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PVD涂层超细颗粒硬质合金刀具

    随着市场竞争愈加激烈,对制造业提出了更高的要求。在切削加工领域,通过高速、大进给加工以进步加工效率,缩短加工时间;使用精密刀具实现高精度、高品质加工以进步附加价值;延长刀具寿命以降低刀具使用本钱;使用最新技术的刀具以改变加工工序(由研磨、电火花加工变为切削加工)等各方面,机加工用户提出了越来越高的要求,切削刀具发挥了非常大的作用。
    在各种刀具材质中,PVD涂层超细颗粒硬质合金的进步最为明显。其优异的性能大幅推动了模具和汽车零部件等钻削加工技术的发展。到目前为止,在以CVD硬质合金材质刀具为主流的车削加工中也发挥了出色的性能。下面介绍PVD涂层超细颗粒硬质合金技术及其最新加工实例。
    超细颗粒硬质合金
    硬质合金是将主要成分WC(碳化钨,高硬度脆性材料)分散在Co(钴,低硬度高韧性材料)中制成的复合材料,是一种兼顾硬度与抗弯强度的硬质材料。目前的切削刀具用材料中,在硬质合金上通过CVD(化学涂层法)、PVD(物理涂层法)涂覆可承受高速切削的Al2O3或(Ti、Al)N等涂层的硬质合金涂层材料占据主要位置。
    Co含量和WC颗粒大小等要素决定了硬质合金的性质。Co含量越少,硬质合金的硬度、抗压强度、刚性越高,但同时抗冲击值越低;WC颗粒越小,硬质合金的硬度、抗弯强度越高,但同时其韧性值越低。
    超细颗粒硬质合金是为同时进步硬度和抗弯强度而开发的合金材料,与普通硬质合金材料相比,在硬度相同时具有强度更高、在强度相同时具有硬度更高的特点。普通硬质合金的WC颗粒为1~6μm左右,超细颗粒硬质合金的WC颗粒则仅为0.6μm左右,由于WC颗粒非常微小,所以四周起粘结作用的Co成分的厚度较薄,同时,因折断起始尺寸小,使抗弯强度较高。超细颗粒硬质合金最初用于小直径钻头、立铣刀等整体硬质合金刀具,最近也开始用于可转位刀片。但是,固然超细颗粒硬质合金在低温下显示出优异的特性,但在高温状态下轻易出现塑性变形,在切削速度高的情况下使用时,有时会产生塑性变形、磨损增大等现象,应予以留意。
    随着近几年粉末制造企业的微细WC粉末制造技术及硬质合金制造商与合金制造相关的微粒化技术的突飞猛进,粒径为0.4μm左右的WC超细颗粒硬质合金也已面市。
    PVD涂层
    PVD是物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition)的简称,它与CVD法的气体在高温下产生化学反应形成表面薄膜不同,是采用电能等物理方法使金属蒸发物产生离子进行涂层。与CVD相比,PVD涂层的特点如下:可在低温下进行涂层,硬质合金基材受损较小,因此可在涂层时对基材进行选择;CVD涂层有张力,所以在耐缺损方面有不利之处,与之相比,PVD涂层产生压缩力,有利于进步耐缺损性能,可用于具有锋利切削刃的刀具制造。
    PVD涂层可在充分发挥以上特长的加工形态中加以利用。例如:要求有锋利切削刃的整体硬质合金刀具;要求耐缺损性强的平面铣刀用刀片;轻易因熔附而出现崩刃的低速切削用刀片;在高温状态下基材硬度降低的高速钢刀具。
    针对整体硬质合金立铣刀的PVD涂层的研发进步明显。以往TiN或TiCN涂层是主流产品,但在20世纪90年代前期,(Ti,Al)N涂层的出现使整体硬质合金立铣刀的性能大幅进步,特别是含Al丰富的(Al,Ti)N涂层通过大幅进步薄膜硬度和耐氧化性而实现了对淬火钢的直接加工,是模具加工的技术创新。目前,针对HRC60左右的超高硬度材料加工用涂层及软钢加工用涂层等不同用途的专用涂层的开发呈现多样化的趋势。
    超细颗粒硬质合金PVD涂层的切削加工实例
