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              切削刀具材料與刀具涂層技術

              2019-07-10 09:34:31
              摘要 切削刀具材料的發展近年來,世界各工業發達國家都在致力于開發與高速、高效、高質切削加工相匹配的先進切削刀具材料。刀具材料對刀具壽命、加工效率、加工質量和加工成本等影響很大。刀具切削時...

              切削刀具材料的發展

              近年來,世界各工業發達國家都在致力于開發與高速、高效、高質切削加工相匹配的先進切削刀具材料。刀具材料對刀具壽命、加工效率、加工質量和加工成本等影響很大。刀具切削時要承受高壓、高溫、摩擦、沖擊和振動等作用,因此刀具材料必須具備如下一些基本性能:硬度高,即刀具材料的硬度必須高于被加工材料;高的強度和韌性,刀具切削部分的材料在切削時要受到很大的切削力和沖擊力,因此刀具材料必須要有足夠的強度和韌性;耐磨性和耐熱性好,一般來說,刀具材料硬度越高,耐磨性也就越好,同時刀具的耐磨性和耐熱性有著密切的關系;導熱性好,導熱性越好,就能降低切削部分的溫度,從而減輕刀具磨損;工藝性和經濟性好。

              (1)新型高速鋼

              高速鋼(HSS)是加入了W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼。雖然目前可供使用的刀具材料品種較多,但由于高速鋼在強度、韌性、熱硬性、工藝性,特別是鋒利性(刀尖半徑可達12~15μm)等方面具有優良的綜合性能,因此在切削某些難加工材料以及在復雜刀具(尤其是切齒刀具、拉刀和立銑刀等)制造中仍占有較大比重。

              (2)新型細晶粒和超細晶粒硬質合金

              硬質合金是高硬度、難熔的金屬化合物(主要是WC,TiC等,又稱為高溫碳化物)微米級的粉末,用鈷或鎳等金屬做粘結劑燒結成的粉末冶金制品。硬質合金是當前切削領域中應用最廣泛的切削刀具材料,切削效率大約為高速鋼的5~10倍。全世界硬質合金的產量增長極快,新材料、新牌號的硬質合金刀具不斷出現,在全部刀具中的比重越來越大。但其工藝性差,用于復雜刀具尚受到很大的限制。

              細晶粒(1~0.5μm)和超細晶粒(小于0.5μm)硬質合金材料及整體硬質合金刀具的開發,使硬質合金的抗彎強度大大提高,可替代高速鋼用于制造小規模鉆頭、立銑刀、絲錐等量大面廣的通用刀具,其切削速度和刀具壽命遠超過高速鋼。整體硬質合金刀具的使用可使原來采用高速鋼的大部分應用領域的切削效率顯著提高。為提高硬質合金的韌性,通常采取增加Co含量的方法,由此引起的硬度降低現在可通過細化晶粒得到補償,并可使硬質合金的抗彎強度提高到4.3GPa,已達到并超過普通高速鋼的抗彎強度。細晶粒硬質合金的另一優點是刀具刃口鋒利,尤其適合高速切削粘而韌的材料。

              (3)超硬刀具

              所謂超硬刀具材料是指人造金剛石和立方氮化硼,以及用這些粉末與結合劑燒結而成的聚金剛石和聚晶立方氮化硼。由于超硬刀具具有比硬質合金更優良的耐磨性,能夠適應更高的切削速度,已成為高速切削的主要刀具材料,更為重要的是能夠滿足難加工材料的切削需要。因此超硬刀具材料已經在整個切削加工領域中起到越來越重要的作用。

