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当新型PVD刀具涂层AlCrN的应用

发布时间:2021-09-14 17:44:16 阅读: 来源:刻线机厂家

新型PVD刀具涂层AlCrN的应用

TiAlN和AlTiN是将Al元素沉积到TiN中而形成的PVD刀具涂层。迄今为止,通过增加TiAlN、AlTiN涂层中的铝含量,从而增强刀具涂层的耐高温性能和硬度,一直是刀具制造商和涂层公司关注的重大技术课题。自1995年以来,人们一直在持续不断地研究和改进相关的气相沉积还要进行全面、多层次的节能技术改造工艺。到2000年,TiAlN和AlTiN涂层中铝元素与钛元素的成分比例已从原来的1∶2提高到3∶2,即铝含量已从33%增加到60%。

为了进一步提高涂层中的铝含量,总部位于列支敦士登的巴尔查斯(Balzers)涂层公司经过大量研究开发,发明了用铬元素取代钛元素的涂层技术,并于2004年推出了商品名为“Balinit Alcorna”的单层AlCrN涂层。AlCrN涂层的铝含量比一般的AlTiN涂层更高,适用于包括齿轮滚刀、立铣刀、铣刀片在内的多种高速钢和硬质合金刀具。此外,它也可以用于车削刀具,但仅限于耐热性和扩散稳定性极好的基体材料,如PCBN和Si3N4陶瓷。在EMO Hannover 2005展览会上,巴尔查斯公司又推出了商品名为“Balinit Helica”,专为孔加工刀具设计的多层AlCrN涂层。这种超光滑涂层可应用于任何硬质合金或高速钢钻头上,从而显著增强了钻头的耐磨性和剪切强度,并有利于提高钻头的排屑性能。

在扫描电子显微镜(SEM)下观察硬质合金基体上Balinit Alcor而对操作实验机的技术看na涂层的剖面微观结构时,可以清楚地看到厚度为3~4μm,呈连续结构的单层涂层;而在Balinit Helica涂层的SEM图像中,多层涂层结构清晰可辨。Helica多层涂层的总厚度约为4μm,但对于直径小于1/8″的小钻头,涂层厚度以1~2μm更为适宜。

虽然100%的Al2O3(纯氧化铝)PVD涂层可为切削刀具提供最佳的热防护作用(在切削加工时,AlTiN和AlCrN涂层中的AlN成分将“转化”为Al2O3),但是这种涂层的应用范围十分有限。虽然PVD Al2O3涂层技术已经获得了专利,且已能在使用交流电源(或脉冲直流电源)的实验室规模小型反应炉上对刀具进行Al2O3 PVD涂层,但目前在商业化规模的大型反应炉上实现Al2O3 PVD涂层仍然存在不少问题。这是工业和信息化部原材料工业司副司长骆铁军1行来创新团体调研1季度工业经济运行情况因为Al2O3与其它可导电涂层材料不同,它是一种绝缘体。因此,采用等离子沉积原理的PVD涂层工艺在涂层沉积过程中需要外加偏置电压,即在被涂刀具与等离子靶源之间必须存在一定的电势差。总之,氧化铝的绝缘特性使PVD工艺相当难于控制,此外,PVD Al2O3涂层的经济性也较差。[注:德国瓦尔特公司(Walter AG)已在EMO 2005展览会上推出了名为Tiger tec的PVD Al2O3涂层。]

由于受到涂层结构稳定性的限制,AlTiN涂层中的铝含量实际已达到最大值(约65%)。在TiN基涂层中,铝含量过高会引起涂层晶体结构由立方晶格转化为六方晶格;而在CrN基涂层中,铝含量可以进一步提高而不会引起AlCrN涂层的晶体结构发生改变。

与其它涂层一样,AlCrN涂层的抗变形能力也取决于涂层材料的晶格形状。具有立方晶格的涂层能够保持很高的红硬性,即当涂层暴露于刀具/工件界面的切削高温中时仍能保持其高硬度。一旦涂层的晶体结构转变为六方晶格,就会因抗变形能力下降而使硬度降低。TiAlN涂层的硬度在约800℃时即大幅下降,AlTiN涂层在温度不到900℃时也会出现硬度降低的现象;而AlCrN涂层在温度达到1100℃时仍可保持其硬度。即使在1100℃的高温下,AlCrN涂层也能保护刀具基体不发生氧化。Balzers公司AlCrN系列涂层在50g核定负荷下的硬度水平可达到近年2800~3200HV。

由于AlCrN涂层的高红硬性使其在极高的热负荷下仍可保持性能稳定,因此AlCrN涂层刀具比其它类型涂层刀具的加工性能更为优异,尤其在高速切削、干式(或准干式)切削加工条件下更具优势。例如,Balzers公司切削实验室进行的切削试验证明,当分别以200m/min和400m/min的切削速度对Ck45钢工件进行精铣加工时,AlCrN涂层铣刀的使用寿命远远高于TiAlN涂层铣刀。不过也有例外,在加工高硬度(≥54HRC)工件材料(如模具钢)时,AlTiN涂层的性能要优于AlCrN涂层(刀具寿命延长20%~40%,而刀具价格降低约25%)。但在加工硬度较低(<54HRC)的材料(如合金钢、铸铁)以及粘性较大的材料(如低碳钢、不锈钢)时,AlCrN涂层的切削效能则明显高于AlTiN涂层(在切削速度和进给量相当的情况下,刀具寿命可提高25%~100%)。

此外,AlCrN涂层也被推荐用于加工产生长切屑的工件材料(如不锈钢),这是因为长切屑在成形时与刀具的前刀面有更多接触,刀具与工件接触程度的增加会产生大量切削热。而AlCrN涂层的摩擦系数较小,可降低刀具与切屑之间的粘附性,起到减少切削热的作用。

此外,与TiN基涂层相比,AlCrN涂层在加工时可导致刀具磨损和切屑成形方式的改变,即AlCrN涂层刀具的后刀面磨损(VB)明显小于TiAlN涂层刀具,且磨损槽的宽度(KB)也较小,但磨损槽的深度(KT)却有所增大。发生这种变化的原因是由于用AlCrN涂层刀具

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