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GC1030硬质合金--加工模具用高效长寿命切削刀具材料

来源:       时间:  2017-02-28 10:26
        瑞典山特维克公司的新型GC1030硬质合金牌号是全球率先开发的TiAlN超多层涂层硬质合金刀具材料,它在模具材料的加工中,发挥出了提高加工效率、延长刀具寿命的卓越性能。
        (1)模具材料变化带来的问题   近年来,随着模具材料的性能不断提高,模具的寿命不断延长,但同时模具材料的可加工性(切削和磨削)也越来越差。近年来,模具的加工方法发生了很大变化,正从机械加工→淬火→精加工的传统加工方式向直接切削加工淬硬材料的方式转变,从而减少了加工工序,降低了加工成本。对于SKD61等淬硬材料,直接切削加工不会出现太大问题;但对于近年来新开发的跨世纪的新型模具材料,则既无法提高切削条件,也难以保证刀具寿命。这是一个不能忽视的大问题。  
        (2)可切削性恶化的原因   当前,对应于各种不同的使用目的,对模具材料的性能进行了最优化,其共同追求的性能特点是高硬度、高韧性、高耐蚀性、已加工表面光洁美观、质量优良等。为了满足这些特性要求,需要采取添加各种合金元素、控制材料结晶组织、清除杂质等措施。但是,从切削刀具的角度来看待这些性能改进,就会发现它给刀具带来了比切削抗力上升、因粘结导致刀尖损坏的危险性增大、易切削成分减少等难题。为了解决这些问题,就必须开发耐热性、抗粘结性等切削性能优异的刀具材料。  
        (3)开发新型刀具材料的必要性   为了解决上述问题,山特维克公司开发了铣削模具用涂层硬质合金材料。在铣削一般硬度材料时,可采用具有较高的耐热性、耐磨性、化学稳定性的涂层硬质合金刀具。而在铣削SKD61淬硬钢时,使用以K类(GC3040)硬质合金作为基体、涂有M2O3涂层的刀具是最好的选择。但是,这些刀具对于跨世纪的新型模具材料并不适用。用CVD法涂覆的涂层硬质合金刀具不能保持锋利的切削刃,在涂层内部残留有拉应力,在铣削粘而硬的模具材料时,在切削刃的涂层上容易产生微崩刃,并会逐步扩展为较大崩刃。  
        用2种PVD涂层刀具材料和3种CVD涂层刀具材料做了铣削DAC55(硬度HRC47)模具材料的刀具寿命对比试验。3种CVD涂层材料是在不同基体材料表面涂覆不同厚度的TiN-Al2O3-TiCN三元涂层材料;2种PVD涂层材料是在不同基体材料上涂覆含Al比例不同的TiAlN涂层。观察切屑厚度与刀具寿命的关系,可以看出,PVD-TiAlN涂层材料排在第1和第2位,尤其是含Al量多的PVD-TiAlN涂层材料的切削寿命优于其他四种材料。TiAlN涂层之所以能获得高耐热性,是由于在涂覆过程中,Al与空气中的氧反应生成氧化铝的结果。但是,由于PVD涂层与基体的结合强度有一定限度,因此对于粘性材料的加工就不大适应。在切削DAC55工件材料(HRC47)的加工实例中(试验刀具:R210-063Q22-14M;切削速度:Vc=50m/min;刀齿数:z=1;轴向切削余量:ap=1mm;径向切削余量:ae=1mm;顺铣;干切削;刀具寿命判断标准:VB=0.2mm),最长的刀具寿命也只有25分钟。因此,需要开发高性能的新型涂层材料。  
        (4)超多层涂层的开发   山特维克公司几年前就开始关注超多涂层的作用,推进车削刀片、整体硬质合金立铣刀用超多涂层的研究开发及商品化,为提高生产效率和刀具寿命做出了重大贡献。所谓超多涂层,是将数微米厚的PVD或CVD涂层交替组合重叠涂覆的涂层构造,其优点是涂层内部产生的微裂纹将在中途停止扩展,从而降低涂层脱落的可能性。而对于单层涂层来说,当涂层裂纹扩展到基体表面时,此处就成为涂层剥离的起点。因此可以说,不容易发生此类情况的涂层就是优质涂层。   GC1030涂层牌号在4μm厚的PVD涂层内为多达数千层的超多层涂层构造,构成涂层的元素有钛(Ti)、铝(Al)和氮(N)。从涂层的整体结构来看,是一种超多层的TiAlN涂层;从微观结构上看,是通过改变各层Ti和Al的配比并交替重叠组合而成的超多层TiAlN涂层,其结果是形成了具有高耐热性的含Al成分高的涂层和高韧性涂层交替重叠的涂层构造。从整体上构成了前所未有的高耐热性和抗剥离性兼备的TiAlN涂层材料。  
        (5)性能对比   用山特维克公司原有的TiAlN涂层刀片与GC1030超多层TiAlN涂层刀片进行了切削DAC3工件材料(HRC41)的性能对比试验(切削速度:Vc=90m/min;每齿进给量:fz=0.15mm/齿;刀齿数:z=1;轴向切削余量:ap=2mm;径向切削余量:ae=20mm;顺铣;干切削)。原有TiAlN涂层中含Al成分较多,是一种具有高耐热性的刀片。比较两种刀片试验后的切削刃可知,GC1030牌号TiAlN涂层刀片不仅加工时间长,且切削刃磨损很小,是一种性能优异的超多层构造的TiAlN涂层材料。
        GC1030涂层与其他公司含Al成分多的TiAlN涂层的切削对比试验(试件材料仍为DAC3,切削速度:Vc=90m/min;每齿进给量:fz=0.13mm/齿;刀齿数:z=1;轴向切削余量:ap=3mm;径向切削余量:ae=3mm;顺铣;干切削)结果表明,其他公司的TiAlN刀具加工20分钟后局部磨损很大,这是由于涂层(或涂层与基体的一部分)和积屑瘤剥离造成的。与此相反,GC1030超多层TiAlN涂层刀具加工时间超过50分钟时仍未发现大的崩刃。由此可见,GC1030涂层可放心应用于如淬过火的DAC3那样粘而硬的材料加工。此外,GC1030涂层材料在各种钛合金加工中也优于原有TiAlN涂层材料,可获得很好的效果。虽然其因果关系的科学机理尚不清楚,但可以确定,超多层构造涂层对切削性能具有良好的正面影响,不仅适用于粘而硬的模具材料加工,对于飞机构件、医疗产品等的加工也是一种不错的刀具材料。  
        山特维克公司将把GC1030超多层TiAlN涂层材料用于PVD涂层硬质合金铣削刀具,并逐步扩大应用范围,力争占据主导地位。

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