涂层刀具进步生产能力和耐用度

 
   10多年以来，涂层刀具一直在不断的发展和创新。今天，高切削能力和长刀具寿命已经成为涂层刀具必须“做到的事情”。而恰恰在新材料的加工中，涂层刀具技术也已成为研究和开发的重要课题。
    涂层刀具已经拥有40多年的历史，但直到20世纪70年代，陶瓷CVD涂层刀具才出现在模具制造中（图1）。TiN、TiCN和Al2O3涂层材料则以令人赞叹的速度占领了市场。随着Multilayer和PVD涂层的问世，使得可以切削加工的金属材料又有了新的增加。其结果是刀具生产厂家几乎不提供没有涂层的刀具。今天，几乎90%以上的刀具都带有涂层。
        凡是涉及到新的刀具涂层材料的研发时，总是少不了欧洲刀具生产厂商和涂层专业厂商的身影。在众多的欧洲刀具生产企业中，瓦尔特公司自2001年推出Tigertec牌刀具涂层技术之后就一直处于市场的领先地位。在成功推出Tiger刀具涂层材料之后，Tiger涂层材料的品种也越来越多，也出现了新的Al2O3涂层材料。假如人们对这个领域极高的创新速度略加关注的话，必定会对此感到惊奇。
    可选涂层材料有限
    适合作为强力切削刀具的涂层材料和化合物的选择范围是十分有限的。这些材料应该满足的基本条件条件是：很高的热硬性、耐磨损、导热率低、附着力强，以及很高的耐扩散和耐氧化性能。
    总的来讲，只有少数几种化合物可天生碳化物、硼化物、氮氧化物或它们的混合物。在很多情况下，Al2O3结晶是非常理想的刀具涂层材料（图2）。Al2O3之所以能够成为一种理想的刀具涂层材料，不仅是由于它在20℃时拥有高达HV 2600的硬度，而且还由于它在800℃的高温时始终保持HV 900～1200的硬度。既有很高的热硬性，也有着很高的化学稳定性。
    但是，Al2O3的强大功能只有与MT-TiCN（MT：中等温度）硬质合金一起使用时才能发挥作用。这对于避免刀具后刀面的磨损是非常必要的。而终极对刀具的保护如何，还要看起决定性作用的TiCN涂层的微观结构。在涂层的生产制造过程中获得的是TiCN硬质合金典型的柱状细晶结构晶粒时，则能够非常明显的改善涂层材料的抗剥离强度（图2、3）。
    Al2O3还有另一个重要特点，它的导热性能很差。也就是说，在切削过程中涂层基体材料受到了很好的隔热保护。这不仅在连续的螺旋切屑中，而且在断续的崩碎切屑中都具有非常重要的决定性意义。在螺旋切屑中，它能进步抵抗弹性变形的阻力；在崩碎的切屑中，它能减小硬质合金基体的温度波动。从而进步了切削工艺过程的可靠性。
    具有决定性作用的连接层
    原则上，α、κ和γ相的Al2O3晶体都可以用作涂层材料，并根据其不同的特性满足不同应用的需要。在最常用的CVD领域中使用的是α相Al2O3涂层材料。在这里α相Al2O3有着最佳的耐热性和化学稳定性。
    为了能够充分发挥Al2O3的上风，涂层必须在TiCN硬质合金基体上有足够的附着能力。而这强有力的附着性能是由连接层来实现的，是依靠它与Al2O3涂层机械性的咬合在一起来实现的。然而，这种连接层还有另外一个重要的任务，除了负责连接硬质合金基体与涂层之外，还负责涂层晶体的变化和结构纹理的形成，即负责结晶几何外形的形成。
    为了天生纯α相的Al2O3晶体，必须要有一个同构的结晶结构作为基础。正确的说，连接层应有一个类似α-Al2O3的结构。因此，一般情况下在高温的CVD领域中用TiO作为连接层材料。而在瓦尔特公司里，他们则是用TiCN和Al2O3材料的混合体来制造连接层的。这种连接层材料解决方案的优点在于，能够得到非常纯的α相的Al2O3晶体，以及非常高的001晶体结构。
    为什么这种连接层起着决定性的作用呢？这是一个很难回答的题目。导热性能和硬度在结晶体中呈现出与晶格有关的方向性，在所谓的001优先方向有着最大的数值。从而可以在具体的使用情况下，如在钢材的高速切削时使刀具的耐用度进步30%。
    而Tiger牌刀具涂层材料恰恰在这点上获得了成功。一种特殊的晶格结构检测技术保障了极精确的检测结果，而且提供了进一步改进进步和优化的可能性。当其他检测技术还只能进行涂层材料晶体的一维检测时，瓦尔特公司研发成功的检测技术已经能够对晶体进行3D检测了，而且还能得到非常精确的检测结果。而这种检测技术是精确调整晶体结构的先决条件。
    除了前面提到的优点之外，CVD方法还有一个非常严重的缺点。由于很高的切削温度（800~1050℃）会导致硬质合金基体的韧性下降，以及在涂层内部产生可在刀具材料中产生裂纹的拉伸应力。而Tiger牌涂层材料则很好的克服了这些缺点，原来为铸铁加工而研发的TiN涂层技术的摩擦学缺点，在切削钢材的刀具前刀面中“消失”的无影无踪。由于在刀具的后刀面中含有TiN，因此可以看到有磨损的痕迹。而这一过程也得到了另一个有用的好处。
    在向表面涂层材料施加了机械能后，除了能进步涂层的表面硬度外，还可以将有害的拉伸内应力转换成为压缩内应力，得到的结果是韧性的大幅度进步。这样，进步涂层材料高温耐磨性的措施（如使用含钴量较低的硬质合金基体，减小涂层厚度等）与损失韧性、降低生产过程可靠性的技术措施都可以省略。
    喷丸处理进步可靠性
    通过Tiger牌刀具涂层的喷丸增强处理，可以降低刀具涂层的韧性损失，进步刀具涂层工作的可靠性。从而实现刀具涂层材料研发技术职员长期以来在CVD涂层应用中的“梦想”——极好的耐磨损和韧性。这也使得Tiger牌刀具涂层材料可以作为一种适合于铸铁和钢材切削用的涂层材料。
    另外。在PVD涂层领域中同样也有类似的成功创新。PVD涂层的可换刀片以其很好的韧性而著名于世，但长期以来一直没有氧化涂层的品种。与CVD涂层刀具相比，其高温耐磨性受到了限制。2005年，瓦尔特公司推出了PVD-Tiger系列产品。从而提供了在PVD涂层使用高切削速度和高韧性刀具的可能性。而且，在这一领域中使用的Al2O3层仍然是α相的。固然可以使用其他的连接层材料，但是一直没有能够投进到大批量的生产中。有一点必须肯定的是，有目的的根据刀具的使用情况调整涂层的内应力，将会带来具有决定性意义的好处，由于它使CVD涂层的应用领域变得更加广阔。