瑞典山特維克公司根據高精高效切削加工及市場多樣化的需求,開發生產了新一代涂層刀片,其中包括車削和銑削加工鋼及鑄鐵用的2種PVD涂層材料和3種CVD涂層材料,現簡介如下。
?。?)新一代涂層刀片的開發理念
在過去的刀具材料開發中,如果提高材料的耐磨性能,則會削弱其抗崩刃性能;反之,如果提高材料的抗崩刃性能,則會削弱耐磨性能,很難達到兩者兼優的效果。山特維克公司開發刀具新材料的理念是:同時提高其耐磨性能和抗崩刃性能,使其匹配兼優,綜合性能達到最佳。該公司最近開發的全新涂層刀片就很好地體現了這一理念。下面重點介紹黑金CVD涂層和青銅色多層PVD涂層。
(2)黑金CVD涂層的特點
新開發的黑金CVD涂層是一種耐磨性能與抗崩刃性能兼優的涂層材料。普通CVD涂層的涂覆溫度超過1000℃,由于涂層與硬質合金基體的熱膨脹系數不同,會在涂層中產生拉伸殘余應力,在切削時容易導致涂層剝落和熱裂紋,成為降低切削性能的主要因素。此外,普通涂層由脆性材料構成,當涂層厚度增大時,涂層也容易發生剝落,即如果要優先考慮涂層的耐熱性和耐磨性,就會犧牲其抗剝落性能。
與普通涂層不同,新開發的黑金CVD涂層兼顧了兩種性能的提高,即涂層的厚度較大,同時抗剝落性能也相當優異。其主要特點是,采用獨立開發的特殊表面處理技術,大幅度降低了涂層中的殘余拉應力,使增厚的涂層在提高耐磨性的同時也具有很好的抗剝落性,既提高了連續切削所需的耐磨性能,又提高了斷續切削所需的抗崩刃及抗崩損性能。
?。?)黑金CVD涂層的加工性能
下面介紹用進行了黑金CVD涂層處理的GC4525刀片車削鋼件的兩個加工實例,第一個加工實例是對刀具耐磨性要求較高的輸入軸(低合金鋼,HB270)外圓連續切削加工(切削條件:Vc=250m/min,f=0.36mm/r,ap=0.5mm;濕切);第二個加工實例是對具有大斷續部分的曲軸(低合金鋼,HB300)端面/外圓的斷續切削加工(切削條件:Vc=180m/min,f=0.4mm/r,ap=3mm;濕切)。分別與原有涂層材料進行對比的結果表明,黑金CVD涂層在連續切削時提高了刀尖的抗塑變性能,在斷續切削時提高了刀尖的抗崩損性能。
在屬于斷續切削的銑削加工中,進一步發揮了黑金CVD涂層材料的優勢。為銑削加工鋼件而開發的新型涂層材料GC4240的主要適用領域是切除黑皮和不穩定的斷續加工。加工結果表明,刀具的抗崩損性大幅度提高;為銑削加工灰口鑄鐵而開發的新型涂層材料GC3220的涂層厚度比原來的涂層有所增加,在保持良好抗崩損性能的同時,實現了鑄鐵的高速高效加工。
(4)青銅色多層PVD涂層的特點
近年來,低抗力銑刀漸成主流,大前角銑刀的開發盛行。由于刀片的后角較大,要求銑削刀片材料具有較高韌性。與CVD涂層相比,在鋒利的切削刃上也能進行PVD涂層處理,因此抗崩損性能好的PVD涂層適用范圍更廣。青銅色多層PVD涂層就是為銑削加工開發的涂層材料。
一般來說,由于PVD涂層的基體與涂層容易發生化學擴散,因此其結合強度比CVD涂層低,涂層易剝落。從涂層中產生的殘余壓應力來看,主要是刀尖附近的涂層容易發生剝落。因此,通過加大涂層厚度來提高耐熱性能相當困難。為提高抗剝落性和耐熱性而開發的青銅色多層PVD涂層的特點是涂層厚度達到數微米,采用了包含數千層高耐熱TiAlN涂層的超多層結構。與TiN、TiCN涂層相比,TiAlN涂層的耐熱性較好,但不易保持其抗剝落性,實用的涂層厚度為1~2mm.山特維克公司將TiAlN涂層多層化,可有效防止由切削沖擊引起的涂層裂紋的擴展,即使涂層厚度增大,也不會產生由切削沖擊引起的涂層剝落。
?。?)青銅色多層PVD涂層的加工性能
下面用GC1030涂層刀具銑削鋼件的加工實例說明這種多層涂層的性能。銑削加工難加工粘硬材料模具時(切削條件:工件材料:DAC3(HRC41);切削速度:Vc=90m/min,每齒進給量:fz=0.15m/齒;齒數:z=1;軸向加工余量:ap=2mm,徑向加工余量:ac=20mm;順銑,干式切削),與原有的單層PVD-TiAlN涂層材料的加工性能進行對比。與原涂層相比,GC1030涂層顯示出很高的抗剝落性和耐熱性。此外,在比切削鋼件更容易發生粘刀和涂層剝落的不銹鋼、鈦合金加工中,該涂層也顯示出優異的切削性能,是一種適用領域廣泛的萬能涂層材料。
2006年秋天推出了鑄鐵銑削用新材料GC1020由最適合鑄鐵加工的硬質合金基體和新開發的涂層組合而成,在可加工性差、切削抗力大的可鍛鑄鐵切削加工以及因涂層剝落導致刀片容易產生熱裂紋的鑄鐵濕式切削加工中,比原有材料發揮出了更優異的切削性能。