应用于现代切削领域的先进高性能涂层

HEATS

　　高速...干加工...坦率和自由地看待摆在当今刀具制造商面前的挑战和机遇。

b& O( K- s9 F

　　现今的刀具公司再也不能只制造和卖刀具。为了成功他们必定同全球化制造趋势保持一致，通过提高效率、同客户合作来降低成本。在这个近乎瞬间的全球竞争的后NAFTA、后WTO时代，全世界的公司正对相同感觉作出更快、更轻、更便宜的反应。换句话说，他们制造的产品和零件包含能在高速下运转，由于成本的压力最好更轻而且要制造更便宜。取得这些目标的一个最佳途径是通过发展和应用新材料，但这些新的和改进的材料通常都难以加工。这种商业上的动力和技术上的困难的组合在汽车和航空工业尤其突出，并已成为有见识的刀具公司研发部门的首要驱动力。

/ p. c* h7 J( ?' i2 Q

　　例如，拿球墨铸铁来说，它已成为发动机零件和其它汽车、农用设备和机床工业上的零件的日益见的材料。这种合金提供较低的生产成本和良好的机械性能的组合。他们比钢材便宜，而比铸铁有更高的强度和韧性。

% h. w. Y$ U6 W9 [

　　但同时球墨铸铁非常耐磨，有快速磨坏刀具材料的倾向。这种耐磨性很大程度上受珠光体含量影响。某一已知球墨铸铁的珠光体含量越高，它的耐磨性越好而且它的可加工性越差。另外，球墨铸铁的多孔性导致断续切削，这更加降低寿命。

" K$ f0 I. O4 H% A' ~# y

　　可以预计，高硬度和高耐磨的切削材质需考虑球墨铸铁的高耐磨性。并且事实上材质包含极硬的TiC(碳化钛)或TiCN(碳氮化钛)的厚涂层在切削速度每分钟300米时加工球墨铸铁被证明通常是有效的。但是随着切削速度的增加，切屑/刀具结合面的温度也在增加。当发生这样的情况，TiC涂层倾向于和铁发生化学反应并软化，更多的压力作用在抗月牙洼磨损的涂层上。在这些条件下，希望有一种化学稳定性更好的涂层，如Al2O3(虽然在较低的速度下不如TiC硬或耐磨)。

# q7 C& d1 G0 v' F4 S

　　化学稳定性比耐磨性更成为一个重要的表现性能分界的确切速度和温度取决于被加工球墨铸铁的晶粒结构和性能。但是通常厚涂层的TiC或TiCN和仅有氧化物的较薄涂层是针对球墨铸铁应用的，因为今天大部分这类被加工材料的切削速度在每分钟150到335米之间。对于速度高于每分钟300米的应用，人们对这种材料是满意的。

* x3 M% O: z4 K0 L

　　为了使这个范围性能最优，山高研发和推出了针对球墨铸铁加工的材质TX150。这种材质有一个硬且抗变形的基体，对于加工球墨铸铁很理想。它的涂层由一层较厚的很耐磨的碳氮化钛和一层较薄的抗月牙洼磨损的氧化物涂层，顶面是一薄层TiN。这种涂层运用目前工艺水平的产生耐磨性和抗月牙洼磨损需要的CVD涂层的全部硬度而且韧性平滑性增加的中温化学气相沉积(MTCVD)工艺。基体/涂层的组合性能给予很高的抗塑性变形和刃口微崩能力，使之成为正常速度下加工球墨铸铁的理想材质。

7 `, \# ~" ^$ r* S0 @

　　涂层陶瓷也表现出能有效加工球墨铸铁。在过去，未涂层的韧性较好的诸如氮化硅和碳化硅纤维强化的氧化铝陶瓷应用受工件材料化学亲和性的限制。但是今天通过使用能抵抗切屑变形过程产生高热量的涂层刀具寿命已经显著增加。而某些早期这个领域的工件加工使用氧化铝涂层晶须强化陶瓷，今天的多数研究活动集中于TiN涂层氮化硅。这种涂层能显著拓宽韧性较好的陶瓷的应用范围。

　　刀具在热强合金中的应用

( H+ b c4 X; g1 z. J4 P. R7 w

　　航空加工也变化迅速。例如，镍基高温合金如几年前多数人未听说过的Rene88现在占到航空发动机制造使用总金属量的10~25%。对于这个有很好的表现和商业理由。例如，这些热强合金能增加发动机寿命而且允许较小的发动机工作在大飞机上，那将提高燃烧效率并降低运营成本。这些韧性好的材料也把费用呈现在刀具上。它们的耐热性导致刀尖上的温度更高，从而降低了刀具寿命。相似地，这些合金里的碳化物颗粒显著增加了摩擦，从而缩短刀具寿命。

2 w/ F# d8 c0 Q t) X; X. p) o

　　作为这些条件改变的结果，曾经能很满意地加工很多钛合金和镍基合金的硬质合金材质C-2在应用到当今的合金时遭受切削刃的压碎和切削深度线处严重的沟槽磨损。但是用最新的细颗粒硬质合金能有效加工高温合金，刀具寿命得到提高，更重要的是提高在高温合金应用时的可靠性。细颗粒硬质合金有比传统硬质合金材质更高的压缩强度和硬度，只是在韧性方面增加少量的成本。而结果是在高温合金加工上比传统硬质合金抵抗常见失效模式更有效。

