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刀具涂层

欧佩特金属 2018-10-13 217

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涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上,利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而制备的。涂层作为一个化学屏障和热屏障,减少了刀具与工件间的扩散和化学反应,从而减少了基体的磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性,切削时可比未涂层刀具寿命提高3~5倍以上,提高切削速度20%~70%,提高加工精度0.5~1级,降低刀具消耗费用20%~50%。


要求

用CVD法涂层时,切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.02~0.08mm,切削刃强度随钝圆半径增大而提高),故刃口没有未涂层刀片锋利。所以,对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外,还可涂覆到整体刀具上,已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道,国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法,结果使加工赶时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍,效率提高5倍。

使用注意事项


涂层刀具的使用效果除与涂层方法及设备、涂层工艺和涂层材料有关外,还有以下情况应加以注意:

一、涂前刀具的表面质量 。被涂刀具表面应是光亮的磨光面,刀具各工作表面上不得有锈斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷,要求刃口上无毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度应达到Ra<0.8~1.25um。表面粗糙度值愈小,涂层的结合度愈好。此外,刀具表面的清洗质量也十分重要。

二、刀具基体材料。涂层刀具的基体材料与涂层材料应合理匹配,须根据不同的加工要求选用。涂层高速钢刀具的基体,既可用W6Mo5Cr4V2(M2)的通用型高速钢,也可用含钴的超硬高速钢和粉末冶金高速钢(PM HSS)或者是整体采用硬质合金钨钢制成的 钨钢刀片。因粉末冶金的基体均匀,故使用效果好。加工钛合金时,推荐用含钴超硬高速钢如W2Mo9Cr4VCo8(M42)作为刀具的基体材料。对于涂层滚刀,当以正常切削速度(小于45m/min)加工齿轮时,崩刃是滚刀磨损的主要原因,因此应选择韧性较好的W6Mo5Cr4V2高速钢作为刀具的基体材料;而在高速滚齿时(切削速度大于100m/min),月牙洼磨损是滚刀磨损的主要原因,因此应选用耐热性和耐磨性较高的含钴超硬高速钢或CW9Mo3Cr4VN高速钢为刀具的基体材料。 涂层硬质合金刀具的基体,在加工钢材时,宜选择加工钢材的硬质合金,如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co类合金(P30用得较多);加工铸铁和有色金属时,宜选择WC-Co类合金(K20用得较多)。 被加工材料的硬度及切削加工性,对涂层刀具的使用效果也有一定影响。试验证实,涂层刀具适于切削高硬度和耐磨合金一类难加工材料。

三、刀具的几何角度。 由于涂层的润滑性好,所以涂层刀具工作时常会在工件表面上打滑,为此涂层刀具上的后角应比未涂层刀具的后角略大。实践表明,对铰刀等一类精加工刀具,加大后角后,可使刃口锋利,切屑形成容易,打滑现象明显减少,刀具的使用性能提高。

四、切削用量和切削液 。为了充分发挥涂层刀具的性能,必须正确选用切削用量和切削液。涂层刀具由于耐热性好,抗月牙洼磨损能力强,故可采用较大进给量和切削速度工作,但先应选取较大进给量。通常涂层高速钢刀具采用的进给量比未涂层刀具提高10%~,提高20%~30%的切削速度是合适的。为了提高工效,涂层硬质合金刀具也可采用比未涂层刀具高25%~70%的切削速度进行切削。用涂层硬质合金通用刀具加工中碳结构钢时的切削速度,立铣刀可达100~150m/min,钻头可达80~100m/min;丝锥加工铸铁为20~40m/min。 实践证明,使用20号机械油加10%煤油冷却时,可使涂层高速钢镗刀的寿命提高1~2倍。TiN涂层高速钢滚刀加工20CrMnTi(197HBS)钢制斜齿圆柱齿轮(模数m=5)时,使用20号机械油和煤油混合润滑,刀具寿命可提高5倍左右,即使重磨后也可提高2~3倍,干切时寿命仅提高1倍。 [pre]涂层刀具使用时还要求机床的精度好、刚性高和振动小,刀具或刀片的夹持也应牢固。


涂层材料

涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低,以及与基体附着牢固等要求。显然,单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3,进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合,加上新型的抗塑性变形基体,在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术,全面提高了刀具的性能。

工艺成熟和应用广泛的硬质涂层材料是TiN,但TiN与基体结合强度不及TiC涂层,涂层易剥落,且硬度也不如TiC高,在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性,抗氧化性也好,但其性脆,不耐冲击。TiCN兼有TiC和TiN两种材料的优点,它在涂覆过程中可通过连续改变C、N的成份控制TiCN性质,并形成不同成份的多层结构,可降低涂层的内应力,提高韧性,增加涂层的厚度,阻止裂纹的扩展,减少崩刃。所以,生产的一些刀片,如瑞典Sandvik公司推荐用于加工赶的GC4000系列刀片、中国株洲硬质合金厂生产的CN系列刀片、日本东芝公司的T715X和T725X涂层刀片中均有TiCN涂层成份。TiCN基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料,用它加工工件时的材料切除率可提高2~3倍。

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