刀具涂层技术的演变

作者：Don Graham-Manager

欢迎访问e展厅 展厅 5 刀具相关产品展厅 刀柄, 刀具管理系统, 成型刀具, 复合刀具, 非标刀具, ... 很少有材料能够像硬质合金钨粘合剂那样，给我们的经济、我们的工业文化带来如此大的冲击。兼具硬度和磨损防护，这样的材料被用在有趣多样的产品上，比如圆珠笔、鱼竿引导环、磨损零件，牙齿钻孔机、穿甲弹的壳芯和大多数重要的切削刀具。几乎所有的产品，我们驾驶的、穿的、甚至食用的，都是由硬质合金制造而来，或是经过硬质合金的加工处理。尤其是，生产力的进步可以归功于硬质合金刀具使得这些产品因为大量生产而让我们能够负担。 历史概述 刀具超过160 年的发展，以进化的过程为特征，不断被周期性的革命进步所打断。回溯十九世纪中期，用于金属加工的刀具由高碳钢制作而成，切削速度被限制在大约25 sfpm。第一次激动人心的爆发是伴随着高速钢（HSS）刀具的传入，在大约50 年之后到来。这次发展使得切削速度提高到大约100sfpm ——效率方面得到了戏剧性的增长。HSS 刀具在今天仍然存在，并且在世界刀具领域有着很重要的地位。然而，相比较而言，在20、30 年代，当一种更具生产能力的刀具材料——碳化钨硬质合金或者硬质金属出现并慢慢开始获得市场接受的时候，相比较而言，HSS 刀具的重要性有所下降。 WC-Co 合金（或者材质，就像他们通常所称的那样）是由小而硬的钨微粒，经过强度足够的钴粘合、接合的复合材料。合金碳的结构有点类似于砖墙，钨起着砖的作用，钴就好比涂抹在砖上用来粘合砖块的水泥。在这个例子中，砖块随意放置，而不是像一堵墙，方向统一。研究表明，对于碳化钨来说，钴是最有效的粘合剂，因为钴具有粘合钨微粒的能力，以及内在的强度。含有的钴越多，强度等级就越高，磨损率越低。 许多硬质合金的材质，尤其是在那些铁（铁合金）方面的应用，以一小部分的碳化钛、钽、铌。这些合金增加了抗变形能力，也使得合金的结构得以控制。更重要的是，他们减少了合金刀具、工件之间的化学反应（缩孔），尤其在工件是钢或者铸铁的时候。 涂层 切削刀具中最令人印象深刻的发展之一（有一个非常明晰的结果：是革命而非进化），发生在1969 年，化学气相沉积（CVD）涂层第一次被使用在合金刀具上。在借鉴、略加调整这项广泛用于珠宝行业的技术后，刀具的制造商将钛合金刀具涂层引入制造业领域。这些涂层使得机器操作者能加倍提高他们的切削速度（达到500sfpm），同时刀具寿命得到了五倍延长。制造业如同一块海绵吸收技术，全神贯注于这些刀具，永不回头。 钛合金涂层出现不久之后，钛铌合金涂层也出现了，它拥有富有魅力的金色，同时具有出色的耐腐蚀性。最终，在1973 年，单层铝氧化物 (Al2O3）涂层出现在眼前，允许更高的切削速度（1000sfpm），同时提高了生产力。 物理气相沉积（PVD）涂层在80 年代获得了接受。最初主要用于切削高温合金和钛合金，现在也被用于不锈钢以及传统钢。今天，涂层技术意义重大，超过95% 被用于加工铁（铁合金）材料的碳化刀具是有涂层的。 每种不同的涂层材料有不同的特殊性能和优势（详见表1），把这些材料结合成单一、多层次的涂层（详见图示1），从而能够获得钛合金和氧化铝两种涂层的优势。这样的产品在70 年代后期出现。因此你可以期待，它们可以有更强的多功能性，更高的效率和更长的刀具寿命。 近期发展 最近最激动人心的发展来自原子水平的结构控制。性能有了重大增进就是结果。同时也增加了宽泛范围的切削环境的可靠性。 现代机床有不断提高速度的能力，有使用最小的润滑油技术，对于干式切削有着极大的兴趣，结果，新的需求在刀具制造商身上发生了。