多元多层超硬涂层刀具应用.pdf

多元多层超硬涂层刀具应用1高速钢钻头丝锥表面Co离子注入金属离子注入到金属或非金属零件表面内20世纪80年代发明一种表面改性技术。金属离子注入技术将金属蒸气引入电离室，经高压电场作用进行离化加速，引出大束流金属正离子流并以极高速度能量注入表面组织，通过改变注入工艺参数可进行单元素多元素金属单注或共注。根据刀具切削性能要求，可选择所需注入金属元素，以达到最佳切削效果。对注入后表面分析检测表明，已注入金属元素表面晶格发生了严重畸变强化，基体表面组织与注入金属元素离子发生化合反应，形成了金属化合物弥散金属硬质相，如氧化物、碳化物氮化物等，例如注入Ti、Co、C等金属元素，金属表面硬度可达1600~2000HV。注入后形成硬化改性层深度可控制几埃米到几百纳米。此外，该硬质层混合体，没有传统涂层明显界面，故该硬质层与金属基体有极高结合强度，从而提高了改性表面耐磨性、抗冲击性耐腐蚀性。我们对高速钢钻头、丝锥进行Co离子注入并与未经注入处理钻头、丝锥作了切削性能对比试验，注入Co离子丝锥材料为W6Mo5Cr4V2，尺寸为M10×1（带刃倾角），试件为1Cr18Ni9Ti不锈钢，硬度190HB;，抗拉强度642MPa，选用切削速度3.6m/min，浇注乳化切削液，流量5L/min。攻丝过程，注入Co离子与未注入Co离子丝锥切削齿后面上磨损过程如图1所示，当总攻丝长度为4m时，注入Co离子丝锥切削齿后面上磨损量为0.15mm，未注入Co离子磨损量为0.4mm，因此注入Co离子其丝锥切削寿命较未注入Co离子提高1.5~2倍。图1注Co离子与未注Co离子丝锥切削齿磨损过程图2所示为丝锥切削齿后面上磨损形态。图2（a）为用注入Co离子丝锥切削后，刀齿后面沿刀刃处产生均匀磨损；图2（b）为未注入Co离子丝锥刀齿后面位于刀刃转角处产生了严重磨损并伴随着崩刃。切削试验表明，丝锥表面经过改性处理后，它耐磨性抗冲击性获得了显著提高，其切削齿后面上磨损缓慢均匀情况下进行。（a）注Co离子丝锥（b）未注Co离子丝锥图2丝锥刀齿后面上磨损形态此外，对f6mm高速钢钻头进行注入Co离子处理，用它钻削1Cr18Ni9Ti不锈钢材料孔，钻削速度Vc=12m/min、进给量f=0.12mm/r、使用乳化切削液等条件下，平均钻孔数为423孔，而使用未经处理钻头平均钻孔数为67孔，因此前者切削效率后者6.3倍。根据已发表资料表明，注入Ti离子钻头切削寿命未注入Ti离子7倍；注入Ti+C离子盘铣刀切削寿命较未注入Ti+C离子提高2~4倍。2多元多层超硬涂层丝锥对刀具用TiC、Ti8等进行涂层基础上，进一步研究了对刀具进行多元多层超硬复合涂层，其TiC+TiCN系列多元多层复合涂层已大批量用于刀具涂层，并获得了良好效果。目前常用多元涂层有TiN、TiC、ZrN、TiAlN、DLC，多层复合涂层有TiCN+TiN、TiN+TiC+DLC、TiN+TiAlN等，它们主要物理机械性能介绍如下。TiCN+TiN：硬度3100~3400HV，膜层综合了氮化钛耐冲击碳化钛高硬度及耐磨性特点，膜层与钢之间摩擦系数小，抗氧化温度达650~700°C，具有优良物理机械性能。TiAlN：硬度3400~3600HV，耐磨性仅低于类金刚石膜，目前国际工具行业最为推崇超硬涂层。ZrN：硬度2000~2100HV，它耐磨性TiN涂层3倍，该膜层与高速钢基体有很牢固结合强度，因此具有很高耐冲击性，它抗氧化温度为500~700°C，膜层美观且呈淡金黄色。我们对上述各类超硬涂层工艺进行了长期研究实践，所涂制各种刀具使用都有较好效果，其TiCN+TiN多元多层涂层丝锥制造汽车零件自动生产线上进行了批试验（350支丝锥），其结果受到上海汇众汽车制造有限公司很高评价，该涂层丝锥生产使用情况如下。TiCN+TiN多元多层复合涂层丝锥规格为M12×1.5，攻削硬度220HBS铸铁件螺孔，攻丝速度Vc=6.5m/min，最后切削效果平均每支丝锥攻制1172个螺孔，攻丝效率平均提高5.59倍，且该丝锥攻丝过程无一断裂。图3自动线上更换下涂层丝锥，可看出丝锥刀齿后面上仅产生较小且均匀正常磨损，而校正齿后面上尚未出现明显磨损，各刀齿上未见崩刃现象，该丝锥通常情况下仍可继续使用。图3TiCN+TiN多元多层复合涂层丝锥刀齿后面上磨损情况此外，用TiCN+TiN多元多层复合涂层涂制f6mm高速钢钻头，选用钻削速度Vc=25m/min、进给量f=0.12mm/r，使用乳化切削液，钻削硬度220HBS40Cr钢，该涂层钻头切削寿命比涂TiN钻头提高3倍。经过不同膜系膜厚组合，对所制成涂层刀具进行比较试验，其使用Ti+TiN+TiCN+TiN+TiCN多元多层复合涂层丝锥切削寿命较未涂层丝锥提高4.6倍滤清器。3影响涂层刀具切削性能因素使用新