山特維克超多涂層刀具材料介紹

　　經(jīng)過140余年的發(fā)展，山特維克集團在制造工藝方面已經(jīng)發(fā)展成為全球的領導者。憑借謹慎的開拓態(tài)度和高增值的產品和服務，今日的山特維克集團成功的擴展了其業(yè)務范圍，收入已經(jīng)攀升到1016億元人民幣。我們的機構遍及130個國家，在全球擁有四萬多位雇員。集團總部坐落在瑞典的山特維肯市，該集團早在19世紀就在這里起步了。集團的發(fā)展如此成功要歸功于其先進而廣泛的研究開發(fā)工作。集團每年要投入超過20億人民幣的資金用來做研究開發(fā)工作。集團擁有一個高效而鮮明的發(fā)展戰(zhàn)略并且在其從事的行業(yè)領域中都占據(jù)*地位。山特維克的客戶活躍在包括汽車、航空工業(yè)、采礦建筑行業(yè)、化工、石油和燃氣、動力、紙漿紙張、居家用品、電子、醫(yī)學技術以及醫(yī)療行業(yè)的很多領域當中。

　　作為山特維克集團所從事的行業(yè)之一，山特維克刀具在全球市場獨占鰲頭，山特維克刀具這一行業(yè)主要從事金屬切割工具和刀具設備的制造以及刀具刀片和刀桿的制造。該行業(yè)的產品由硬質合金，高速鋼以及包括鉆石和特殊陶瓷在內的其它硬質材料加工制造而成。

　　瑞典山特維克公司的新型GC1030硬質合*號是全球率先開發(fā)的TiAlN超多層涂層硬質合金刀具材料，它在模具材料的加工中，發(fā)揮出了提高加工效率、延長刀具壽命的*性能。

　　(1)模具材料變化帶來的問題

　　近年來，隨著模具材料的性能不斷提高，模具的壽命不斷延長，但同時模具材料的可加工性(切削和磨削)也越來越差。近年來，模具的加工方法發(fā)生了很大變化，正從機械加工→淬火→精加工的傳統(tǒng)加工方式向直接切削加工淬硬材料的方式轉變，從而減少了加工工序，降低了加工成本。對于SKD61等淬硬材料，直接切削加工不會出現(xiàn)太大問題；但對于近年來新開發(fā)的跨世紀的新型模具材料，則既無法提高切削條件，也難以保證刀具壽命。這是一個不能忽視的大問題。

　　(2)可切削性惡化的原因

　　當前，對應于各種不同的使用目的，對模具材料的性能進行了*優(yōu)化，其共同追求的性能特點是高硬度、高韌性、高耐蝕性、已加工表面光潔美觀、質量優(yōu)良等。為了滿足這些特性要求，需要采取添加各種合金元素、控制材料結晶組織、清除雜質等措施。但是，從切削刀具的角度來看待這些性能改進，就會發(fā)現(xiàn)它給刀具帶來了比切削抗力上升、因粘結導致刀尖損壞的危險性增大、易切削成分減少等難題。為了解決這些問題，就必須開發(fā)耐熱性、抗粘結性等切削性能優(yōu)異的刀具材料。

　　(3)開發(fā)新型刀具材料的必要性

　　為了解決上述問題，山特維克公司開發(fā)了銑削模具用涂層硬質合金材料。在銑削一般硬度材料時，可采用具有較高的耐熱性、耐磨性、化學穩(wěn)定性的涂層硬質合金刀具。而在銑削SKD61淬硬鋼時，使用以K類(GC3040)硬質合金作為基體、涂有M2O3涂層的刀具是*好的選擇。但是，這些刀具對于跨世紀的新型模具材料并不適用。用CVD法涂覆的涂層硬質合金刀具不能保持鋒利的切削刃，在涂層內部殘留有拉應力，在銑削粘而硬的模具材料時，在切削刃的涂層上容易產生微崩刃，并會逐步擴展為較大崩刃。

