應用於現代切削領域的先進高性能塗層

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tags:    時間:2014-03-11 12:25:25
應用於現代切削領域的先進高性能塗層簡介
     Georg Erkens 博士從技術的角度對應用於高性能切削(HPC)領域的最先進濺射技術(高電離……
應用於現代切削領域的先進高性能塗層正文
     Georg Erkens 博士從技術的角度對應用於高性能切削(HPC)領域的最先進濺射技術(高電離濺射H.I.S)進行了綜合闡述並簡要介紹了塗層領域未來發展趨勢。據專家分析,在未來五年內,諸如高速切削、硬加工及乾式切削等現代切削方式將在全球,尤其是中國獲得廣泛應用。為滿足生產效率的需要,無論是機床製造商或是刀具製造商均必須為此作好充分準備。而塗層則在其中扮演著相當關鍵的作用。Erkens 博士明確指出:考慮到未來對切削刀具各種需求的增加,刀具製造商不得不將刀具視為一個系統來對待。刀具基體材料,幾何形狀,刃口的處理以及塗層必須根據不同應用條件做系統匹配。除此之外切削參數也是必須綜合考慮的因數之一。如果切削參數變得非常苛刻,那麼僅僅依靠改變塗層將無法獲得理想的性能結果。

目前人們將研究重點放在了對(Ti,Al)N 基塗層的改進上以滿足應用領域對諸如抗氧化性能、熱穩定性能及熱硬度等需求的不斷提高。目前通過採用高電離濺射技術(H.I.S)可獲得最先進的(Ti,Al)N塗層,測試結果顯示這種塗層與不同的基體材料均具有極佳的結合力且尤其適合於高性能切削領域(HPC)。與其它PVD技術例如ARC技術不同的是,H.I.S 技術可直接將被蒸發材料從固態轉化為氣態,因此可根本避免採用ARC技術時蒸發材料在熔融狀態中以液滴的形式沉積於工件表面的現象,從而通過H.I.S獲得的塗層具有表面非常光滑平整的特點。這一點對於那些需要很好的切屑流和高切屑去除率的應用場合來說非常重要。H.I.S另一個優點是,由於被蒸發材料在沉積過程中直接從固態轉化為氣態,因此對材料的選擇幾乎沒有任何限制, 換句話說,這也就意味著即使是非導電材料也可用於被蒸發材料。正基於此靈活性,H.I.S技術成為未來創新性塗層開發過程中一種最具潛力的塗層技術。

Erkens博士推出了一種稱為Supernitrides的新的塗層種類。 Supernitrides 最顯著的特徵在於其緻密的納米組分結構,同時成分中含有可生成不同氧化物的高含量元素。這類塗層將硬質塗層卓越的抗磨損性能及傳統的氧化塗層所具有的化學穩定性完美地結合起來,在應用中表現出極佳的熱穩定性及化學穩定性。值得一提的是,這一代表著未來發展趨勢的塗層種類只能通過「等離子輔助濺射技術」例如H.I.S或H.I.P ( 高電離脈衝)獲得。塗層的形態及構成,例如鋁含量、結構、表面光潔程度等可根據應用需要進行最佳設計。對許多種不同的被加工材料如CGI、42CrMo4、鑄鐵、工具鋼等進行的鑽、銑、滾削和車削加工測試結果證實了(Ti,Al)N 基 Supernitrides 的優越性能。

出色的熱穩定性、極佳的熱硬度和抗氧化性能,再加上合適的韌性,使得加工過程中產生的大量熱被切屑帶走。塗層中的鋁含量越高,切削過程中表面產生Al2O3薄膜的速度將更快,從而對刀具起到更為有效的保護作用。下圖為對42CrMo6材料進行車削加工的案例。從圖中可以看到,切屑的彎曲度很大,這種形狀有利於切屑帶走大量的熱量。根據鋁含量的狀況,熱穩定溫度和相應的化學穩定溫度可達到1100°C。鋁含量越高,化學穩定性越好。通過顯微圖片可以看出這些鋁含量為63%的薄膜呈納米組分結構。與此同時,塗層硬度可提高到3.500-3.700 Vickers左右。

Erkens 博士還介紹了一種用於低硅鋁合金和有色金屬材料加工的硼基(boron)塗層,這種塗層目前也僅可通過高電離脈衝技術(H.I.P)獲得。見下圖。稱之為 TiBx 或 TiBN 的塗層非常不容易與鋁粘結,即與鋁的親和力很低,從而可以避免在鋁加工過程中最為頭痛的積屑瘤問題。但與此同時,Erkens 博士提醒與會聽眾,刀具表面的光滑狀況是進行成功鋁加工一個至關重要的因素。刀具表面保持較低的粗糙度,使得流動的切屑無法獲得任何機會機械性黏結在刀具表面。這個事例也說明了刀具本身表面形態及塗層表面狀況將共同影響整個切削過程。歐洲有些刀具製造商建議在進行鋁加工時採用后刀面進行過拋光處理的刀片。當然,對於這種應用場合,除了對錶面進行拋光處理外,還同時需要其它很多專有技術的配合。針對航空鋁合金加工,Erkens 博士還列舉了一個非常有意思的例子:不僅刀具的使用壽命獲得了顯著提高,同時切削速度和進給分別提高了2倍和6倍。。在航空工業中採用這種稱為Aluspeed 的(Ti,B) 基塗層,我們便可以大幅度提高其生產率。


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