針對(duì)高速加工的新材質(zhì)牌號(hào)設(shè)計(jì)

加工趨勢(shì)
金屬加工業(yè)通過快速的技術(shù)發(fā)展而充滿了閃光點(diǎn)。這是由諸如全球化、加劇的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、允許更高切削速度的功率更大更穩(wěn)定的機(jī)床、難加工材料的使用以及環(huán)境問題日益增長的覺悟等因素作用的結(jié)果。其結(jié)果是，刀具的最終用戶就刀具性能表現(xiàn)對(duì)刀具制造商提出了持續(xù)改進(jìn)的要求。金屬加工業(yè)的總趨勢(shì)是發(fā)展更多的性價(jià)比好的加工工藝。
新的法律法規(guī)將提高冷卻潤滑液的使用成本。這促進(jìn)干加工的使用。然后，這將增加對(duì)于更耐熱涂層硬質(zhì)合金的需求并強(qiáng)迫金屬加工業(yè)考慮新的替代方法。尤其是在汽車工業(yè)，關(guān)于降低能耗的市場(chǎng)需求將強(qiáng)調(diào)材料選擇的重要性。例如，優(yōu)先選用輕合金。除鋁和其它輕合金外，專門設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度鋼材在將來會(huì)使用得更多。
下述為市場(chǎng)上最重要的趨勢(shì)：
——針對(duì)提高生產(chǎn)率的更高切削速度。
——為了降低成本和環(huán)境方面的原因而進(jìn)行干加工和/或最小量潤滑（MQL）加工。
——難加工材料的應(yīng)用，例如為了零件更輕的高強(qiáng)度材料。
    所有這些趨勢(shì)對(duì)相同刀具材質(zhì)牌號(hào)的耐磨性、抗塑性變形和韌性提出更多要求。如果韌性是唯一的問題，PVD（物理氣相沉積）涂層可被看作一種選擇。然而在耐磨性上PVD涂層不能與現(xiàn)代CVD（化學(xué)氣相沉積）涂層競(jìng)爭(zhēng)。PVD涂層沉積厚度通常小于5mm，而CVD涂層可能有20mm厚。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)
    一種燒結(jié)硬質(zhì)合金切削刀片就是一種針對(duì)某種特定應(yīng)用領(lǐng)域定制的基體與涂層的優(yōu)化組合，通常被看作是一種材質(zhì)牌號(hào)。設(shè)計(jì)一種新的材質(zhì)牌號(hào)就是要找到基體與涂層物理性能的最佳組合。最重要的特性是硬度與韌性，然而它們反過來與材料性能相互關(guān)聯(lián)。結(jié)果在刀具研發(fā)時(shí)，通常必須在耐磨性和韌性之間折中考慮。在本文里，我們將通過一些新的途徑來克服這種窘境，例如耐磨性與韌性的結(jié)合。本文將探討一種設(shè)計(jì)用于高速切削的耐磨材質(zhì)牌號(hào)的研發(fā)。
    以WC-Co基為基體的性能可通過Co含量、WC顆粒的大小和立方碳化物相數(shù)量的變化來控制。應(yīng)用功能梯度的方法也是可行的：在緊挨涂層下面的基體創(chuàng)建富含Co的區(qū)域并同時(shí)耗盡硬的立方碳化物表層。使用這種方法，可獲得硬的基體核心而不犧牲切削刃的韌性。在耐磨應(yīng)用場(chǎng)合使用，通常要求抗塑性變形的基體與傳統(tǒng)的硬基體，通常還沒有使用功能梯度分布的基體。其不利點(diǎn)是在很多難加工材料里降低了韌性。
    在傳統(tǒng)涂層里，不同的涂層材料根據(jù)普遍接受的磨損模型，創(chuàng)建多層結(jié)構(gòu)來組合與優(yōu)化。內(nèi)部（中間）的涂層通常是基于保證良好的抗后刀面磨損及與硬質(zhì)合金基體之間有良好結(jié)合力的TiC-Ti(C,N)-TiN組合。最常用的中間層是Ti(C,N)，而且今天它幾乎專門使用中溫化學(xué)氣相沉積（MT-CVD）進(jìn)行沉積。Al2O3傳統(tǒng)地使用在中間層的上面，起降低前刀面月牙洼磨損的作用，而且還作為熱障來使用。最后，一層薄的TiN通常沉積在復(fù)合涂層的頂面，為了使刀具得到金黃色并有助于容易地察覺磨損。今天市場(chǎng)上大多數(shù)涂層是由Ti(C,N)、Al2O3與TiN組合構(gòu)成。通常在Al2O3上面僅覆蓋一薄層TiN。
氧化物困境
    Al2O3存在許多不穩(wěn)定同素異形體，諸如g、h、d、q、c和k，以及穩(wěn)定的a-Al2O3相。所有這些改變緊接著將轉(zhuǎn)化到穩(wěn)定的a-Al2O3相，例如在沉積過程中的熱處理、沉積后的熱處理與金屬切削過程中。三種Al2O3相a-Al2O3、k-Al2O3和g-Al2O3能以某種受控的方式被CVD沉積。