　　用2種PVD涂層刀具材料和3種CVD涂層刀具材料做了銑削DAC55(硬度HRC47)模具材料的刀具壽命對比試驗。3種CVD涂層材料是在不同基體材料表面涂覆不同厚度的TiN-Al2O3-TiCN三元涂層材料；2種PVD涂層材料是在不同基體材料上涂覆含Al比例不同的TiAlN涂層。觀察切屑厚度與刀具壽命的關系，可以看出，PVD-TiAlN涂層材料排在第1和第2位，尤其是含Al量多的PVD-TiAlN涂層材料的切削壽命優(yōu)于其他四種材料。TiAlN涂層之所以能獲得高耐熱性，是由于在涂覆過程中，Al與空氣中的氧反應生成氧化鋁的結果。但是，由于PVD涂層與基體的結合強度有一定限度，因此對于粘性材料的加工就不大適應。在切削DAC55工件材料(HRC47)的加工實例中(試驗刀具：R210-063Q22-14M；切削速度：Vc=50m/min；刀齒數(shù)：z=1；軸向切削余量：ap=1mm；徑向切削余量：ae=1mm；順銑；干切削；刀具壽命判斷標準：VB=0.2mm)，*長的刀具壽命也只有25分鐘。因此，需要開發(fā)高性能的新型涂層材料。

　　(4)超多層涂層的開發(fā)

　　山特維克公司幾年前就開始關注超多涂層的作用，推進車削刀片、整體硬質合金立銑刀用超多涂層的研究開發(fā)及商品化，為提高生產效率和刀具壽命做出了重大貢獻。所謂超多涂層，是將數(shù)微米厚的PVD或CVD涂層交替組合重疊涂覆的涂層構造，其優(yōu)點是涂層內部產生的微裂紋將在中途停止擴展，從而降低涂層脫落的可能性。而對于單層涂層來說，當涂層裂紋擴展到基體表面時，此處就成為涂層剝離的起點。因此可以說，不容易發(fā)生此類情況的涂層就是優(yōu)質涂層。

　　GC1030涂層牌號在4μm厚的PVD涂層內為多達數(shù)千層的超多層涂層構造，構成涂層的元素有鈦(Ti)、鋁(Al)和氮(N)。從涂層的整體結構來看，是一種超多層的TiAlN涂層；從微觀結構上看，是通過改變各層Ti和Al的配比并交替重疊組合而成的超多層TiAlN涂層，其結果是形成了具有高耐熱性的含Al成分高的涂層和高韌性涂層交替重疊的涂層構造。從整體上構成了*的高耐熱性和抗剝離性兼?zhèn)涞腡iAlN涂層材料。

　　(5)性能對比

　　用山特維克公司原有的TiAlN涂層刀片與GC1030超多層TiAlN涂層刀片進行了切削DAC3工件材料(HRC41)的性能對比試驗(切削速度：Vc=90m/min；每齒進給量：fz=0.15mm/齒；刀齒數(shù)：z=1；軸向切削余量：ap=2mm；徑向切削余量：ae=20mm；順銑；干切削)。原有TiAlN涂層中含Al成分較多，是一種具有高耐熱性的刀片。比較兩種刀片試驗后的切削刃可知，GC1030牌號TiAlN涂層刀片不僅加工時間長，且切削刃磨損很小，是一種性能優(yōu)異的超多層構造的TiAlN涂層材料。

　　GC1030涂層與其他公司含Al成分多的TiAlN涂層的切削對比試驗(試件材料仍為DAC3，切削速度：Vc=90m/min；每齒進給量：fz=0.13mm/齒；刀齒數(shù)：z=1；軸向切削余量：ap=3mm；徑向切削余量：ae=3mm；順銑；干切削)結果表明，其他公司的TiAlN刀具加工20分鐘后局部磨損很大，這是由于涂層(或涂層與基體的一部分)和積屑瘤剝離造成的。與此相反，GC1030超多層TiAlN涂層刀具加工時間超過50分鐘時仍未發(fā)現(xiàn)大的崩刃。由此可見，GC1030涂層可放心應用于如淬過火的DAC3那樣粘而硬的材料加工。此外，GC1030涂層材料在各種鈦合金加工中也優(yōu)于原有TiAlN涂層材料，可獲得很好的效果。雖然其因果關系的科學機理尚不清楚，但可以確定，超多層構造涂層對切削性能具有良好的正面影響，不僅適用于粘而硬的模具材料加工，對于飛機構件、醫(yī)療產品等的加工也是一種不錯的刀具材料。

　　山特維克公司將把GC1030超多層TiAlN涂層材料用于PVD涂層硬質合金銑削刀具。2006年春季應用于所有的可樂滿銑刀，到秋季應用于可樂滿245端面銑刀的新型切削刃刀片、可樂滿210大進給銑刀的正前角斷屑槽刀片和可樂滿300低切削抗力圓刀片機夾銑刀的磨削級正前角刀片等，使GC1030型超多層TiAlN涂層材料逐步擴大應用范圍，并占據(jù)主導地位。