高性能切削領(lǐng)域最先進濺射技術(shù)研究
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本文從技術(shù)的角度對應(yīng)用于高性能切削（HPC）領(lǐng)域的最先進濺射技術(shù)（高電離濺射，H.I.S）進行了綜合闡述并簡要介紹了涂層領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢。 據(jù)專家分析，在未來五年內(nèi)，高速切削、硬加工及干式切削等現(xiàn)代切削方式將在全球、尤其是中國獲得廣泛應(yīng)用。為滿足生產(chǎn)效率的需要，無論是機床制造商或是刀具制造商均必須為此作好充分準(zhǔn)備。而涂層則在其中扮演著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。值得指出的是：考慮到未來對切削刀具各種需求的增加，刀具制造商不得不將刀具視為一個系統(tǒng)來對待。刀具基體材料、幾何形狀、刃口的處理以及涂層必須根據(jù)不同應(yīng)用條件進行系統(tǒng)匹配。除此之外，切削參數(shù)也是必須綜合考慮的因素之一。如果切削參數(shù)變得非�？量�，那么僅僅依靠改變涂層將無法獲得理想的性能結(jié)果。 目前人們將研究重點放在了對（Ti，Al）N基涂層的改進上以滿足應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χT如抗氧化性能、熱穩(wěn)定性能及熱硬度等需求的不斷提高。目前通過采用高電離濺射技術(shù)（H.I.S）可獲得最先進的（Ti，Al）N涂層，測試結(jié)果顯示這種涂層與不同的基體材料均具有極佳的結(jié)合力且尤其適合于高性能切削領(lǐng)域（HPC）。與其它PVD技術(shù)（如ARC技術(shù)）不同的是，H.I.S技術(shù)可直接將被蒸發(fā)材料從固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，因此可根本避免采用ARC技術(shù)時蒸發(fā)材料在熔融狀態(tài)中以液滴的形式沉積于工件表面的現(xiàn)象，從而通過H.I.S獲得的涂層具有表面非常光滑平整的特點。這一點對于那些需要很好的切屑流和高切屑去除率的應(yīng)用場合來說非常重要。H.I.S另一個優(yōu)點是，由于被蒸發(fā)材料在沉積過程中直接從固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，因此對材料的選擇幾乎沒有任何限制，換句話說，這意味著即使是非導(dǎo)電材料也可用做被蒸發(fā)材料。正是基于此靈活性，H.I.S技術(shù)成為未來創(chuàng)新性涂層開發(fā)過程中一種最具潛力的涂層技術(shù)。 目前，推出了一種稱為Supernitrides的新的涂層種類。Supernitrides最顯著的特征在于其致密的納米組分結(jié)構(gòu)，同時成分中含有可生成不同氧化物的高含量元素。這類涂層將硬質(zhì)涂層卓越的抗磨損性能及傳統(tǒng)的氧化涂層所具有的化學(xué)穩(wěn)定性完美地結(jié)合起來，在應(yīng)用中表現(xiàn)出極佳的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。值得一提的是，這一代表著未來發(fā)展趨勢的涂層種類只能通過“等離子輔助濺射技術(shù)”如H.I.S或H.I.P（高電離脈沖）獲得。涂層的形態(tài)及構(gòu)成（如鋁含量、結(jié)構(gòu)、表面光潔程度等）可根據(jù)應(yīng)用需要進行最佳設(shè)計。對不同的被加工材料如CGI、42CrMo4、鑄鐵、工具鋼等進行的鉆、銑、滾削和車削加工測試結(jié)果證實了（Ti，Al）N基Supernitrides的優(yōu)越性能。 出色的熱穩(wěn)定性、極佳的熱硬度和抗氧化性能，再加上合適的韌性，使得加工過程中產(chǎn)生的大量熱被切屑帶走。涂層中的鋁含量越高，切削過程中表面產(chǎn)生Al2O3薄膜的速度越快，從而對刀具起到更為有效的保護作用。從對42CrMo6材料進行車削加工的案例可以看到，切屑的彎曲度很大，這種形狀有利于切屑帶走大量的熱量。根據(jù)鋁含量的狀況，熱穩(wěn)定溫度和相應(yīng)的化學(xué)穩(wěn)定溫度可達到1100℃。鋁含量越高，化學(xué)穩(wěn)定性越好。通過顯微圖片可以看出這些鋁含量為63%的薄膜呈納米組分結(jié)構(gòu)。與此同時，涂層硬度可提高到3.500～3.700Vickers左右。 有一種用于低硅鋁合金和有色金屬材料加工的硼基（boron）涂層，這種涂層目前也僅可通過高電離脈沖技術(shù)（H.I.P）獲得。稱之為TiBx或TiBN的涂層非常不容易與鋁粘結(jié)，即與鋁的親和力很低，從而可以避免在鋁加工過程中最為頭痛的積屑瘤問題。但同時要注意的是，刀具表面的光滑狀況是成功進行鋁加工的一個至關(guān)重要的因素，刀具表面保持較低的粗糙度，使得流動的切屑無法獲得機械性黏結(jié)于刀具表面的任何機會。這個事例也說明了刀具本身表面形態(tài)及涂層表面狀況將共同影響整個切削過程。歐洲有些刀具制造商建議在進行鋁加工時采用后刀面進行過拋光處理的刀片。當(dāng)然，對于這種應(yīng)用場合，除了對表面進行拋光處理外，還同時需要其它很多專有技術(shù)的配合。針對航空鋁合金的加工實例表明：不僅刀具的使用壽命獲得了顯著提高，同時切削速度和進給分別提高了2倍和6倍。在航空工業(yè)中采用這種稱為Aluspeed的（Ti，B）基涂層，可以大幅度地提高生產(chǎn)率。 隨著未來將有越來越多的纖維和微粒增強材料及金屬復(fù)合材料在汽車制造行業(yè)中被采用，那些具有較高抗磨損性能的材料（如金剛石）將會在提高機械加工生產(chǎn)率方面發(fā)揮獨到作用。對于EDM石墨電極加工等研磨磨損為主要磨損形式的應(yīng)用場合，金剛石涂層是最佳選擇。 正如ISCAR公司總裁Jacob Harpaz先生所說，在中國的汽車工業(yè)中，高硅鋁合金材料（Si＞8%）將發(fā)揮越來越重要的作用。為了使刀具獲得非常光滑平整的表面以防止積屑瘤和鋁材料的堆積，非常有必要采用納米晶體結(jié)構(gòu)的金剛石涂層。 |