山特维克超多涂层刀具材料

山特维克超多涂层刀具材料

经过140余年的发展，山特维克集团在制造工艺方面已经发展成为全球的领导者。凭借谨慎的开拓态度和高增值的产品和服务，今日的山特维克集团成功的扩展了其业务范围，收入已经攀升到1016亿元人民币。我们的机构遍及130个国家，在全球拥有四万多位雇员。集团总部坐落在瑞典的山特维肯市，该集团早在19世纪就在这里起步了。集团的发展如此成功要归功于其先进而广泛的研究开发工作。集团每年要投入超过20亿人民币的资金用来做研究开发工作。集团拥有一个高效而鲜明的发展战略并且在其从事的行业领域中都占据领先地位。山特维克的客户活跃在包括汽车、航空工业、采矿建筑行业、化工、石油和燃气、动力、纸浆纸张、居家用品、电子、医学技术以及医疗行业的很多领域当中。

作为山特维克集团所从事的行业之一，山特维克刀具在全球市场独占鳌头，山特维克刀具这一行业主要从事金属切割工具和刀具设备的制造以及刀具刀片和刀杆的制造。该行业的产品由硬质合金，高速钢以及包括钻石和特殊陶瓷在内的其它硬质材料加工制造而成。

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。2006年春季应用于所有的可乐满铣刀，到秋季应用于可乐满245端面铣刀的新型切削刃刀片、可乐满210大进给铣刀的正前角断屑槽刀片和可乐满300低切削抗力圆刀片机夹铣刀的磨削级正前角刀片等，使GC1030型超多层TiAlN涂层材料逐步扩大应用范围，并占据主导地位。

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