摘 要:从干式切削技术的优势及发展前景入手,介绍了多种常用涂层材料的特点以及在干切削加工中的重要作用,并对刀具涂层技术的发展趋势作出了预测。
关键词:干切削技术;涂层硬质合金;TiAlN涂层
引言
在切削加工中加注冷却液,可降低切削温度,对断屑与排屑起到了很好的作用。但也存在着以下弊端:¹冷却润滑液的供给、保养和处理以及冷却润滑液设备的折旧等费用要占到工件制造成本的14% -17% (刀具成本只占约2% -4% ),从而提高了产品的成本。º大量使用冷却润滑液对环境和生态平衡造成了极大的破坏。»经常接触冷却润滑液的反应生成物,还会使人们患上肺病和皮疹,给工人健康与安全造成威胁。
基于以上原因,开发和推行干切削技术已成为金属加工业的一项迫切任务。干切削与传统湿式切削相比虽有许多优点,但也存在着切削力增大、切削变形加剧、刀具耐用度降低等缺点,为克服上述缺点,需要通过开发全新耐热性更好的刀具涂层材料、设计合理的刀具结构及几何参数以及通过采用干切削加工机床等措施来保证干切削过程的可靠进行。本文仅从刀具涂层角度来探讨不同的涂层材料对干切削加工的影响。
1 刀具涂层材料
由于涂层摩擦系数小,减少了摩擦和摩擦热,同时可在刀具与切削材料之间筑起一道屏障,以阻拦大部分切削热向刀体传导,并在刀具-切屑、刀具-工件表面之间有效地起到抗黏结的作用。所以开发合适高效的涂层材料对于保证干切削加工质量有着很重要的作用。目前常用的涂层材料主要为各种硬质氮化物、氧化物、碳化物或硼化物等,都具有很高的硬度、优异的耐热性、耐氧化性和耐腐蚀性。具体如下:
硬涂层材料
碳化钛(TiC)是一种高硬度耐磨化合物,具有良好的抗摩擦磨损性能。氮化钛( TiN )的硬度稍低,但具有较高的化学稳定性,可大大减少刀具与工件之间的摩擦系数。在切削区高温条件下,TiC、TiN等涂层材料还可以被氧化生成一些较软的TiO2膜,起到很好的固体润滑剂的作用。硬涂层刀具已研究成功并投人使用,其寿命比未涂层硬质合金刀具提高了数十倍。CBN涂层刀具的硬度仅次于金刚石,可以有效地切削淬火钢和其他难于加工的合金材料,生产率可提高20倍以上,刀具寿命可提高7倍以上。其他新型硬涂层材料如多晶氮化物CNx、超点阵等超硬涂层材料的开发也正在进行中,已经显示出良好的发展前景。
TiB、TiBN等也可以作为刀具涂层材料,但是因为它们的物理力学性能和前几种材料相比没有明显优势,因此很少应用。软涂层材料在某些情况下,一些材料并不适合采用硬涂层刀具加工,如航空航天工业中的一些高强度硬质合金、铁合金等。这些材料在加工中非常粘刀,在刀具前刀面上生成积屑瘤,不仅增加切削热、降低刀具寿命,而且影响工件表面质量。采用软材料涂层刀具可降低与工件材料的摩擦系数,降低切削力和切削温度,还可防止在刀刃上产生积屑瘤,提高加工表面质量,延长刀具寿命。常用的软涂层材料有MoS2、WS2、TaS2、MoS2/Mo、MoS2/Ti以及WS2/W等。
复合涂层材料
由于与基体材料的物理、化学性能差别太大,单一的涂层无法制成理想的涂层刀具,很难满足干切削的要求。为了弥补这一缺陷,综合各种材料优点的复合涂层材料在刀具涂层技术中逐渐占据了主导地位。碳氮化钛(TiCN)是在单一的碳化钛(TiC)晶格中,用氮原子占据原来碳原子在点阵中的位置而形成的复合化合物,具有TiC和TiN的综合性能,很适合于干式切削。
氮铝化钛(TiAlN)是TiN和A12O3的复合化合物。TiAlN涂层具有较高的高温硬度和抗氧化性能,在切削温度很高的场合,它是最常用的/隔热0涂层,特别适用于干切削铸铁、钢和不锈钢等零件。这种复合化合物涂层材料不但具有TiN的硬度和耐磨性,而且在切削过程中可氧化生成A12O3。A12O3具有非常好的抗氧化磨损和抗扩散磨损性能,在干切削过程中,其效果比TiCN好,已经成为干切削加工中应用最多的涂层材料之一。
多涂层材料
刀具涂层技术一方面要求涂层与基体之间有较高的结合强度,另一方面要求涂层材料与基体材料之间具有较低的化学活性。单涂层材料很难满足这种要求。如果构成涂层的化合物之间有比较好的互溶性,则由多种化合物构成的复合涂层就可获得更好的刀具性能。例如, TiCN材料涂层刀具具有强度高、耐磨性好等优点,但热硬性比较差。当切削速度超过180m /min时,刀具会迅速磨损。因此,在高速加工时要采用具有良好导热性的TiAlN涂层。但TiAlN涂层刀具在高速加工过程中会产生高温,它与空气中的氧起化学反应后会在刀具和工件之间产生一层Al2O3隔热层,从而严重降低刀具的性能。为解决这一问题,可在钻头上涂覆两层不同材料:WC/C涂在表层以减少摩擦和积屑瘤;下面涂以高硬度的TiAlN涂层,形成一个复合涂层。这样刀具的寿命可以提高3倍以上。
目前除了针对不同加工材料、不同加工条件开发出不同的涂层外,也积极地开发着通用型复合涂层。通用型复合涂层适合大部分刀具的涂覆,兼有TiN、TiAlN、TiCN等各种涂层的优点。如Guhring公司的孔加工刀具/Fir℃0涂层,其复合涂层用TiN作为衬底,以提高整个涂层与基体的结合强度;由多层薄涂层构成的中间层则形成韧性很好的缓冲层,可吸收断续切削产生的振动,并防止裂纹扩展;而顶层则采用耐磨性和耐热性很好的TiAlN涂层。这种多涂层刀具不仅适用于干切削,也适用于高速切削。
