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齒輪量儀的現狀與發展

更新日期:2006-09-05  作者:石照耀   來源:《工具展望》

  關于提高AlTiN涂層中鋁的含量及其效果的爭議一直持續不斷。但有一點可以肯定:那就是提高AlTiN涂層的鋁含量后,有利于改善刀具的性能。當然,用戶應區分真實效果和夸大宣傳的差別,并且應該懂得,最佳的涂層隨使用條件而異,就象刀具的幾何角度和基體一樣。

  工業界的專家認為,AlTiN涂層適用于在高速和干式切削(或近似干式切削)的條件下,加工不銹鋼、鈦、高溫超級合金的淬硬材料。

圖1 Balzers公司的AlTiN納米結構涂層--Balinit Futura Nano,在高速、大進給干式切削中,用于鉆頭、銑刀和鉸刀,優點十分顯著

  Ion Bond公司(一家物理和化學氣相沉積設備的供應商)的高級開發工程師Haron Gekonde說:“AlTiN涂層在刀具/工件接觸區溫度高達800℃至900℃時,仍能保持其硬度。”這是AlTiN涂層的主要優點。因為前面提到的被加工材料都會在切屑剪切區產生大量的熱。當然,在AlTiN涂層中的鋁含量多少最合適,還是有爭議。

  不斷克服前進中的障礙

  盡管刀具涂層的開發取得了巨大的成功,但是廣大的刀具涂層技術人員沒有以此為滿足。難加工合金不斷進入工業領域,刀具涂層市場的競爭仍然十分激烈。Carboloy公司的車削工具部主任Don Graham說:“大家都在跳躍式的前進,彼此你追我趕超過對手。最佳的涂層在市場上只能維持4~6個月的領先地位,很快就會有更好的涂層問世。”

  改進AlTiN涂層的方法之一就是提高鋁含量。(美國)表面工程涂層協會前主席、現任Teefer市場服務公司總裁Fred Teefer說:“提高鋁含量可使涂層在高溫下保持較高的強度,并且能提高抗氧化能力。”

圖2 當刀具/工件接觸區的溫度超過749℃時,鋁原子會穿過涂層晶格到達刀具表面。在該處鋁和氧發生反應,形成一套氧化鋁薄膜。這層氧化皮保護了涂層,防止其進一步氧化。

  最流行的說法是,當刀具/工件接觸區溫度超過約749℃時,鋁會“抓取”空氣中的氧,使涂層的外表面轉化成氧化鋁,形成一層氧化皮。Carboloy公司的車削工具部主任Don Graham解釋說:“每個人都相信這種說法是正確的,但迄今未得到客觀證實。”這種氧化鋁薄膜層能阻止進一步地氧化,并能在刀具/工件接觸區產生高溫時起保護刀具的作用。

  然而,提高鋁含量說起來容易,做起來卻很難。在PVD中,常用直流法將AlTiN涂覆到刀具上,但這種方法在涂層中的鋁含量超過65%時,會產生電絕緣障礙而無法有效地進行。

  Isoflux涂層設備制造公司總裁Dave Glocker解釋說:“在涂層出現電絕緣時,單純的100伏左右的直流偏壓將不起作用,因為直流電壓無法從絕緣材料上導出。所以必須改變工藝方法,以便能在絕緣體上加上偏壓,也就是要在基體上加上交流或脈沖直流偏壓,或者使用射頻工藝。”與此同時他還指出,生產鋁含量超過65%的AlTiN涂層時,還有一個額外的問題。例如在一個含鋁70%的鋁氮靶上濺射時,靶的表面也會形成電絕緣。所以,你可能既要對付一個絕緣的涂層,又要對付靶上的絕緣層。為了克服這些問題,涂層設備應具備沉積電絕緣材料的能力。Glocker說:“做到這一點是可能的,我們能做,其它公司也能做。但涂層設備不是目前在工業中使用的傳統型設備。”

  關于冷卻液的一些考慮

  生產高鋁含量AlTiN涂層的設備可能變得日益普遍使用。因為很多零部件制造商利用干式切削或近似干式切削來達到環保要求,以減少生產費用。更加耐熱的AlTiN涂層,使切屑離開工件時帶走更多的熱量。這樣,為了降低刀具/工件接觸區的溫度而使用冷卻液的要求會變得很小,甚至可以不用,這對加工鎳基合金特別有利,因為此時切削刃處的溫度可能高達816℃。美國Teefer市場服務公司總裁Teefer指出,雖然冷卻液、過濾設備和處置費用占車間費用的15%,但減少冷卻液消耗的主要動力是為了遵守環境法規。他指出,冷卻液用得越少,零件需要清理的也越少。Isoflux涂層設備制造公司總裁Dave Glocker同意這種看法,并補充說:“同時也節省費用。”

  超級氮化物涂層

  目前已經有一系列的刀具使用含鋁超過65%的AlTiN涂層,例如,Carboloy公司的涂層鋁含量為67%,Ion Bcnd公司的涂層鋁含量為70%,Ceme Con公司則在2002年7月宣布開發了一種用于生產超級氮化物涂層的工藝,含鋁量達到80%。

