針對(duì)難加工材料的車削新涂層

       近年來，最終用戶需求的不斷提升使制造業(yè)的工件材料產(chǎn)生明顯進(jìn)展。例如，汽車和卡車更高的燃油效率的需求導(dǎo)致分量輕強(qiáng)度高如高強(qiáng)度鋼和球墨鑄鐵等材料的使用增加。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)更高燃油效率和更安靜的需求刺激純度、高溫強(qiáng)度和韌性更高的高溫合金的發(fā)展。雖然勉強(qiáng)符合最終用戶的需要，但這樣的進(jìn)展使工件材料有更難加工的傾向。就是這個(gè)原因趨勢刀具界進(jìn)行研究和發(fā)展，尤其是車削刀片領(lǐng)域。斷屑槽、涂層還有基體化學(xué)成分在影響刀具性能上扮演重要角色。例如，車削刀具涂層技術(shù)的進(jìn)展已經(jīng)使球墨鑄鐵和最新的航空高溫合金能有效加工。 

     高硬度MTCVD涂層改善球墨鑄鐵的加工

     球墨鑄鐵已成為發(fā)動(dòng)機(jī)零件和其它汽車、農(nóng)用設(shè)備和機(jī)床工業(yè)上的零件的日益常見的材料。這種合金提供較低的生產(chǎn)成本和良好的機(jī)械性能的組合。他們比鋼材便宜，而比鑄鐵有更高的強(qiáng)度和韌性。 
     但同時(shí)球墨鑄鐵非常耐磨，有快速磨壞刀具材料的傾向。這種耐磨性很大程度上受珠光體含量影響。某一已知球墨鑄鐵的珠光體含量越高，它的耐磨性越好而且它的可加工性越差。

     可以預(yù)計(jì)，高硬度和高耐磨的切削材質(zhì)需考慮球墨鑄鐵的高耐磨性。并且事實(shí)上材質(zhì)包含極硬的TiC(碳化鈦)或TiCN（碳氮化鈦）的厚涂層在切削速度每分鐘300米時(shí)加工球墨鑄鐵被證明通常是有效的。但是隨著切削速度的增加，切屑/刀具結(jié)合面的溫度也在增加。當(dāng)發(fā)生這樣的情況，TiC涂層傾向于和鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并軟化，更多的壓力作用在抗月牙洼磨損的涂層上。在這些條件下，希望有一種化學(xué)穩(wěn)定性更好的涂層，如Al2O3（雖然在較低的速度下不如TiC硬或耐磨）。

     化學(xué)穩(wěn)定性比耐磨性更成為一個(gè)重要的表現(xiàn)性能分界的確切速度和溫度取決于被加工球墨鑄鐵的晶粒結(jié)構(gòu)和性能。但是通常厚涂層的TiC或TiCN和僅有氧化物的較薄涂層是針對(duì)球墨鑄鐵應(yīng)用的，因?yàn)榻裉齑蟛糠诌@類被加工材料的切削速度在每分鐘150到335米之間。對(duì)于速度高于每分鐘300米的應(yīng)用，人們對(duì)這種材料是滿意的。

      為了使這個(gè)范圍性能最優(yōu)，山高研發(fā)和推出了針對(duì)球墨鑄鐵加工的材質(zhì)TX150。這種材質(zhì)有一個(gè)硬且抗變形的基體，對(duì)于加工球墨鑄鐵很理想。它的涂層由一層較厚的很耐磨的碳氮化鈦和一層較薄的抗月牙洼磨損的氧化物涂層，頂面是一薄層TiN。這種涂層運(yùn)用目前工藝水平的產(chǎn)生耐磨性和抗月牙洼磨損需要的CVD涂層的全部硬度而且韌性平滑性增加的中溫化學(xué)氣相沉積（MTCVD）工藝。基體/涂層的組合性能給予很高的抗塑性變形和刃口微崩能力，使之成為正常速度下加工球墨鑄鐵的理想材質(zhì)。