              金剛石是碳的同素異形體,分為天然金剛石和人造金剛石(PCD)兩種。PCD是在高溫、高壓和催化劑作用下,由石墨轉化而成的。金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性,擁有鋒利的切削刃和良好的導熱性能,同時PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小,在加工過程中不易在刀尖上產生積屑瘤。目前,PCD刀具主要運用在以下兩個方面:a.難加工有色金屬及其合金,如用PCD刀具加工硅鋁合金時,刀具壽命可達硬質合金的50~200倍;b. 難加工非金屬材料,PCD刀具非常適合于石材、硬質碳、碳纖維增強塑料和人造板材等難加工非金屬材料的加工。因此,可以說金剛石刀具是精密加工有色金屬及其合金、陶瓷、玻璃、木材等非金屬材料最佳的刀具。但是金剛石的熱穩定性較低,切削溫度超過700~800℃時,就會完全失去其硬度。另外,金剛石中的碳和鐵具有很強的親和力,在高溫高壓下,鐵原子與碳原子發生相互作用,導致金剛石石墨化,從而使刀具極容易發生磨損。因此,金剛石刀具一般不用來加工鋼鐵等材料。

              繼美國GE公司于1957年首次合成立方氮化硼之后,在高溫高壓條件下將立方氮化硼聚合在硬質合金上,得到了復合結構的立方氮化硼(CBN)刀片。CBN刀具有聚晶燒結塊和復合刀片兩種,能在較高切削速度下加工淬硬鋼及鑄鐵,以車代磨,并可高速切削部分高溫合金,加工精度高,表面粗糙度相當低,而且立方氮化硼還適宜加工各種淬硬鋼、Ni基、Fe基及其他一些耐磨、耐蝕的熱噴涂(焊)件材料,釩鈦鑄鐵、冷硬鑄鐵等耐磨類鑄鐵,鈦合金材料等。

              (4)陶瓷材料

              陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高溫力學性能,與金屬的親和力小,不易與金屬產生粘結,并且化學穩定性好。因此,陶瓷刀具可以加工傳統刀具難以加工或根本不能加工的超硬材料。陶瓷刀具有Al2O3基和Si3N4基兩大類,加入各種碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善其性能,還可通過顆粒、晶須、相變、微裂紋和幾種增韌機理的協同作用提高其斷裂韌性。

              目前,國產的一些晶須增韌陶瓷、梯度功能陶瓷等產品已達到國外同類刀片的性能,有的還優于國外。陶瓷刀具使用的主要原料氧化鋁、氧化硅等在地殼中含量豐富,對節省貴重金屬也具有重要的意義。陶瓷刀具主要應用于難加工材料的高速加工。國際上已經將陶瓷材料刀具視為進一步提高生產率的最有希望的刀具之一。

              刀具涂層技術

              在相對較軟的刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜(如TiAlN、TiC、TiN、Al2O3等)而形成的涂層刀具,是切削刀具發展的一次革命。涂層刀具與未涂層刀具相比,具有明顯的優越性:顯著降低摩擦系數,改善刀具表面的摩擦學性能和排屑能力;顯著提高耐磨性和抗沖擊韌性,改善刀具的切削性能,提高加工效率和刀具壽命;提高刀具表面抗氧化性能,使刀具可以承受更高的切削熱,有利于提高切削速度及加工效率,并擴大了干切削的應用范圍。在先進制造業中,80%以上的硬質合金刀具及高性能高速鋼刀具都采用了表面涂層技術,而CNC機床上所用的切削刀具90%以上是涂層刀具。

              刀具涂層技術自從問世以來,對刀具技術的改善和加工技術起到了越來越重要的作用,已經成為現代刀具的標志。涂層刀具是通過在韌性較好的硬質合金基體或高速鋼基體上,涂覆一薄層耐磨性高的難熔金屬化合物而獲得的,使刀具性能發生了巨大的變化。常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等,其中TiC的硬度比TiN高,抗磨損性能更好。對硬質合金,一般采用化學氣相沉積法(CVD),層積溫度為1000℃;而對高速鋼刀具,一般采用物理氣相沉積法(PVD),層積溫度在500℃左右。隨著涂層工藝的日益成熟和不斷發展,從開始的單一涂層,進入到開發多元、多層、梯度、納米涂層的新階段。就目前PVD 技術的發展狀況,涂層薄膜結構大體可以分為單一涂層、復合涂層、梯度涂層、多層涂層、納米多層涂層、納米復合結構涂層。