2 H5 S- \# ^1 d

　　PVD(物理气相沉积)涂层也被证明有效加工高温合金。TiN(氮化钛)PVD涂层是最早使用的并仍然是最受欢迎的。最近，TiAlN(氮铝化钛)和TiCN(碳氮化钛)涂层也能很好使用。过去TiAlN涂层应用范围和TiN相比限制更多。但是当切削速度提高后它们是一个很好的选择，在那些应用提高生产率达40%。另一方面，在较低的切削速度下取决于涂层的表面工况TiAlN会导致积屑瘤、随后的微崩和沟槽磨损。

: J* V, v1 R2 Z! }5 t0 p/ R9 M

　　近来，用于高温合金应用的材质已经发展了，这些涂层由几层组合而成。大量的实验室和现场测试已经论证了这种组合和其它任何一种单一涂层相比在很宽范围的应用时很有效。因此针对高温合金应用的PVD复合涂层可能成为硬质合金新材质研发持续的焦点。和MTCVD涂层、涂层陶瓷集合在一起，它们有望成为更有效加工正在研发的新的更难加工工件材料的主要冲击力量。

　　干切削

_) ?7 Y; ^; e1 a) {3 U$ w / a! O; _5 c1 g1 R( A5 h+ A) f

　　包括冷却液在内的问题是刀具制造的科技和商业扩大产业化趋势的另一个领域。北美和欧洲严格冷却液管理的要求和最大的三家汽车制造商强制它们的核心供应商取得ISO14000认证(ISO9000的环境管理版本)，这使得冷却液处理成本上升。对汽车公司和他们核心供应商来说明显受欢迎的反应之一是在特定的加工应用里完全免除冷却液的使用。这种干加工的新世界给刀具供应商提出了一系列挑战。

8 K6 K; q4 @( U: e

　　最近，已经出现了一些有关这个专题揭示速度、进给、涂层化学成分和其它参数的很充实的综合性很强的有用的技术文章。在这里我想集中论述在操作和商业含义上的汽车制造商的新‘干干加工观点’。

' x: P; y4 l, x

　　金属加工从业人员能很好理解有关冷却液使用的问题，但大多数不能理解有关除在刀具-工件接触面间技术挑战(例如排屑)之外的干加工问题。通常可以观察到流出的冷却液分散切屑，但压力超过3000磅/英寸2的高速冷却液也能帮助断屑，特别是软且连续的切屑会引起刀具-工件接触面上的麻烦。

3 _9 G: ^9 t1 }/ Y, M: } t

　　采用干切削工艺的零件的结果是机床比采用湿式加工零件的更热。你是否允许它们测量前在露天自然冷却？如果新加工的热零件经常放到周转箱，升高周围环境温度，是否零件充分冷却并正好足够允许精度检测？还有处置身边几十上百的零件会对操作工人增加额外负担。

# i/ u. N6 T8 [8 c

　　同许多刀具/工件的技术问题一起，这些潜在的问题需要陈述是否干加工能行。幸运地，有很多途径阐述这些问题。例如，压缩空气被证明在很多应用里排屑成为问题的场合有成功的反响。

　　另一个方案是叫做MQL(最小量润滑)的技术，它由应用代替传统冷却液的相当少量油雾构成。这是一个公认的折中方案，这种最小量技术会大幅度减少冷却液的头疼事，而且在许多应用里加工出的光洁度也很好。这个领域仍然有很多研究在做，而且刀具公司积极参与这样的研究是绝对必要的。如果他们不做将落后于竞争对手，处于不利的地位。

3 P7 a* K: k5 {! A

　　根据世界上工厂内具体情况设计出别的也许更好的方案。制造业从业人员可能仍然会问为什么他们要努力使用新发展的技术代替传统的已经经历数代人改进提高的冷却液方法，尤其因为实施干加工或半干加工产生的试验和失败可能引起更高的短期刀具成本。简明的答案是当刀片大约占典型加工零件成本的3%时，冷却液的成本(从购买到维护、储存、处理)会占零件成本的15%。

　　干加工也许不是对每个应用都适合，但象上面讨论的其它加工问题一样，需要从更宽的操作、环境和商业角度来评价。能帮助客户这样做的刀具公司将有竞争优势，而那些不能提供的将不断处于被动地位。

3 R& E3 S" _. C+ s + I5 N' _ ^" i& D

　　刀具和纳米技术

3 R. J+ L v8 ]5 n5 b: u3 T* C, H

　　一个能剧烈改变刀具工业的迷人的新领域是微型制造，或处理微小粒子形成所需的产品。要谈及的关于刀具微型制造的第一件事是它这里还没有；第二件要说的事是它并不遥远。

8 F. D3 J- A% }2 R 8 M5 C/ P. D( i7 e

　　为什么微型制造和刀具相关。因为最主要的是颗粒尺寸越小，硬质合金材料韧性越好且更耐磨。用纳米级颗粒(一些专家定义为小于0.2um，而其他人坚持纳米颗粒要小于0.1um)制造的硬质合金刀具原型已经做好并测试,据称耐磨性戏剧性地增加。问题是纳米级的硬质合金颗粒不能靠粉碎较大的材料形成，它们一定得通过更小的材料构成，而处理分子级粒子还不是一件容易的经济的事情。【MechNet】

; h" b/ [3 P4 s# Q( ]