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针对高速加工机械刀具的新材质等级设计

推荐给好友发布时间:2009-11-01  来源: 本站  点击:

本文导读:摘要 这篇论文阐述了一种针对高速切削金属时提高耐磨性与抗塑性变形能力的涂层硬质合金材质等级设计的新进展。 简单描述了一种基于对涂层材料磨损特性了解深入以后的新涂层设计。这种新涂层将一.. 
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摘要

        这篇论文阐述了一种针对高速切削金属时提高耐磨性与抗塑性变形能力的涂层硬质合金材质等级设计的新进展。 简单描述了一种基于对涂层材料磨损特性了解深入以后的新涂层设计。这种新涂层将一种改善韧性的功能材质基体与刀具的切削刃强度组合在一起。

加工趋势
       
金属加工业通过快速的技术发展而充满了闪光点。这是由诸如全球化、加剧的市场竞争、允许更高切削速度的功率更大更稳定的机床、难加工材料的使用以及环境问题日益增长的觉悟等因素作用的结果。其结果是,刀具的最终用户就刀具性能表现对刀具制造商提出持续改进的要求。金属加工业的总趋势是发展更多的性价比好的加工工艺。
       新的法律法规将提高冷却润滑液的使用成本。这促进干加工(图 1)的使用。然后,这将增加对于更耐热涂层硬质合金的需求并强迫金属加工业考虑新的替代方法。

 
 
 
 
 
 
 
 

 

图1. 硬质合金刀片高速切削。

      尤其是在汽车工业,关于降低能耗的市场需求将强调材料选择的重要性。例如,优先选用轻合金。除铝和其它轻合金外,专门设计的高强度钢材在将来会使用得更多。

      下述为市场上最重要的趋势:针对提高生产率的更高切削速度。
为了降低成本和环境方面的原因而进行干加工和/或最小量润滑(MQL)。
难加工材料,例如为了零件更轻的高强度材料。
      所有这些趋势对对相同刀具材质等级的耐磨性、抗塑性变形和韧性提出更多要求。如果韧性是唯一的问题, PVD (物理气相沉积)涂层可被看作一种选择。然而在耐磨性上PVD涂层不能与现代CVD(化学气相沉积)涂层竞争。PVD涂层沉积厚度通常小于5 mm,而CVD涂层可能有20 mm厚。

传统设计
      一种烧结硬质合金切削刀片就是一种针对某种特定应用领域定制的基体与涂层的优化组合,通常被看作是一种材质等级。 设计一种新的材质等级就是要找到基体和涂层物理性能的最佳组合。最重要的特性是硬度与韧性,然而它们反过来与材料性能相互关联。结果在刀具研发时,通常必然在耐磨性和韧性之间折中。在本文里,我们将通过一些新的途径来克服这种窘境,例如耐磨性与韧性的结合。本文将探讨一种设计用于高速切削的耐磨材质等级的研发。

      以WC-Co基为基体的性能可通过Co含量、WC颗粒大小和立方碳化物相数量的变化来控制。 应用功能梯度的方法也是可行的:紧挨在涂层下面的基体创建富含Co的区域并同时耗尽硬的立方碳化物表层。使用这种方法,可获得硬的基体核心而不牺牲切削刃的韧性。在耐磨应用场合使用,通常要求抗塑性变形的基体与传统的硬基体,通常还没有使用功能梯度分布的基体。 其不利点是在很多难加工材料里降低了韧性。

      在传统涂层里,不同的涂层材料根据普遍接受的磨损模型,创建多层结构来组合与优化。 内部(中间)的涂层通常是基于保证良好的抗后刀面磨损及与硬质合金基体之间有良好结合力的TiC-Ti(C,N)-TiN组合。最常用的中间层是Ti(C,N) ,而且今天它几乎专门使用中温化学气相沉积(MTCVD)进行沉积。 Al2O3传统地使用在中间层的上面,起降低前刀面月牙洼磨损的作用,而且还作为热障来使用。最后,一层薄的TiN通常沉积在复合涂层的顶面,为了使刀具得到金黄色并有助于容易地察觉磨损。今天市场上大多数涂层是由Ti(C,N)、Al2O3与TiN组合构成。通常在Al2O3 上面仅覆盖一薄层TiN。

氧化物困境 
      Al2O3 存在许多不稳定同素异形体,诸如g、h、d、q、c 和 k ,以及稳定的 a-Al2O3相。 所有这些改变紧接着将转化到稳定的a-Al2O3 相,例如在沉积过程中的热处理、沉积后的热处理与金属切削过程中。三种 Al2O3 相a-Al2O3、 k-Al2O3和g-Al2O3 能以某种受控的方式被CVD沉积。 表1给出了这些相的特性。

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