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齿轮量仪的现状与发展

更新日期:2006-09-05  作者:石照耀   来源:《工具展望》

  关于提高AlTiN涂层中铝的含量及其效果的争议一直持续不断。但有一点可以肯定:那就是提高AlTiN涂层的铝含量后,有利于改善刀具的性能。当然,用户应区分真实效果和夸大宣传的差别,并且应该懂得,最佳的涂层随使用条件而异,就象刀具的几何角度和基体一样。

  工业界的专家认为,AlTiN涂层适用于在高速和干式切削(或近似干式切削)的条件下,加工不锈钢、钛、高温超级合金的淬硬材料。

图1 Balzers公司的AlTiN纳米结构涂层--Balinit Futura Nano,在高速、大进给干式切削中,用于钻头、铣刀和铰刀,优点十分显著

  Ion Bond公司(一家物理和化学气相沉积设备的供应商)的高级开发工程师Haron Gekonde说:“AlTiN涂层在刀具/工件接触区温度高达800℃至900℃时,仍能保持其硬度。”这是AlTiN涂层的主要优点。因为前面提到的被加工材料都会在切屑剪切区产生大量的热。当然,在AlTiN涂层中的铝含量多少最合适,还是有争议。

  不断克服前进中的障碍

  尽管刀具涂层的开发取得了巨大的成功,但是广大的刀具涂层技术人员没有以此为满足。难加工合金不断进入工业领域,刀具涂层市场的竞争仍然十分激烈。Carboloy公司的车削工具部主任Don Graham说:“大家都在跳跃式的前进,彼此你追我赶超过对手。最佳的涂层在市场上只能维持4~6个月的领先地位,很快就会有更好的涂层问世。”

  改进AlTiN涂层的方法之一就是提高铝含量。(美国)表面工程涂层协会前主席、现任Teefer市场服务公司总裁Fred Teefer说:“提高铝含量可使涂层在高温下保持较高的强度,并且能提高抗氧化能力。”

图2 当刀具/工件接触区的温度超过749℃时,铝原子会穿过涂层晶格到达刀具表面。在该处铝和氧发生反应,形成一套氧化铝薄膜。这层氧化皮保护了涂层,防止其进一步氧化。

  最流行的说法是,当刀具/工件接触区温度超过约749℃时,铝会“抓取”空气中的氧,使涂层的外表面转化成氧化铝,形成一层氧化皮。Carboloy公司的车削工具部主任Don Graham解释说:“每个人都相信这种说法是正确的,但迄今未得到客观证实。”这种氧化铝薄膜层能阻止进一步地氧化,并能在刀具/工件接触区产生高温时起保护刀具的作用。

  然而,提高铝含量说起来容易,做起来却很难。在PVD中,常用直流法将AlTiN涂覆到刀具上,但这种方法在涂层中的铝含量超过65%时,会产生电绝缘障碍而无法有效地进行。

  Isoflux涂层设备制造公司总裁Dave Glocker解释说:“在涂层出现电绝缘时,单纯的100伏左右的直流偏压将不起作用,因为直流电压无法从绝缘材料上导出。所以必须改变工艺方法,以便能在绝缘体上加上偏压,也就是要在基体上加上交流或脉冲直流偏压,或者使用射频工艺。”与此同时他还指出,生产铝含量超过65%的AlTiN涂层时,还有一个额外的问题。例如在一个含铝70%的铝氮靶上溅射时,靶的表面也会形成电绝缘。所以,你可能既要对付一个绝缘的涂层,又要对付靶上的绝缘层。为了克服这些问题,涂层设备应具备沉积电绝缘材料的能力。Glocker说:“做到这一点是可能的,我们能做,其它公司也能做。但涂层设备不是目前在工业中使用的传统型设备。”

  关于冷却液的一些考虑

  生产高铝含量AlTiN涂层的设备可能变得日益普遍使用。因为很多零部件制造商利用干式切削或近似干式切削来达到环保要求,以减少生产费用。更加耐热的AlTiN涂层,使切屑离开工件时带走更多的热量。这样,为了降低刀具/工件接触区的温度而使用冷却液的要求会变得很小,甚至可以不用,这对加工镍基合金特别有利,因为此时切削刃处的温度可能高达816℃。美国Teefer市场服务公司总裁Teefer指出,虽然冷却液、过滤设备和处置费用占车间费用的15%,但减少冷却液消耗的主要动力是为了遵守环境法规。他指出,冷却液用得越少,零件需要清理的也越少。Isoflux涂层设备制造公司总裁Dave Glocker同意这种看法,并补充说:“同时也节省费用。”

  超级氮化物涂层

  目前已经有一系列的刀具使用含铝超过65%的AlTiN涂层,例如,Carboloy公司的涂层铝含量为67%,Ion Bcnd公司的涂层铝含量为70%,Ceme Con公司则在2002年7月宣布开发了一种用于生产超级氮化物涂层的工艺,含铝量达到80%。

