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高性能超硬涂层刀具的应用 |
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作者：张亚梁 丁志德 姚蓉芳 徐志林 陆剑中 |
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1 高速钢钻头和丝锥表面的Co离子注入
金属离子注入到金属或非金属零件表面内是20世纪80年代发明的一种表面改性技术。
金属离子注入技术是将金属蒸气引入电离室，经高压电场作用进行离化和加速，引出大束流金属正离子流并以极高速度和能量注入表面组织中，通过改变注入工艺参数可进行单元素和多元素金属的单注或共注。根据刀具切削性能的要求，可选择所需的注入金属元素，以达到最佳切削效果。对注入后的表面分析和检测表明，已注入金属元素的表面晶格发生了严重的畸变和强化，基体表面组织与注入金属元素离子发生化合反应，形成了金属化合物和弥散金属硬质相，如氧化物、碳化物和氮化物等，例如注入Ti、Co、C等金属元素，金属表面硬度可达1600~2000HV。注入后形成的硬化改性层深度可控制在几埃米到几百纳米。此外，该硬质层是混合体，没有传统涂层的明显界面，故该硬质层与金属基体有极高的结合强度，从而提高了改性表面的耐磨性、抗冲击性和耐腐蚀性。
我们对高速钢钻头、丝锥进行Co离子注入并与未经注入处理的钻头、丝锥作了切削性能对比试验，注入Co离子丝锥的材料为W6Mo5Cr4V2，尺寸为M10×1 (带刃倾角)，试件为1Cr18Ni9Ti 不锈钢，硬度190HB;，抗拉强度642MPa，选用切削速度3.6m/min，浇注乳化切削液，流量5L/min。
攻丝过程中，注入Co离子与未注入Co离子的丝锥切削齿后面上的磨损过程如图1所示，当总攻丝长度为4m时，注入Co离子的丝锥切削齿后面上磨损量为0.15mm，未注入Co离子的磨损量为0.4mm，因此注入Co离子其丝锥的切削寿命较未注入Co离子的提高1.5~ 2倍。
图1 注Co离子与未注Co离子的丝锥切削齿磨损过程
图2所示为丝锥切削齿后面上磨损形态。图2(a)为用注入Co离子的丝锥切削后，刀齿后面沿刀刃处产生的是均匀磨损；图2(b)为未注入Co离子的丝锥刀齿后面位于刀刃转角处产生了严重磨损并伴随着崩刃。切削试验表明，丝锥表面经过改性处理后，它的耐磨性和抗冲击性获得了显著的提高，其切削齿后面上的磨损是在缓慢和均匀的情况下进行。 
(a)注Co离子丝锥 (b)未注Co离子丝锥
图2 丝锥刀齿后面上磨损形态
此外，对f6mm高速钢钻头进行注入Co离子处理，用它钻削1Cr18Ni9Ti不锈钢材料的孔，在钻削速度Vc=12m/min、进给量f=0.12mm/r、使用乳化切削液等条件下，平均钻孔数为423孔，而使用未经处理的钻头平均钻孔数为67孔，因此前者的切削效率是后者的6.3倍。
根据已发表的资料表明，注入Ti离子的钻头的切削寿命是未注入Ti离子的7倍；注入Ti+C离子的盘铣刀的切削寿命较未注入Ti+C离子的提高2~4倍。
2 多元多层超硬涂层丝锥
在对刀具用TiC、Ti8 等进行涂层的基础上，进一步研究了对刀具进行多元多层超硬复合涂层，其中TiC+TiCN 系列的多元多层复合涂层已大批量用于刀具涂层，并获得了良好的效果。
目前常用的多元涂层有TiN、TiC、ZrN、TiAlN、DLC，多层复合涂层有TiCN+TiN、TiN+TiC+DLC、TiN+TiAlN 等，它们的主要物理机械性能介绍如下。
