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刀具涂層的應用現狀及發展趨勢

  涂層技術是提升刀具性能的主要手段之一。通過涂層提高了切削刀具抗各種磨損的能力,延長了刀具的壽命,提高了被加工零件的表面精度,也提高了切 削速度和進給速度,從而提高了金屬切削效率。今天,在切削刀具主流材料的硬質合金中,涂層硬質合金刀具占了80%,而其中CVD(化學涂層)又占了60% ~65%,其余為PVD(物理涂層)。

  在CVD涂層方面,包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各種 化合物的多層復合涂層對改善涂層的綜合性能,如結合強度、韌性、耐磨性和抗磨性及耐腐蝕性具有良好的效果。現在典型的VCDTiN(外層)+ Al2O3(中層)+TiCN(內層)多層式結構正在從涂層工藝上和涂膜的厚度上得到進一步改善。MTCVD(中溫化學涂層)因有較低的工藝溫度和較快的 沉積速率使得涂層與基體分界面上的脆性η相最小化,同時減少了在高溫CVD涂層中常見的由高溫導致的拉伸裂紋,因此,MTCVD TiCN涂層已成為CVD多層涂層中的一個主要構成,這種MTVCD已用于α- Al2O3涂層,如ISCAR的α-IC9150、α-IC9250、α-IC9350和α-IC4100等,提升了涂層與基體的結合強度和抗后面磨損、 前面磨損和抗粘附的能力。

  在PVD涂層方面,也從單一的TiN或TiCN或TiAlN涂層發展到現在的復合涂層即硬涂層+軟涂層。為適應更高切削 速度和干式切削的要求,涂層刀具的紅硬性成為近幾年PVD技術的開發熱點。TiAlN的改進涂層AlTiN提高了薄膜中Al的含量(Al含量大于 50%),提升了涂層的紅硬性、化學穩定性和抗氧化的性能,如ISCAR的Al-IC910(加工鑄鐵和鋼)、Al-IC900、Al-IC930(加工 鋼、不銹鋼、硬鋼、鑄鐵、高溫合金等)。

  現代刀具涂層發展的一個重要特征就是復合化,為了提高其綜合性能,涂層材料復合、涂層層復合以及 CVD與PVD復合,如ISCAR的DT7150(K05-K25)通過MTCVD Al2O3和PVD TiAlN復合涂層,提高了材質的綜合性能,用于高速加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵。而多樣化是刀具涂層發展的另一個趨勢,有各種氮化物、氧化物涂層材料,還有 TiB、SN涂層、金剛石涂層、立方氮化硼涂層等等。多樣化的深層次原因是專業化,即針對不同的需求采用不同的涂層,并能對涂層的組分、百分比、結構及厚 度在更大范圍內加以控制和改變,以適應不同的被加工材料和不同的切削條件,從而顯著地提高刀具的切削性能。如CrAlN涂層,以Cr元素替代Ti元素,具 有3200HV硬度和1100℃的氧化溫度,與TiAlN相比韌性更好,更適合斷續切削和難加工材料的加工;以Si元素代替Al元素的涂層可獲得用于硬切 削的TiSiN,也可獲得有潤滑性的CrSiN,更適合用于鋁、不銹鋼等粘附性強的材料加工。此外,涂層材料的細微化是現代刀具涂層發展的另一個令人關注 的趨勢,納米復合涂層正在越來越多的地方得到應用。在未來,刀具涂層將是一個系統的概念,即刀具涂層必須根據不斷變化的現代切削應用條件來進行系統的組 合,這是一種與傳統觀念中的“在刀具上涂覆一層薄膜”截然不同且復雜得多的系統工程方法,這需要我們進行系統思考。

 

  刀具涂層進展概況

  現代切削面臨著不斷發展的高速、高效、高精加工要求和愈來愈多的高強度、高韌性、難切削等高能級材料,加之硬加工、干切削等切削要求日新月異, 使得切削刀材料難以滿足日趨復雜的綜合切削性能要求。若在材料的整體性能上去滿足要求,不僅在資源的利用上極不經濟,同時在材料技術方面也是高難度,甚至 是難以達到的。考慮到切削過程表面作用是第一性的特點,就可通過材料表面改性技術的方法來賦予切削刀具的綜合切削性能。實踐表明,作為刀具材料表面改性技 術之一的化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)工藝技術,在現代切削刀具方面的應用取得了十分理想的效果。尤其是PVD,由于其工藝溫度低于 CVD,不會影響刀具基材的性能,且工藝方案的變化靈活,其應用日趨廣泛,已成為現代刀具制造的核心技術之一,由此可以說,現代刀具的發展成為了刀具涂層 發展的動力,并為其創造了非凡的發展空間,并幾乎將發達國家所有從事涂層設備制造和涂層服務的企業都吸引到國內來,形成了群雄并起的局面。這也就是為什么 近兩年來刀具涂層無論在數量上還是在技術水平上都得到快速發展的原因,并確實推動了我國涂層工藝技術和生產的發展。

  當前,單一涂層顯然已無法滿足現代刀具性能上的要求。高耐磨性、低摩擦系數的多元復合涂層、高韌性和抗沖擊性能的多層涂和梯度涂層、具有氧化膜熱障頂層和耐 熱及抗熱沖擊的復合涂層、具有耐磨、耐熱、低摩擦、高韌性等綜合性能的納米組份(顆粒)的多層涂、用于加工纖維增強復合材料的純金剛石涂層,以及各類屬專 有技術(專利)具有特殊功能的個性化涂層(如人體植入件涂層)等紛紛應運而生。另一方面,刀具涂層亦反作用于現代刀具,使現代刀具的技術水平不斷躍上新的 臺階,達到了相互促進,共同發展的效果。