    以下对最新的PVD涂层超细颗粒硬质合金牌号的切削加工实例进行介绍。
    1.平面铣刀用刀片材种VP15TF
    三菱公司研制的PVD涂层超细颗粒硬质合金牌号VP15TF是采用具有优异的耐磨损性和耐缺损性的超细颗粒硬质合金VP15TF和(Al,Ti)N涂层(三菱公司称为MIRACLE涂层)的通用性高的材种,尤其在平面铣刀用刀片上具有较高的通用性,可在各种高性能加工中发挥作用。
    VP15TF对合金钢进行台阶面加工的实例:刀具采用三菱公司最新产品——多功能台阶面铣刀APX3000。该刀具的最大特点是切削阻力低,采用更重视切削锋利性的几何外形,所以确保刃尖强度更为困难。因此,不仅要求刀片耐磨损性好,同时要求比以往刀具具有更好的耐磨损性。VP15TF满足以上要求,与以往材种相比可大幅进步刀具寿命,并同时实现良好的壁面精度和表面粗糙度。
    VP15TF也可在大进给粗加工中发挥良好性能。粗加工淬火钢实例:此加工使用我公司生产的大进给加工用圆弧头立铣刀AJX。此刀具在加工HRC53淬火钢时单刃进给达到过往无法想象的1mm的大进给,可大幅缩短模具加工时间。
    VP15TF凭借通用性高,在平面加工以外的内圆车削用刀片、小型自动车床用刀片等不同领域均有产品推出,并发挥高性能。
    2.螺纹切削用材种VP10MF
    VP10MF是采用硬度极其高的超微粒硬质合金MF10和与VP15TF相同的(Al,Ti)N MIRACLE涂层,它是具有极高耐磨损性的优异材种。VP10MF的断面。与TF15相比,MF10采用更细微的WC原料和最佳量的粘结物质从而实现了更高的硬度。
    使用VP10MF进行螺纹加工的实例:刀具使用我公司最新的螺纹刀具MMT型。因螺纹加工中的被削材料多为不锈钢等轻易出现熔付崩刃的材料,并且对螺纹部表面精度要求高,所以多使用PVD材种。VP10MF为抑止在螺纹加工中轻易出现的后刀面磨损及刀片塑性变形等现象而研制的。可以看出,与以往材种相比,其后刀面磨损小,塑性变形也得到大幅抑止。并因以上效果使螺纹部位的表面加工质量良好。
    VP10MF凭借其高耐磨损性,可适用于可转位刀片式精加工用球头立铣刀SRF,尤其在加工HRC60左右的高硬度模具钢中发挥出类拔萃的耐磨损性。
    3.加工高硬度材用整体硬质合金立铣刀“IMPACT MIRACLE”
    最后介绍在整体硬质合金立铣刀的使用情况。三菱综合材料神户工具生产的“IMPACT MIRACLE立铣刀”。此立铣刀是以硬度超过HRC50的高硬度淬火钢为目标而研制的。
    母材采用新研制的超细微硬质合金,母材硬度达到HRA93.5,尤其是为此种被削材料而研制的。涂层采用比以往(Al,Ti,Si)N涂层更先进的“单相纳米结晶(Al,Ti,Si)N涂层”。IMPACT MIRACLE立铣刀的硬质合金母材及涂层与以往产品的比较。
    IMPACT MIRACLE立铣刀与以往产品相比在母材、涂层及外形上加以改良,在加工高硬度材料时比以往产品的寿命得以大幅进步。IMPACT MIRACLE立铣刀的加工实例。在加工HRC60左右的的高硬度材料时刀具寿命大幅延长,为降低刀具本钱作出巨大贡献。
    对今后被切削材料进一步的高硬度、难切削化IMPACT MIRACLE立铣刀在削减刀具本钱方面做出贡献。使用它还有看减少电火花加工工序而缩短工序。
    以上介绍了超微粒硬质合金PVD涂层的最新技术及其加工实例。我们希看超微粒硬质合金及PVD涂层的最新技术可进一步削减本钱或实现划时代的工序革新,从而为进步制造业的竞争力做出巨大的贡献。

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