TiCN+TiN：硬度3100~3400HV，膜层综合了氮化钛的耐冲击和碳化钛的高硬度及耐磨性的特点，膜层与钢之间的摩擦系数小，抗氧化温度达650~700°C，具有优良的物理和机械性能。
TiAlN：硬度3400~3600HV，耐磨性仅低于类金刚石膜，是目前国际工具行业最为推崇的超硬涂层。
ZrN：硬度2000~2100HV，它的耐磨性是TiN涂层的3倍，该膜层与高速钢基体有很牢固的结合强度，因此具有很高的耐冲击性，它的抗氧化温度为500~700°C，膜层美观且呈淡金黄色。
我们对上述各类超硬涂层的工艺进行了长期的研究和实践，所涂制的各种刀具在使用中都有较好的效果，其中TiCN+TiN 多元多层涂层丝锥在制造汽车零件的自动生产线上进行了中批试验(350支丝锥) ，其结果受到上海汇众汽车制造有限公司很高的评价，该涂层丝锥在生产中使用情况如下。
TiCN+TiN 多元多层复合涂层丝锥的规格为M12×1.5，攻削硬度220HBS 的铸铁件螺孔，攻丝速度Vc=6.5m/min，最后切削效果是平均每支丝锥攻制1172个螺孔，攻丝效率平均提高5.59倍，且该丝锥在攻丝过程中无一断裂。图3是在自动线上更换下的涂层丝锥，可看出丝锥刀齿后面上仅产生较小且均匀的正常磨损，而在校正齿后面上尚未出现明显磨损，各刀齿上未见崩刃现象，该丝锥在通常情况下仍可继续使用。
图3 TiCN+TiN多元多层复合涂层丝锥刀齿后面上磨损情况
此外，用TiCN+TiN多元多层复合涂层涂制f6mm高速钢钻头，选用钻削速度Vc= 25m/min、进给量f=0.12mm/r，使用乳化切削液，钻削硬度220HBS的40Cr钢，该涂层钻头的切削寿命比涂TiN的钻头提高3倍。
经过不同的膜系和膜厚的组合，对所制成的涂层刀具进行比较试验，其中使用Ti+TiN+TiCN+TiN+TiCN的多元多层复合涂层的丝锥切削寿命较未涂层丝锥提高4.6倍。
3 影响涂层刀具切削性能的因素
在使用新型高性能涂层刀具时，可能出现达不到预期的切削效果，这是有许多因素造成的。例如涂层设备、工艺及涂层技术、质量和性能等，有些因素可通过长期实践及进一步研究、改进来逐渐解决。
有关涂层质量方面问题 在进行多元多层复合涂层前，需要重点探索和解决多层金属元素之间的最佳配合、膜层的先后次序及其不同的厚度，合理控制涂层的工艺参数及应力问题。并要对涂层膜进行抽样检测，测定膜层厚度、分布均匀性、结合力、耐磨性和硬度等物理机械性能。
有关刀具基体质量方面问题 在高质量刀具基体上进行高质量涂层，才能有高性能涂层刀具。确保刀具基体的质量，应重视及控制刀具坯料的成分、含量及刀具的精加工工艺、热处理后的基体组织和硬度，我们曾对同一规格和精度但不同制造厂的两种丝锥进行多元多层复合涂层，这两种丝锥在使用时的切削寿命就有0.3~0.5倍的差别。此外，有些丝锥经精加工后，在刀刃上存在细微缺口，这些缺口会导致无法成膜或膜破裂，因而使用时产生崩刃或刃口裂痕。
切削刀具的结构与几何参数 这也是影响涂层刀具切削性能的重要因素，例如我们曾分别用带刃倾角和不带刃倾角丝锥进行注入Co离子处理，它们分别在相同条件攻制不锈钢螺孔，带刃倾角又注入Co离子的丝锥切削寿命明显提高。另外，分别使用前角gf≈29°和gf<10°又注入Co离子的丝锥切削，它们的切削效果均不太显著。
总之，对新型高性能涂层刀具的推广应用，不仅要严格保证改性涂层的质量，而且更应保证刀具基体的质量和性能。(end)
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(6/3/2006) |
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