)N 涂层推向了市场。如今CemeCon拥有一家员工人数超过200名的欧洲最大涂层服务中心。用户遍及欧洲、美洲及亚洲各地。世界上几乎所有著名的刀具制造商均安装有CemeCon的全自动化操作CC800涂层装置进行高性能PVD涂层或CVD金刚石薄膜的生产。在刀具CVD金刚石涂层领域,CemeCon公司已确立了其在世界市场的龙头地位。2004年年初,CemeCon开始实施向全球推出涂层服务及涂层应用开发的战略:美国应用开发中心(ADC)正式投入运行,丹麦CCScandinavia合资公司和中国苏州天威赛利涂层技术公司开始投产。