              1、復合涂層是由各種不同功能或特性的涂層薄膜組成的結構,也稱為復合涂層結構膜,其典型涂層為目前的硬涂層加軟涂層,每層薄膜各具不同的特征,從而使涂層具有更好的綜合性能。

              2、梯度涂層是指涂層成分沿著薄膜生長方向逐步變化,這種變化可以是化合物各元素比例的變化,如TiAlCN中Ti、Al含量的變化,也可以由一種化合物逐漸過渡到另一種化合物,如CrN逐漸過渡到CBC碳基涂層。

              3、多層涂層由多種性能各異的薄膜疊加而成,每層膜化學組成基本恒定。目前在實際應用中多有2種不同膜組成,由于所采用的工藝存在差異,各膜層的尺寸也不盡相同,通常由十幾層薄膜組成,每層薄膜尺寸大于幾十納米,最具代表性的有AlN+TiN、TiAlN+TiN涂層等。與單層涂層相比,多層涂層可有效改善涂層組織狀況,抑制粗大晶粒組織生長。

              4、納米多層涂層結構與多層涂層類似,只是各層薄膜的尺寸為納米數量級,又可稱為超顯微結構。理論研究證實在納米調制周期內(幾納米至幾十納米),與傳統的單層膜或普通多層膜相比,此類薄膜具有超硬度、超模量效應,其顯微硬度預計可以超過40GPa,并且在相當高的溫度下,薄膜仍可保留非常高的硬度。

              正因為涂層刀具既有硬度很高、化學穩定性好、摩擦系數小的表層,不易產生擴散磨損,同時又有基體的韌性,因而切削力、切削溫度都較低,能夠顯著提高刀具的切削性能。因此, 涂層刀具已成為現代切削刀具的主流,西方工業發達國家使用的涂層刀具占可轉位刀片的比例已由20世紀80年代的26%上升到目前的90%,新型數控機床所用的刀具中80%左右是涂層刀具。瑞典山特維克可樂滿和美國肯納(肯納官方網站,肯納產品一覽)金屬公司的涂層刀片的比例已達85%以上;美國數控機床上使用的硬質合金涂層刀片的比例為80%;瑞典和德國車削用的涂層刀具都在70%以上。我國涂層刀具起步晚,但進步快, 其涂層網點遍布全國。有不少城市都有自己的涂層中心,并承接對外加工業務。我國從1970年代初就開始進行CVD涂層技術研究,80年代中期,我國的CVD涂層技術就已經進入實用化水平,其工藝水平也達到國際水平??傮w而言,國內CVD涂層技術水平與國際水平相差不大。但我國1980年初才開始研究PVD涂層技術,目前國外刀具PVD涂層技術已發展到第四代,而國內還處于第二代水平,且仍以單層TiN涂層為主。

              進入21世紀以來,隨著制造技術的全球化趨勢,制造業的競爭也越來越激烈。在由機床、刀具、夾具和工件組成的切削加工工藝系統中,刀具是最活躍的因素。因此在高速加工技術廣泛應用于生產的今天,高性能刀具越來越受到重視并大量取代傳統刀具。雖然高性能刀具與傳統刀具相比價格昂貴,甚至是傳統刀具的10倍,但是使用高性能刀具仍然可以有效地降低生產成本。刀具材料、幾何參數及其結構是高性能刀具設計制造最重要的關鍵技術。目前,先進刀具發展迅速,各種專用高性能刀具不斷推陳出新。在刀具材料方面,超細晶粒硬質合金刀具和超硬材料刀具獲得了廣泛運用;在涂層方面,多層梯度復合涂層和高強度耐熱納米涂層也得到了長足的發展,并在航空航天、汽車船舶等領域得到應用;在刀具結構方面,將朝可轉位、多功能、專用復合刀具和模塊式方向發展。


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