  在涂層設備方面,高度的集成化、模塊化結構和智能化的運作,不僅實現了設備的現代化;同時使工藝精細、調節自如、高穩定性和高可靠性,因而可做到涂層的精益生產和清潔(綠色)生產,這是確保現代切削刀具成為高技術性能產品的有效手段。

  可以預期,我國的刀具涂層在不久的將來會步入一個快速發展期,會出現越來越多的由我國自行涂層加工的高性能涂層刀具,在不斷地提高我國的切削加工技術水平,發展我國現代制造業方面,發揮越來越大的作用。

  最新的刀具涂層發展

  從1970年最先采用的CVD TiN/TiC/ TiCN 到1980年開始的PVD涂層技術,現代涂層技術現在已經廣泛應用到刀具、模具、零部件和裝飾產品上。采用涂層技術可有效提高切削刀具使用壽命,使刀具獲 得優良的綜合機械性能,從而大幅度提高機械加工效率。因此,涂層技術與材料、切削加工工藝一起并稱為切削刀具制造領域的三大關鍵技術。相對現在廣泛應用的 TiC、TiCN、CrN、TiAlN、TiAlCN,為滿足現代機械加工對高效率、高精度、高可靠性的要求,下一代的涂層技術將向高性能涂層技術發展, 其開發的最新一代的高性能涂層專門針對高 檔刀具,尤其是硬質合金刀具;現代CNC機床的高精度、高速、大切削量加工刀具;干切削;高效率加工、大批量生產等場合。銑 刀和齒輪滾刀上都有很好的表現。針對鉆孔刀而開發的復合涂層(TiN+DLC, TiCN+DLC,AlTiN+DLC)在原有涂層的基礎上加DLC涂層(類金剛石涂層),從而得到極為光滑的表面,降低摩擦系數,從根本上解決深孔加工 中的排屑問題而導致的孔徑尺寸超差現象的發生。AlTiN能降低加工扭矩50%以上,從而極大地提高刀具的性能,基于TiSi涂層材料,針對硬、難加工材 料的高速切削。

  高性能涂層在滾刀上的應用有含Si高性能涂層,專門 針對加工速度大于120m/min,要求高速、高效的批量生產的滾齒加工。涂層針對高速干切削;涂層針對中要求涂層。在一組加工速度為180m/min的 干切削滾齒加工實驗中,普通的AlTiN能生產的齒輪數為980個/把刀,而能生產的齒輪數為2000個,刀具壽命提高了1倍。

  涂層廠商應該在充分了解客戶的產品應用、需求、加工參數、設備狀況的基礎上,根據客戶的實際情況提供客戶化的涂層參數設計,從而最大程度地發揮涂層的性能,達到刀具的最佳壽命,增強與客戶的溝通和協作,在實際的涂層服務過程中是極為重要的。

 

  減少切削污染

  各種機電產品的過早失效破壞中約有70%是由磨損和腐蝕造成的,而這兩種失效方式都與材料的表面狀態(物理、化學和應力狀態等)密切相關。因此,提高這類材料使用性能的關鍵是提高其表面性能。

  隨著科技的發展,對材料的表面性能的要求越來越高。 近幾十年來各種氣相沉積技術的興起,使表面工程技術的研究和應用都取得了突飛猛進的發展。這些技術不但實現了機械性能的要求,如耐磨、減摩和抗蝕,而且在 電磁、光學、光電子學、熱學、超導和生物學等與表層有關的功能材料領域大顯身手。表面工程學不僅使低廉的金屬材料在性能與效益方面發揮出更大的優勢,而且 已成為研制各種新型鍍層和薄膜材料的重要手段,具有巨大的應用潛力。

  隨著機械加工工業水平的提高,對刀具提出了新的要求。除了提高使用壽命外還要求減少切削時的污染,盡可能使用干切削。在不能完全取消切削液的時候,盡量做到其中只含防銹劑而無有機物,這樣可以使循環回收的成本大為降低。

  切削刀具的多樣性和使用時的工作狀態特點決定了選擇刀具鍍層的不同。車削和鉆孔不同,銑刀又應考慮其斷續沖擊的特點。早期發展的涂層以耐磨為主要著眼點,以 提高硬度為主要指標。以氮化鈦為代表的此類涂層具有較高的摩擦系數(0.4~0.6),加工時與工件之間不斷摩擦將產生大量熱能。為避免刀具過熱發生變形 影響加工精度和延長其使用壽命,通常使用切削液。

  要解決減少或免除切削液帶來的問題,刀具鍍層不僅應使刀具具有長壽命,且應有自潤滑的功能。類金剛石涂層(DLC)的出現在對某些材料 (Al、Ti及其復合材料)的機械加工方面顯示出優勢,但經過多年的研究表明類金剛石涂層的內應力高、熱穩定性差和與黑色金屬間的觸媒效應使SP3結構向 SP2轉變等三種缺點,決定了它目前只能應用于加工有色金屬,因而限制了它在機加工方面的進一步應用。但是近年來的研究表明,以SP2結構為主的類金剛石 涂層(也稱為類石墨涂層)硬度也可達到20~40GPa,卻不存在與黑色金屬起觸媒效應的問題,其摩擦系數很低又有很好的抗濕性,切削時可以用冷卻劑也可 用于干切削,其壽命比非鍍層刀有成倍的提高,加工鋼鐵材料不存在問題,因而引起了涂層公司、刀具廠家極大的興趣。假以時日,這種新型的類金剛石涂層會在切 削領域得到廣泛的應用。

來源:本站   編輯:admin
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