不斷改進的鋁—鈦—氮刀具塗層

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   時間:2014-03-11 14:50:39
不斷改進的鋁—鈦—氮刀具塗層簡介
         關於提高AlTiN塗層中鋁的含量及其效果的爭議一直……
不斷改進的鋁—鈦—氮刀具塗層正文
     關於提高AlTiN塗層中鋁的含量及其效果的爭議一直持續不斷。但有一點可以肯定:那就是提高AlTiN塗層的鋁含量后,有利於改善刀具的性能。當然,用戶應區分真實效果和誇大宣傳的差別,並且應該懂得,最佳的塗層隨使用條件而異,就象刀具的幾何角度和基體一樣。
  工業界的專家認為,AlTiN塗層適用於在高速和乾式切削(或近似乾式切削)的條件下,加工不鏽鋼、鈦、高溫超級合金的淬硬材料。  Balzers公司的AlTiN納米結構塗層--Balinit Futura Nano,在高速、大進給乾式切削中,用於鑽頭、銑刀和鉸刀,優點十分顯著
  Ion Bond公司(一家物理和化學氣相沉積設備的供應商)的高級開發工程師Haron Gekonde說:「AlTiN塗層在刀具/工件接觸區溫度高達800℃至900℃時,仍能保持其硬度。」這是AlTiN塗層的主要優點。因為前面提到的被加工材料都會在切屑剪切區產生大量的熱。當然,在AlTiN塗層中的鋁含量多少最合適,還是有爭議。
  不斷克服前進中的障礙
  儘管刀具塗層的開發取得了巨大的成功,但是廣大的刀具塗層技術人員沒有以此為滿足。難加工合金不斷進入工業領域,刀具塗層市場的競爭仍然十分激烈。Carboloy公司的車削工具部主任Don Graham說:「大家都在跳躍式的前進,彼此你追我趕超過對手。最佳的塗層在市場上只能維持4~6個月的領先地位,很快就會有更好的塗層問世。」
  改進AlTiN塗層的方法之一就是提高鋁含量。(美國)表面工程塗層協會前主席、現任Teefer市場服務公司總裁Fred Teefer說:「提高鋁含量可使塗層在高溫下保持較高的強度,並且能提高抗氧化能力。」  當刀具/工件接觸區的溫度超過749℃時,鋁原子會穿過塗層晶格到達刀具表面。在該處鋁和氧發生反應,形成一套氧化鋁薄膜。這層氧化皮保護了塗層,防止其進一步氧化。
  最流行的說法是,當刀具/工件接觸區溫度超過約749℃時,鋁會「抓取」空氣中的氧,使塗層的外表面轉化成氧化鋁,形成一層氧化皮。Carboloy公司的車削工具部主任Don Graham解釋說:「每個人都相信這種說法是正確的,但迄今未得到客觀證實。」這種氧化鋁薄膜層能阻止進一步地氧化,並能在刀具/工件接觸區產生高溫時起保護刀具的作用。
  然而,提高鋁含量說起來容易,做起來卻很難。在PVD中,常用直流法將AlTiN塗覆到刀具上,但這種方法在塗層中的鋁含量超過65%時,會產生電絕緣障礙而無法有效地進行。
  Isoflux塗層設備製造公司總裁Dave Glocker解釋說:「在塗層出現電絕緣時,單純的100伏左右的直流偏壓將不起作用,因為直流電壓無法從絕緣材料上導出。所以必須改變工藝方法,以便能在絕緣體上加上偏壓,也就是要在基體上加上交流或脈衝直流偏壓,或者使用射頻工藝。」與此同時他還指出,生產鋁含量超過65%的AlTiN塗層時,還有一個額外的問題。例如在一個含鋁70%的鋁氮靶上濺射時,靶的表面也會形成電絕緣。所以,你可能既要對付一個絕緣的塗層,又要對付靶上的絕緣層。為了克服這些問題,塗層設備應具備沉積電絕緣材料的能力。Glocker說:「做到這一點是可能的,我們能做,其它公司也能做。但塗層設備不是目前在工業中使用的傳統型設備。」
  關於冷卻液的一些考慮
  生產高鋁含量AlTiN塗層的設備可能變得日益普遍使用。因為很多零部件製造商利用乾式切削或近似乾式切削來達到環保要求,以減少生產費用。更加耐熱的AlTiN塗層,使切屑離開工件時帶走更多的熱量。這樣,為了降低刀具/工件接觸區的溫度而使用冷卻液的要求會變得很小,甚至可以不用,這對加工鎳基合金特別有利,因為此時切削刃處的溫度可能高達816℃。美國Teefer市場服務公司總裁Teefer指出,雖然冷卻液、過濾設備和處置費用占車間費用的15%,但減少冷卻液消耗的主要動力是為了遵守環境法規。他指出,冷卻液用得越少,零件需要清理的也越少。Isoflux塗層設備製造公司總裁Dave Glocker同意這種看法,並補充說:「同時也節省費用。」
  超級氮化物塗層
  目前已經有一系列的刀具使用含鋁超過65%的AlTiN塗層,例如,Carboloy公司的塗層鋁含量為67%,Ion Bcnd公司的塗層鋁含量為70%,Ceme Con公司則在2002年7月宣布開發了一種用於生產超級氮化物塗層的工藝,含鋁量達到80%。
  據Ceme Con公司的技術經理Rainer Cremer介紹,超級氮化物是一種極細顆粒、緻密結構的立方晶格金屬氮化物基的硬質塗層。
  上述塗層是由Ceme Con公司開發的高度離子

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