    很令人驚訝，與不穩(wěn)定的k-Al2O3相比，穩(wěn)定的a-Al2O3已被發(fā)現(xiàn)是工業(yè)應(yīng)用里最難的CVD沉積。這就是為什么所有CVD氧化鋁涂層里大約80%由k-Al2O3構(gòu)成的理由。但是k-Al2O3是一種不穩(wěn)定相，在沉積過程中，還有在金屬切削過程中（尤其在高速下），可能轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的a-Al2O3相。在相變中碰到的體積收縮將降低并最終破壞k-Al2O3層的粘著。
    市場(chǎng)上的很多商用a-Al2O3涂層是在沉積過程中k→a相轉(zhuǎn)化的結(jié)果。因此，這種涂層展現(xiàn)出熱裂紋并且是易碎的。僅僅是最近才發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)晶核表面的化學(xué)作用就可能完全控制并使a-Al2O3相成核。形成的涂層由細(xì)顆粒a-Al2O3組成，避免了轉(zhuǎn)化裂紋。結(jié)果，具有控制成核和細(xì)顆粒尺寸的現(xiàn)代a-Al2O3與早先技術(shù)得到的a- Al2O3以及目前的k-Al2O3層相比，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性。
經(jīng)典磨損模型以及傳統(tǒng)涂層設(shè)計(jì)是有疑問的。舉例來講，歸因于Al2O3的化學(xué)穩(wěn)定性高得達(dá)到鋼材的熔點(diǎn)，Al2O3的月牙洼磨損最不可能是一個(gè)受約束的擴(kuò)散過程。Al2O3的月牙洼磨損實(shí)際上更是塑性變形的結(jié)果。因此，在很多鋼件加工時(shí)Ti(C,N)表現(xiàn)出比Al2O3有更優(yōu)異的抗月牙洼磨損能力，而且可以預(yù)計(jì)表現(xiàn)出的抗后刀面磨損總是優(yōu)于Al2O3。由此，有需要根據(jù)下面的例子討論新的涂層設(shè)計(jì)。
例如，考慮在同一基體上總厚度相等的兩種實(shí)驗(yàn)涂層。第一種涂層根據(jù)傳統(tǒng)方法把Al2O3作為擴(kuò)散屏障沉積到Ti(C,N)層的上面；第二種新涂層是在兩層Ti(C,N)層之間沉積Al2O3，以保護(hù)Al2O3層，避免月牙洼和后刀面磨損并允許完全利用Al2O3的熱障特性。這種新設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)途徑更佳，尤其是抗后刀面磨損能力提高，而且與傳統(tǒng)涂層設(shè)計(jì)相比，抗變形能力增加。根據(jù)新設(shè)計(jì)得到的涂層壽命超出傳統(tǒng)涂層約100%。
新涂層概念
    涂層結(jié)構(gòu)為細(xì)顆粒a-Al2O3層夾在兩層MT-CVD Ti(C,N)之間。最醒目的特點(diǎn)是一厚層Ti(C,N)涂在a-Al2O3層上面。最后，一薄層TiN應(yīng)用于Ti(C,N)涂層上面以察覺磨損。涂層的總厚度約為20μm，并且具有設(shè)計(jì)用于高速切削的精確功能梯度分布基體。緊接在涂層下面的富鈷區(qū)是相當(dāng)厚的，但是與可察覺磨損的尺寸大小相比，其厚度則可忽略不計(jì)。當(dāng)與很硬的基體組合在一起時(shí)，抗塑性變形能力不會(huì)下降。
驗(yàn)證設(shè)想
    一些已經(jīng)完成的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)集中于用新的材質(zhì)牌號(hào)設(shè)計(jì)與市場(chǎng)上的傳統(tǒng)涂層作比較。下面舉了三個(gè)有代表性的例子。它們包含了三種不同的鋼材、三種不同的加工（其中一種有冷卻，兩種干加工）。這些例子清楚地表明，與傳統(tǒng)涂層設(shè)計(jì)的產(chǎn)品相比，耐磨性提高了。
    第一個(gè)例子有關(guān)軸的外圓干式粗加工。工件材料為硬度HB180的16MnCr5。切削參數(shù)為：切削速度vc=430m/min，進(jìn)給量fn=0.3mm/r，切削深度ap=1.5mm。
    第二個(gè)例子有關(guān)軸的外圓干式粗加工。工件材料為硬度HB240的42CrMo4。切削參數(shù)為：切削速度vc=385m/min，進(jìn)給量fn=0.4mm/r，切削深度ap=2.0mm
    第三個(gè)例子有關(guān)小軸承環(huán)外徑和端面的車削。該試驗(yàn)加冷卻液。工件材料為HB=190 的100Cr6。切削參數(shù)為：切削速度vc=480m/min，進(jìn)給量fn=0.23～0.73mm/r，切削深度ap=1.0mm。