  據Ceme Con公司的技術經理Rainer Cremer介紹,超級氮化物是一種極細顆粒、致密結構的立方晶格金屬氮化物基的硬質涂層。

  上述涂層是由Ceme Con公司開發的高度離子化脈沖工藝(H.I.P)生產的,這種工藝基于復式陰極、雙極性、磁控濺射原理。脈沖產生的極高密度等離子體直接導向刀具,對正在生成的薄膜進行高度離子轟擊,從而改善了涂層質量。

  Cremer指出,H.I.P工藝既可在直流偏壓下工作,也可在脈沖偏壓下工作,這取決于涂層的導電性。H.I.P工藝可以沉積非導電體涂層,因為雙極性法可使刀具和陰極進行有效的周期放電。

  Cremer還指出,AlTiN涂層的硬度隨含鋁量的增加而提高,但是含鋁80%氮化鋁的切削性能是否最佳,有待進一步研究。

  關于硬度問題

  對于鋁含量超過50%涂層,盡管有時仍按原來叫法稱為TiAlN,但有些公司已把提高鋁含量的涂層稱為AlTiN,以區別于原來的TiAlN。例如Melin工具公司自2002年6月起就停止使用原來的標準TiAlN涂層,并推薦用AlTiN涂層來替代。TiAlN涂層的硬度為2600HV,而AlTiN涂層的硬度可達4500HV。

圖3 多涂層超級氮化物AlTiN涂層的顯微組織

  但是,對AlTiN硬度方面的見解并不統一,因為鋁含量并不是影響硬度的唯一因素。Balzers公司的研究開發部經理Wolfgang Kalss就不相信隨著鋁含量上升,涂層硬度相應提高這種觀點。他說:“把鋁含量提高到超過65%是可能的。但是提高鋁含量后,也會形成較軟的AlN相,使硬度降低。”他還補充談到,Balzers曾收集分析各種數據,發現在鋁、鈦比達到1:1時,涂層硬度最高。

  雖然對AlTiN涂層在切削過程中的硬度值存在爭議,但是對于涂層表面在切削過程中氧化形成Al2O3覆蓋層的說明卻沒有分歧。冶金工藝公司的銷售經理Kris Lang說:“因為切削過程中形成了氧化物覆蓋層,使脆性的涂層在抗熱性提高的同時也提高了硬度。”

  他補充說明,AlTiN涂層刀具的理想工作速度為183~244m/min,主軸轉速為20000~40000r/min或更高,并且切削深度較淺。在這種條件下工作,生產效率較高,主軸所受壓力較小,表面較光潔,切屑較細有利于帶走較多的切削熱。這對切屑下側的涂層耐久性要求也不象低速切削那么高。這種工作條件對于切削可加工性標準值低達7~8%鎳基合金來說是很需要的。

  AlTiN涂層中還可加入碳,這樣在切削鎳基合金時可增加刀具韌性。Lang補充說,正在進行的一項試驗是在涂層中加入硅,作為粘結劑強化涂層的顯微結構,以改善其性能。

圖4 CC800/9.I.P爐子有一個高壓脈沖刻蝕階段,對工件進行涂前清理。這個功能對于形狀復雜的刀具(鉸刀、復合立銑刀)等特別有利

  Lang指出,隨著越來越多的廠家購買加工中心,AlTiN涂層刀具的使用也增加了。他的公司已有40%的涂層采用AlTiN,其中的40%兩年前已開始使用。盡管如此,還應了解某種AlTiN涂層和另一種AlTiN涂層性能各不相同。而且,在不同的使用條件下,AlTiN涂層并不總是最經濟的或最佳的選擇。

  Lang說:“鋁基涂層的種類很多,要找出一種標準的常用涂層,并且要求它對各種具體的使用條件都達到最佳性能卻十分困難。實際上,涂層的成分應隨具體使用條件而變。本公司有能力按用戶需要設計涂層。包括涂層的顯微結構、主要成分、涂層的總體布置(如單層、多層或梯度涂層等)及涂層厚度。”他最后指出,要把涂層看成是刀具的一個組成部分,就象刀具的基體和幾何角度那樣,是可以通過調整來獲得最佳性能。

  研究工作在繼續

  對使用者來說,不管涂層的成分如何,但要求性能和效率不斷提高。Balzers公司的Kalss說:“為提高涂層的抗氧化能力,我們正在探索多種可能性。提高鋁含量是方法之一,還有改進涂層的成分和涂層的結構等。”這些方法還包括在高速干式切削時,在涂層中加入金屬和非金屬元素,以提高涂層性能。

  在AlTiN涂層沉積的刀具數量日益增加的同時,一項旨在開發含100%氧化鋁的PVD工藝正在研究之中,Kalss說:“有PVD沉積氧化鋁是一個熱門話量,所有的刀片制造商都在尋求這個答案。”

  然而,究竟何時才能用PVD法涂覆Al2O3仍然無法確定(CVD涂覆Al2O3很普遍,但其效果不及低溫沉積的PVD方法好)。

  與此同時,各公司用鈦合金和鎳基合金來制造零件日益增多,特別是航空航天、核工業和醫藥工業。所以將會繼續尋求在基體、幾何參數和涂層多方面綜合優化的刀具來滿足其特定的需求。

  Isoflux公司的Glocker說:“這些AlTiN涂層都是新近才開發的,說明涂層的優化改進工作仍在不斷的進行之中。”

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