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現代切削刀具塗層技術的發展趨勢

更新時間:2008-9-1 16:05:17 文章來源:互聯網 點擊:

製造業的發展離不開切削刀具,現代切削刀具已經成為提升製造業技術水平的關鍵因素之一,切削加工的要求日趨提高,高速、高精度、高效、智能和環保成為切削加工的追求目標;被加工材料的能級不斷提高;高強和超高強度材料、高韌性、難切削等材料層 出不窮;新形勢下對切削加工提出的特殊要求,如加工硬度50HRC以上的硬加工、微潤滑和無潤滑的幹切削不斷湧現。總之,切削加工中的個性化特點日見顯現。 
    麵對這些變化,若要求在刀具的設計和製造工藝或刀具材料的整體性能上來適應這些要求,技術上的難度是很大的,尤其對刀具材料而言,不僅在資源利用上極不經濟,而且要求材料滿足日趨複雜的綜合切削性能,通常是難以做到的。 
    而縱觀刀具切削失效的大量實例可見,絕大部分的失效往往與材料表麵的物理、化學、力學等狀態構成的表麵性能分不開,亦即現代切削加工對刀具材料表麵性能的要求愈來愈高,這就有力地推動了氣相沉積技術等表麵工程技術的研究。實驗結果表明,可通過材料表麵改性技術的方法來賦予切削刀具表麵的綜合切削性能,作為刀具材料表麵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,已在現代切削刀具的應用方麵取得了十分理想的效果。 
    目前,在作為切削刀具主流的硬質合金刀具中,塗層硬質合金刀具已占到80%以上,其中PVD技術,由於其工藝溫度低,不會影響刀具基材的性能,且工藝方案變化多樣,使得其應用日趨廣泛。塗層技術已經成為構成現代切削刀具的三大核心技術之一。 
    近幾年來,不斷提高的切削加工要求和被加工材料的能級以及減少切削加工對環境汙染等有力地推動了現代切削刀具塗層技術的發展。膜係材料多元合金化、塗層工藝組合多樣化中出現的TiAIN、TiAICN、CrSiN等多元複合塗層和多層塗使刀具獲得了高耐磨、低摩擦、熱穩定性好和抗氧化力強等良好的綜合性能,大大提升了現代切削刀具的性能;納米組分和納米薄膜塗層的顯微結構使得難加工材料的切削得到了新的解決辦法;金剛石塗層和類金剛石塗層(DLC)在加工石墨零件和纖維增強等非金屬材料及有色合金材料方麵取得了良好的效果。為適應塗層工藝的發展,塗層的工藝裝備亦實現了集成化、模塊化和智能化,使塗層技術日趨個性化。 
    膜係材料的多元化 
    當前,現代切削刀具塗層技術發展的趨勢是膜係材料的多元化。膜係材料多元合金化仍然是目前主要的研究方向,即利用過渡金屬的二元氮化物、碳化物往往可以彼此互溶的特性,在Ti-N膜中加入合金元素,形成複合氮化物塗層。 
    例如目前在硬質合金塗層刀具中應用最多的TiAIN三元塗層,可通過調整AI元素的成份比例來獲得不同的膜層性能。如在Ti-N中加入碳元素,通過碳原子的固溶和析出,可形成Ti(C、N)三元塗層,與Ti-N的單一塗層相比,這些多元塗層具有良好的綜合性能,提高了抗氧化溫度和耐磨性,又有低的摩擦係數。在Ti-N中同時加入AI、C元素,即可構成TiAICN的四元膜層(見圖1)。該膜層具有良好的熱穩定性、高耐磨性和低摩擦的綜合性能,已於硬加工領域的塗層立銑刀大量使用。如用於硬化模塊的成型加工,不僅提高了加工效率,獲得了良好的加工表麵而且解決了先成型加工後熱處理產生的變形問題,提高了模具的製造精度。




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