涂层刀具的切削性能及其应用动态(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学材料各向异性与织构工程教育部重点实验室 作者:赵时璐
  涂层刀具的出现是刀具发展史上的重大突破,它具有良好的切削性能,而且涂层材料作为化学屏障和热屏障,减小了月牙洼磨损,耐磨性良好。与未涂层刀具相比,涂层刀具加工精度提高0.5~1级,刀具消耗费用降低20%~50%,耐磨性提高2~10倍,切削速度提高25%~70%,使用寿命延长3~5倍。

  多年来,困内外涂层刀具的研究主要集中在TiN涂层上,并取得了一定的成效,目前TiC、TiN等单涂层刀具已经大量产业化。为了进一步提高涂层刀具的使用性能,以(Ti,Al)N涂层为代表的多元复合涂层刀具近10年得到了广泛的应用。目前,多元多层复合涂层刀具的发展在国内尚属于起步阶段,以期获得更完善的综合性能。

1、单涂层刀具的切削性能

1.1、TiC系涂层刀具

  TiC涂层刀具的优越性表现在高的切削速度和优良的抗机械磨损、磨料磨损性能上。用涂层刀具车削中碳钢时,其后刀面及前刀面磨损速度分别只有未涂层刀具的l/10及1/l00,具有良好的抗月牙洼磨损能力;在耐磨性相同时,其切削钢的速度可提高50%~l00%,有时可高达2~3倍;铣削45#钢时,其刀具耐磨性比硬质合金铣刀高3倍,切削效率可提高50%。TiC涂层刀具具有较小的切削力和较低的切削温度,应用温度为300℃左右。

  但是,TiC涂层脆性大,不耐冲击。在沉积TiC涂层时,基体与涂层之间生成脆性的中间层η相(Co3W3C)。这是由于C的不足,WC置换生成W2C,它与WC的粘合剂Co结合生成η相。η相过厚会造成TiC涂层的破碎。实验证明,η相控制在1~2μm时刀具耐磨性高,涂层不会产生宏观裂纹或脱落现象。

  TiC涂层刀具适合在中速或高速条件下使用。这是由于在高速高温下,TiC涂层刀具具有良好的抗扩散和抗氧化性能;而在低速低温下,刀具磨损以粘结磨损和磨料磨损为主,涂层刀具表面脆性较大,抗拉强度低,而且还常常存在残余应力,容易产生剥落和崩刃现象,刀具耐磨性甚至还低于未涂层的刀具。

1.2、TiN系涂层刀具

  TiN涂层月具是第一种产、业化、并在刀具行业得到广泛应用的硬质涂层刀具。目前国内外的刀具公司都有TiC和TiN涂层牌号的产品。尽管经过30多年的发展,涂层家族已出现了许多新的成员,但至今主流涂层仍是TiN涂层,同时它也是制备其它高性能涂层的基础。

  与TiC涂层刀具相比,TiN涂层刀具具有更低的摩擦系数和切削变形系数,因而切削力也更小。而且它的抗粘结温度高,切削温度为500℃左右,抗月牙洼磨损性能好。TiN涂层刀具适用于硬质难加工材料及精密、形状复杂的轴承等耐磨件,对易粘结在刀具前刃面上的工件,切削效果更明显。目前发达国家中,TiN涂层刀具的使用率占刀具总数的50%~70%,有些不可重磨的复杂刀具的使用率已超过90%。经TiN涂层后的丝锥耐磨性可提高5~10倍;钻头耐磨性提高3~10倍;铣刀耐磨性提高6~10倍。TiN涂层刀具的使用寿命也得到了普遍的延长,涂层后的高速钢钻头寿命延长5~7倍;硬质合金铣刀的寿命延长3~11倍;M3滚刀的寿命提高8倍多。

1.3、Al2O3系涂层刀具

  Al2O3涂层是氧化物陶瓷涂层,它的刀具切削性能优于TiC和TiN涂层刀具。Al2O3涂层刀具具有更好的化学稳定性和抗高温氧化能力,因此具有更好的抗月牙洼磨损和抗刃口热塑性变形的能力,适用于陶瓷刀具因脆性大而易于崩刃和打刀的场合。在连续切削的条件下,涂层的耐磨性和热稳定性是影响刀具耐磨性的主要因素。Al2O3。涂层刀具由于具有高的硬度和优良的抗氧化能力,其切削性能优于TiC涂层刀具;但在断续切削条件下,由于有冲击力的作用,涂层的韧性成为影响耐磨性的主要因素。Al2O3涂层刀具的韧性较差,故其耐冲击性能远不如TiC和TiN涂层刀具。用Al2O3涂层的硬质合金刀具加工汽车铸铁刹车盘、刹车鼓和轴承盖时,其耐磨性比TiC涂层刀具高2~4倍,比普通的硬质合金刀具高6~8倍。

1.4、其它XN系涂层刀具(x=Cr,Zr,Hf等))

  CrN系涂层因其具有良好的抗氧化、耐腐蚀及抗磨损性能而受到较多的关注。它在抗微动磨损上表现尤佳,抗氧化温度高达700℃,但脆性比较大。CrN涂层刀具主要用于塑胶模具、冲头等零部件的加工,由于它是无钛涂层,可以有效地切削钛、钛合金及铝合金等软材料,而且它可达到极高的沉积速率且其工艺较易控制,有利于大批量的工业生产,所以更加具有实际意义。

  ZrN系涂层刀具的耐磨性是TiN涂层刀具的3倍,涂层与基体有很牢固的结合强度,因此有很高的耐冲击性,它的抗氧化温度为700℃,具有较好的化学稳定性能。ZrN涂层刀具已在铝合金、铜合金及一些精密工件的切削加工上获得了广泛的应用。由于ZrN涂层可以减少与Ti合金的粘结磨损,很适用于切削Ti及Ti合金,用于Ti合金钢板的ZrN涂层钻头的寿命比TiN涂层钻头的长l倍多。JASue等将ZrN、TiN等涂层与镍铬718合金配副,在500℃时ZrN的耐高温磨损性能优于TiN涂层。JieGu等将ZrN涂层应用于高速切削刀具,能有效降低刀具的磨损,提高工件的切削质量。

  HfN系涂层的热膨胀系数非常接近硬质合金基体,刀具的热应力很小,不易崩刀。而且与很多高熔点材料相比,HfN涂层的热稳定性和化学稳定性高,在温度高达1200℃时仍有3000HV的硬度,没有生成脆性η相,因此HfN涂层刀具具有良好的耐磨性能。目前,美国Teledyne公司牌号为HN+4的刀片及德国Walter公司牌号为WHN的刀片都是HfN涂层刀片。

  此外,由于TiC、TiN涂层与钛合金和铝合金材料之间的亲和力会使摩擦力增大,产生粘屑。而BN、VN、Mo2N、Cr2O3等涂层化学稳定性好,适于切削Ti、Cu、Al及其合金材料。

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