2 刀具涂层技术
刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术两大类。
CVD技术自20世纪60年代出现以来,在硬质合金可转位刀具上得到了极为广泛的应用。在CVD工艺中,气相沉积所需金属源的制备相对容易,可实施TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等单层及多元、多层复合涂层,其涂层与基体结合强度高,涂层厚度薄,最小可达7Lm -9Lm。目前CVD涂层技术在涂层硬质合金刀具中占80%以上。但CVD工艺也有其先天性的缺陷:一是工艺处理温度高,易造成刀具材料抗弯强度的下降;二是薄膜内部处于拉应力状态,使用中易导致微裂纹的产生;三是CVD工艺所排放的废气、废液会造成环境污染,与目前所提倡的绿色制造相抵触,因此20世纪90年代中期以后,高温CVD技术的发展受到了一定的制约。
PVD技术出现于20世纪70年代末,由于其工艺处理温度可控制在500℃以下,因此可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。由于采用PVD工艺可大大提高高速钢刀具的切削性能,所以自80年代以来该技术得到了迅速推广,目前工业发达国家高速钢复杂刀具的PVD涂层比例已达60%以上。与CVD工艺相比, PVD工艺处理温度低,在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度无影响;薄膜内部应力状态为压应力,更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层;PVD工艺对环境无不利影响,符合现代绿色制造的发展方向;然而在耐磨性上PVD涂层要劣于CVD涂层; PVD涂层沉积厚度通常小于5mm,而CVD涂层可达20mm厚。PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥等的涂层处理。
3 涂层技术的发展前景
20世纪80年代末,W idia开发的低温化学气相沉积(PCVD)技术达到了实用水平,其工艺处理温度已降至450℃-650℃,有效抑制了G相的产生,可用于螺纹刀具、铣刀和模具的TiN、TiCN、TiC等涂层。90年代中期,中温化学气相沉积(MT-CVD)新技术的出现使CVD技术发生了革命性变革。MT-CVD技术是以含C/N的有机物乙腈(CH3CN)作为主要反应气体、与TiCL4、H2、N2在700℃-900℃下产生分解、化学反应生成TiCN的新工艺。采用MT-CVD技术可获得致密纤维状结晶形态的涂层,涂层厚度可达8Lm-10Lm。这种涂层结构具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性,并可通过高温化学气相沉积(HT-CVD)工艺在刀片表面沉积Al2O3、TiN等抗高温氧化性能好、与被加工材料亲和力小、自润滑性能好的材料。MT-CVD涂层刀片适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用,其寿命可比普通涂层刀片提高一倍左右。目前CVD (包括MT-CVD)技术主要用于硬质合金车削类刀具的表面涂层,涂层刀具适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。采用CVD技术还可实现A-Al2O3涂层,这是PVD技术目前难以实现的。
PVD技术目前不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度,涂层成分也由第一代的TiN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多元复合涂层。纳米级涂层的出现使PVD涂层刀具的性能有了新突破。这种新涂层与基体结合强度高,涂层膜硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剥离性强,而且可显著改善刀具表面粗糙度,其精密加工质量与未涂层刀具相比毫不逊色。
由于单一涂层材料难以满足刀具综合性能的要求,因此涂层将趋于多元化、复合化;在复合涂层中,各单一成分涂层的厚度将越来越薄,并逐步趋于纳米化;层数也越来越多,有的已达400多层。涂层工艺温度将越来越低,刀具涂层工艺将向更合理的方向发展,预计PVD、MT-CVD工艺将成为主流技术。
我国的刀具涂层技术目前正处于关键时期,原有技术已不能满足干切削加工日益提高的要求,国内各大工具厂的涂层设备也到了必须更新换代的时期。因此,充分了解国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势,瞄准国际涂层技术先进水平,有计划、按步骤地发展刀具涂层技术(尤其是PVD技术),对于提高我国干切削加工水平具有重要意义。
参考文献略
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