  据Ceme Con公司的技术经理Rainer Cremer介绍,超级氮化物是一种极细颗粒、致密结构的立方晶格金属氮化物基的硬质涂层。

  上述涂层是由Ceme Con公司开发的高度离子化脉冲工艺(H.I.P)生产的,这种工艺基于复式阴极、双极性、磁控溅射原理。脉冲产生的极高密度等离子体直接导向刀具,对正在生成的薄膜进行高度离子轰击,从而改善了涂层质量。

  Cremer指出,H.I.P工艺既可在直流偏压下工作,也可在脉冲偏压下工作,这取决于涂层的导电性。H.I.P工艺可以沉积非导电体涂层,因为双极性法可使刀具和阴极进行有效的周期放电。

  Cremer还指出,AlTiN涂层的硬度随含铝量的增加而提高,但是含铝80%氮化铝的切削性能是否最佳,有待进一步研究。

  关于硬度问题

  对于铝含量超过50%涂层,尽管有时仍按原来叫法称为TiAlN,但有些公司已把提高铝含量的涂层称为AlTiN,以区别于原来的TiAlN。例如Melin工具公司自2002年6月起就停止使用原来的标准TiAlN涂层,并推荐用AlTiN涂层来替代。TiAlN涂层的硬度为2600HV,而AlTiN涂层的硬度可达4500HV。

图3 多涂层超级氮化物AlTiN涂层的显微组织

  但是,对AlTiN硬度方面的见解并不统一,因为铝含量并不是影响硬度的唯一因素。Balzers公司的研究开发部经理Wolfgang Kalss就不相信随着铝含量上升,涂层硬度相应提高这种观点。他说:“把铝含量提高到超过65%是可能的。但是提高铝含量后,也会形成较软的AlN相,使硬度降低。”他还补充谈到,Balzers曾收集分析各种数据,发现在铝、钛比达到1:1时,涂层硬度最高。

  虽然对AlTiN涂层在切削过程中的硬度值存在争议,但是对于涂层表面在切削过程中氧化形成Al2O3覆盖层的说明却没有分歧。冶金工艺公司的销售经理Kris Lang说:“因为切削过程中形成了氧化物覆盖层,使脆性的涂层在抗热性提高的同时也提高了硬度。”

  他补充说明,AlTiN涂层刀具的理想工作速度为183~244m/min,主轴转速为20000~40000r/min或更高,并且切削深度较浅。在这种条件下工作,生产效率较高,主轴所受压力较小,表面较光洁,切屑较细有利于带走较多的切削热。这对切屑下侧的涂层耐久性要求也不象低速切削那么高。这种工作条件对于切削可加工性标准值低达7~8%镍基合金来说是很需要的。

  AlTiN涂层中还可加入碳,这样在切削镍基合金时可增加刀具韧性。Lang补充说,正在进行的一项试验是在涂层中加入硅,作为粘结剂强化涂层的显微结构,以改善其性能。

图4 CC800/9.I.P炉子有一个高压脉冲刻蚀阶段,对工件进行涂前清理。这个功能对于形状复杂的刀具(铰刀、复合立铣刀)等特别有利

  Lang指出,随着越来越多的厂家购买加工中心,AlTiN涂层刀具的使用也增加了。他的公司已有40%的涂层采用AlTiN,其中的40%两年前已开始使用。尽管如此,还应了解某种AlTiN涂层和另一种AlTiN涂层性能各不相同。而且,在不同的使用条件下,AlTiN涂层并不总是最经济的或最佳的选择。

  Lang说:“铝基涂层的种类很多,要找出一种标准的常用涂层,并且要求它对各种具体的使用条件都达到最佳性能却十分困难。实际上,涂层的成分应随具体使用条件而变。本公司有能力按用户需要设计涂层。包括涂层的显微结构、主要成分、涂层的总体布置(如单层、多层或梯度涂层等)及涂层厚度。”他最后指出,要把涂层看成是刀具的一个组成部分,就象刀具的基体和几何角度那样,是可以通过调整来获得最佳性能。

  研究工作在继续

  对使用者来说,不管涂层的成分如何,但要求性能和效率不断提高。Balzers公司的Kalss说:“为提高涂层的抗氧化能力,我们正在探索多种可能性。提高铝含量是方法之一,还有改进涂层的成分和涂层的结构等。”这些方法还包括在高速干式切削时,在涂层中加入金属和非金属元素,以提高涂层性能。

  在AlTiN涂层沉积的刀具数量日益增加的同时,一项旨在开发含100%氧化铝的PVD工艺正在研究之中,Kalss说:“有PVD沉积氧化铝是一个热门话量,所有的刀片制造商都在寻求这个答案。”

  然而,究竟何时才能用PVD法涂覆Al2O3仍然无法确定(CVD涂覆Al2O3很普遍,但其效果不及低温沉积的PVD方法好)。

  与此同时,各公司用钛合金和镍基合金来制造零件日益增多,特别是航空航天、核工业和医药工业。所以将会继续寻求在基体、几何参数和涂层多方面综合优化的刀具来满足其特定的需求。

  Isoflux公司的Glocker说:“这些AlTiN涂层都是新近才开发的,说明涂层的优化改进工作仍在不断的进行之中。”

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