      涂層陶瓷也表現(xiàn)出能有效加工球墨鑄鐵。在過去，未涂層的韌性較好的諸如氮化硅和碳化硅纖維強(qiáng)化的氧化鋁陶瓷應(yīng)用受工件材料化學(xué)親和性的限制。但是今天通過使用能抵抗切屑變形過程產(chǎn)生高熱量的涂層刀具壽命已經(jīng)顯著增加。而某些早期這個(gè)領(lǐng)域的工件加工使用氧化鋁涂層晶須強(qiáng)化陶瓷，今天的多數(shù)研究活動(dòng)集中于TiN涂層氮化硅。這種涂層能顯著拓寬韌性較好的陶瓷的應(yīng)用范圍。

      高溫合金

      雖然涂層的發(fā)展已在黑色材料應(yīng)用里產(chǎn)生最多戲劇性的生產(chǎn)率提高，也在高溫合金和鈦合金加工中取得改善。細(xì)顆粒硬質(zhì)合金和PVD涂層的發(fā)展，以及怎樣運(yùn)用陶瓷和CBN切削材料的知識(shí)增加都對(duì)更高的金屬切除率和提高表面光潔度作出貢獻(xiàn)。

      這些進(jìn)展對(duì)汽輪機(jī)應(yīng)用所需的在高溫保持其強(qiáng)度的合金的高效加工特別有用。這種“超級(jí)合金”用能保持清潔而且韌性也更好的很復(fù)雜的方法來處理和生產(chǎn)。結(jié)果，超級(jí)合金能使用的平均溫度以每年華氏16度的速率增加，而且沒有跡象顯示這種趨勢將會(huì)改變。但是它的每一次發(fā)展將對(duì)可加工性造成負(fù)面影響。

      隨著超級(jí)合金高溫強(qiáng)度的增加，作用在刀片切削刃上的力也在增加。結(jié)果，曾經(jīng)能很滿意地加工很多鈦合金和鎳基合金的硬質(zhì)合金材質(zhì)C-2在應(yīng)用到當(dāng)今的合金時(shí)遭受切削刃的壓碎和切削深度線處嚴(yán)重的溝槽磨損。但是用最新的細(xì)顆粒硬質(zhì)合金能有效加工超級(jí)合金，刀具壽命得到提高，更重要的是提高在高溫合金應(yīng)用時(shí)的可靠性。細(xì)顆粒硬質(zhì)合金有比傳統(tǒng)硬質(zhì)合金材質(zhì)更高的壓縮強(qiáng)度和硬度，只是在韌性方面增加少量的成本。而結(jié)果是在高溫合金加工上比傳統(tǒng)硬質(zhì)合金抵抗常見失效模式更有效。

      PVD（物理氣相沉積）涂層也被證明有效加工高溫合金。TiN（氮化鈦）PVD涂層是最早使用的并仍然是最受歡迎的。最近，TiAlN（氮鋁化鈦）和TiCN（碳氮化鈦）涂層也能很好使用。TiAlN涂層應(yīng)用范圍和TiN相比它的限制更多。但是當(dāng)切削速度提高后它們是一個(gè)很好的選擇，在那些應(yīng)用提高生產(chǎn)率達(dá)40%。另一方面，在較低的切削速度下取決于涂層的表面工況TiAlN會(huì)導(dǎo)致積屑瘤、隨后的微崩和溝槽磨損。TiCN比其它兩種涂層都硬，尤其在銑削時(shí)獲得更好的刀具壽命。

      近來，用于高溫合金應(yīng)用的材質(zhì)已經(jīng)發(fā)展了，這些涂層由幾層組合而成。大量的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試已經(jīng)論證了這種組合和其它任何一種單一涂層相比在很寬范圍的應(yīng)用時(shí)很有效。因此針對(duì)高溫合金應(yīng)用的PVD復(fù)合涂層可能成為硬質(zhì)合金新材質(zhì)研發(fā)持續(xù)的焦點(diǎn)。和MTCVD涂層、涂層陶瓷集合在一起，它們有望成為更有效加工正在研發(fā)的新的更難加工工件材料的主要沖擊力量。