这些需求的最新反馈关乎于涂层结构的细节，尤其是Al2O3涂层。 在叙述这些细节之前，需要提醒一下，Al2O3作为一种材料，会以几个晶体结构形式存在（好比水的存在形式可以是冰，也可以是液体或者蒸汽）。氧化铝的涂层一般存在两种晶体结构，指定为a 和k。由于存在过度单纯化的危险，现在用盥洗室里的瓷器和红宝石来举例说明两个形式的差异性。两者均由氧化铝产生，仅有的区别在于材料中原子排列方式有所不同。这样的差别是巨大的，就如在盥洗室的瓷器和红宝石看起来完全不同。 在涂层领域，在切削应用中我们倾向采用a 的形态。但是很不幸，k 相更容易沉积。因此，通常实践中，我们用k 相沉积，之后再进行热处理来形成a 相。虽然并非难以做到，这样的转变会引起微量收缩，从而导致涂层出现裂缝（详见图示2a）。这会明显降低强度，降低涂层的附着力。一个独特并且极富有成效的突破产生了，一个聪明的科学家发现如何直接沉积a 结构。这个新的结构（详见图示2b）引领了涂层水平的新时代。 最近的商业发展是涂层质地的改进，仅仅在前几个月发生。为了阐明这项革命，再次提及我们的红宝石。刚从缅甸或者其他地方的土地开采出来的时候，红宝石是一种暗粉红色的石头。但是经过宝石学家富有技巧的双手，这块黯淡的石头会根据晶体的方向裂开，露出充满吸引力的表面，反射、折射光芒，赋予珠宝迷人的外观。氧化铝在涂层上的使用与之相似。在特定的方向中，涂层很容易破裂；在其他方向，则非常坚硬，很难裂、碎。近期，我们学会了怎样“倾斜”氧化铝涂层的结构以得到一个更坚硬的方向来切削。从技术上来说，这个过程就像“纹理”；商业上我们称之为“Duratomic”（durable 耐用+atomically 微粒+ modified 改进= Duratomic）过程。纹理增加了抗磨损能力和切削刀的强度。 图示3 显示，采用这样的“纹理”过程后，硬度增加了。如同期待的那样，这个转变直接增加了刀具使用寿命。有趣的是，这样类型的涂层依然能够快速冷却。近期的研究，发现以750sfpm 加工4140 钢的时候，使用传统多层涂层，切屑和涂层表面的温度为915 摄氏度。同样的试验，但是使用新型涂层，温度会降低到880 摄氏度。此项描述请见图示4。 高效率刀具 科学理论应用的最佳例子之一是超硬度材料的发展，包括聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼。在加工工件时，他们能达到每分钟几千面英尺，提供使用者难以置信的效率提高和成本节省。 PCD 有益于加工真正的研磨材料，比如高硅铝合金，铜铍合金，复合材料甚至碳化钨合金。聚晶金刚石常常被用作昂贵的钢（硬度在45-75Rc）打磨操作上。聚晶金刚石也被用在许多铁含量少于10% 的铸铁类型中。传统的应用是铸铁制动盘。一个单个的聚晶金刚石的切削刀刃可以以5000sfpm 加工没有几千也有几百个制动器，同时保持出色的尺寸公差，表面精度很高。 总结 这里描述的发展是对涂层、底层、高档材料和金属切削过程之类的基础科学理解的结果。因为我们对于化学、物理、冶金技术的理解的增长，尤其是这些领域之间相互的联系，我们有能力从更小的层次操纵这些结构进行改进，进一步改进，最终导致生产力的进步。 在此期间，当我们回溯近十年来金属加工的操作，我们发现了巨大的进步。这些革命的利用一方面意味着现时收益和未来生存之间的差别，另一方面也意味着破产和失业。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/24/2008)