高性能切削領(lǐng)域最先進(jìn)濺射技術(shù)研究
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本文從技術(shù)的角度對(duì)應(yīng)用于高性能切削（HPC）領(lǐng)域的最先進(jìn)濺射技術(shù)（高電離濺射，H.I.S）進(jìn)行了綜合闡述并簡(jiǎn)要介紹了涂層領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。 據(jù)專家分析，在未來(lái)五年內(nèi)，高速切削、硬加工及干式切削等現(xiàn)代切削方式將在全球、尤其是中國(guó)獲得廣泛應(yīng)用。為滿足生產(chǎn)效率的需要，無(wú)論是機(jī)床制造商或是刀具制造商均必須為此作好充分準(zhǔn)備。而涂層則在其中扮演著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。值得指出的是：考慮到未來(lái)對(duì)切削刀具各種需求的增加，刀具制造商不得不將刀具視為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)對(duì)待。刀具基體材料、幾何形狀、刃口的處理以及涂層必須根據(jù)不同應(yīng)用條件進(jìn)行系統(tǒng)匹配。除此之外，切削參數(shù)也是必須綜合考慮的因素之一。如果切削參數(shù)變得非�？量�，那么僅僅依靠改變涂層將無(wú)法獲得理想的性能結(jié)果。 目前人們將研究重點(diǎn)放在了對(duì)（Ti，Al）N基涂層的改進(jìn)上以滿足應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χT如抗氧化性能、熱穩(wěn)定性能及熱硬度等需求的不斷提高。目前通過(guò)采用高電離濺射技術(shù)（H.I.S）可獲得最先進(jìn)的（Ti，Al）N涂層，測(cè)試結(jié)果顯示這種涂層與不同的基體材料均具有極佳的結(jié)合力且尤其適合于高性能切削領(lǐng)域（HPC）。與其它PVD技術(shù)（如ARC技術(shù)）不同的是，H.I.S技術(shù)可直接將被蒸發(fā)材料從固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，因此可根本避免采用ARC技術(shù)時(shí)蒸發(fā)材料在熔融狀態(tài)中以液滴的形式沉積于工件表面的現(xiàn)象，從而通過(guò)H.I.S獲得的涂層具有表面非常光滑平整的特點(diǎn)。這一點(diǎn)對(duì)于那些需要很好的切屑流和高切屑去除率的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)非常重要。H.I.S另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于被蒸發(fā)材料在沉積過(guò)程中直接從固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，因此對(duì)材料的選擇幾乎沒(méi)有任何限制，換句話說(shuō)，這意味著即使是非導(dǎo)電材料也可用做被蒸發(fā)材料。正是基于此靈活性，H.I.S技術(shù)成為未來(lái)創(chuàng)新性涂層開(kāi)發(fā)過(guò)程中一種最具潛力的涂層技術(shù)。 目前，推出了一種稱為Supernitrides的新的涂層種類。Supernitrides最顯著的特征在于其致密的納米組分結(jié)構(gòu)，同時(shí)成分中含有可生成不同氧化物的高含量元素。這類涂層將硬質(zhì)涂層卓越的抗磨損性能及傳統(tǒng)的氧化涂層所具有的化學(xué)穩(wěn)定性完美地結(jié)合起來(lái)，在應(yīng)用中表現(xiàn)出極佳的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。值得一提的是，這一代表著未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的涂層種類只能通過(guò)“等離子輔助濺射技術(shù)”如H.I.S或H.I.P（高電離脈沖）獲得。涂層的形態(tài)及構(gòu)成（如鋁含量、結(jié)構(gòu)、表面光潔程度等）可根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。對(duì)不同的被加工材料如CGI、42CrMo4、鑄鐵、工具鋼等進(jìn)行的鉆、銑、滾削和車削加工測(cè)試結(jié)果證實(shí)了（Ti，Al）N基Supernitrides的優(yōu)越性能。 出色的熱穩(wěn)定性、極佳的熱硬度和抗氧化性能，再加上合適的韌性，使得加工過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱被切屑帶走。涂層中的鋁含量越高，切削過(guò)程中表面產(chǎn)生Al2O3薄膜的速度越快，從而對(duì)刀具起到更為有效的保護(hù)作用。從對(duì)42CrMo6材料進(jìn)行車削加工的案例可以看到，切屑的彎曲度很大，這種形狀有利于切屑帶走大量的熱量。根據(jù)鋁含量的狀況，熱穩(wěn)定溫度和相應(yīng)的化學(xué)穩(wěn)定溫度可達(dá)到1100℃。鋁含量越高，化學(xué)穩(wěn)定性越好。通過(guò)顯微圖片可以看出這些鋁含量為63%的薄膜呈納米組分結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，涂層硬度可提高到3.500～3.700Vickers左右。 有一種用于低硅鋁合金和有色金屬材料加工的硼基（boron）涂層，這種涂層目前也僅可通過(guò)高電離脈沖技術(shù)（H.I.P）獲得。稱之為TiBx或TiBN的涂層非常不容易與鋁粘結(jié)，即與鋁的親和力很低，從而可以避免在鋁加工過(guò)程中最為頭痛的積屑瘤問(wèn)題。但同時(shí)要注意的是，刀具表面的光滑狀況是成功進(jìn)行鋁加工的一個(gè)至關(guān)重要的因素，刀具表面保持較低的粗糙度，使得流動(dòng)的切屑無(wú)法獲得機(jī)械性黏結(jié)于刀具表面的任何機(jī)會(huì)。這個(gè)事例也說(shuō)明了刀具本身表面形態(tài)及涂層表面狀況將共同影響整個(gè)切削過(guò)程。歐洲有些刀具制造商建議在進(jìn)行鋁加工時(shí)采用后刀面進(jìn)行過(guò)拋光處理的刀片。當(dāng)然，對(duì)于這種應(yīng)用場(chǎng)合，除了對(duì)表面進(jìn)行拋光處理外，還同時(shí)需要其它很多專有技術(shù)的配合。針對(duì)航空鋁合金的加工實(shí)例表明：不僅刀具的使用壽命獲得了顯著提高，同時(shí)切削速度和進(jìn)給分別提高了2倍和6倍。在航空工業(yè)中采用這種稱為Aluspeed的（Ti，B）基涂層，可以大幅度地提高生產(chǎn)率。 隨著未來(lái)將有越來(lái)越多的纖維和微粒增強(qiáng)材料及金屬?gòu)?fù)合材料在汽車制造行業(yè)中被采用，那些具有較高抗磨損性能的材料（如金剛石）將會(huì)在提高機(jī)械加工生產(chǎn)率方面發(fā)揮獨(dú)到作用。對(duì)于EDM石墨電極加工等研磨磨損為主要磨損形式的應(yīng)用場(chǎng)合，金剛石涂層是最佳選擇。 正如ISCAR公司總裁Jacob Harpaz先生所說(shuō)，在中國(guó)的汽車工業(yè)中，高硅鋁合金材料（Si＞8%）將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。為了使刀具獲得非常光滑平整的表面以防止積屑瘤和鋁材料的堆積，非常有必要采用納米晶體結(jié)構(gòu)的金剛石涂層。 |
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