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刀具涂层的好处

发布时间:2022-03-30

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金属切削加工必须满足对生产率和加工速度不断提高的要求。加工时产生的摩擦、工件和刀具的磨损是造成生产率损失的主要因素。根据德国摩擦学会的报告,在工业化国家,每年由摩擦和磨损造成的损失就占到社会生产总值的大约5%。

刀具涂层可以改善刀具的摩擦和磨损性能,因此在切削加工中必不可少。多年来,表面处理技术提供商一直在开发定制化的涂层解决方案,以提高刀具的耐磨性、加工效率和使用寿命。独特的挑战来自于对以下四个要素的关注与优化:①刀具表面的涂前和涂后处理;②涂层材料;③涂层结构;④涂层刀具综合加工技术。

在切削过程中,一些磨损机理发生在刀具与工件材料的接触区。例如,切屑与切削表面之间的粘结磨损、工件材料中的硬质点对刀具的磨料磨损,以及摩擦化学反应(由机械作用和高温引起的材料化学反应)引起的磨损。由于这些摩擦应力会减小刀具的切削力和缩短刀具的使用寿命,因此它们主要影响刀具的加工效率。表面涂层可以减小摩擦力的影响,同时,刀具基体材料可对涂层起到支撑作用,并吸收机械应力。摩擦系统性能的改善除了可以提高生产率以外,还能节省材料和降低能源消耗。
刀具涂层
在生产周期中,刀具的使用寿命是一个重要的成本因素。除了其他含义以外,可将刀具寿命理解为机床在需要维护之前能够不间断加工的时长。刀具寿命越长,因生产中断而产生的成本就越低,机床的维护工作也越少。即使在切削温度很高的情况下,使用涂层也可以延长刀具的使用寿命,从而降低加工成本。此外,刀具涂层还可以减少对润滑液的需求。这不但可以降低物料成本,而且还有助于保护环境。在现代切削加工中,刀具要承受高压(>2GPa)、高温和不断循环的热应力。在刀具涂层之前和涂层以后,必须对其进行相应的工艺处理。

在刀具涂层之前,可采用各种预处理方法使刀具为随后的涂层工艺做好准备,同时明显提高涂层的附着力。通过与涂层的共同作用,对刀具切削刃的制备也能提高切削速度和进给率,并延长刀具的使用寿命。涂层后处理(刃口制备、表面处理和结构化处理)对刀具的优化也起着决定性作用,尤其可以防止通过形成积屑瘤(工件材料粘结到刀具切削刃上)而可能造成的早期磨损。对涂层性能的要求可能迥然不同。在切削时刃口温度很高的加工条件下,涂层的耐热磨损性能就变得极其重要。人们期望,现代涂层还应具有以下特性:优异的高温性能、抗氧化性能、高硬度(即使在高温条件下),以及通过纳米结构层设计而具有的微观韧性(塑性)。

对高效刀具而言,优化的涂层粘附性和合理分布的残余应力是两个决定性因素。首先,需要考虑基体材料与涂层材料的相互作用。其次,涂层材料与被加工材料之间应具有尽可能小的亲和性。通过采用适当的刀具几何形状和对涂层进行抛光的方式,可以明显降低涂层与工件发生粘结的可能性。铝基涂层(如AlTiN)是切削加工行业常用的刀具涂层。在切削高温作用下,这些铝基涂层可以形成薄而致密的氧化铝层,而氧化铝层在加工中可以不断自我更新,并保护涂层和其下的基体材料不被氧化侵蚀。通过改变铝含量和涂层结构,可以调整涂层的硬度和抗氧化性能。例如,通过增加铝含量,采用纳米结构或微合金化(即与低含量元素合金化),就可以改善涂层的抗氧化性能。除了涂层材料的化学成分以外,涂层结构的变化也会明显改变涂层的性能。不同的刀具性能取决于涂层微观结构中各种元素的分布状况。
刀具涂层
如今,可将几种具有不同化学成分的单一涂层组合成复合涂层,以获得所需的性能。这种趋势今后还将不断发展——尤其是通过新的涂层系统与涂层工艺,如将三种高离子化涂层工艺组合到一起的HI3(High Ionization Triple)电弧蒸发与溅射混合涂层技术。作为一种全能型涂层,钛硅基(TiSi)涂层可以提供优异的加工性能。此类涂层既可用于加工具有不同碳化物含量的高硬度钢(芯部硬度高达HRC65),也能用于加工中等硬度钢(芯部硬度HRC40)。为了适应不同的加工用途,可对涂层结构的设计进行相应调整。因此,钛硅基涂层刀具可用于切削加工从高合金钢、低合金钢到淬硬钢和钛合金的各种工件材料。在平面工件(硬度为HRC44)上进行的高光洁度切削试验表明,涂层刀具可使刀具寿命提高近两倍,加工表面粗糙度减小10倍左右。钛硅基涂层可大限度地减少后续的表面抛光处理。此类涂层将有望应用于切削速度高、刃口温度高、金属去除率高的加工中。

对于其他一些PVD涂层(尤其是微合金化涂层),涂层公司也与加工企业密切合作,研究开发各种优化的表面处理方案。因此,在加工效率、刀具使用、加工质量,以及材料、涂层与加工之间的相互作用等方面,都可能获得很大的改善,并得到实际应用。通过与专业涂层伙伴合作,用户就可以在刀具的整个生命周期中提高其使用效率。

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