針對高速加工的新材質牌號設計

加工趨勢
金屬加工業通過快速的技術發展而充滿了閃光點。這是由諸如全球化、加劇的市場競爭、允許更高切削速度的功率更大更穩定的機床、難加工材料的使用以及環境問題日益增長的覺悟等因素作用的結果。其結果是，刀具的最終用戶就刀具性能表現對刀具制造商提出了持續改進的要求。金屬加工業的總趨勢是發展更多的性價比好的加工工藝。
新的法律法規將提高冷卻潤滑液的使用成本。這促進干加工的使用。然后，這將增加對于更耐熱涂層硬質合金的需求并強迫金屬加工業考慮新的替代方法。尤其是在汽車工業，關于降低能耗的市場需求將強調材料選擇的重要性。例如，優先選用輕合金。除鋁和其它輕合金外，專門設計的高強度鋼材在將來會使用得更多。
下述為市場上最重要的趨勢：
——針對提高生產率的更高切削速度。
——為了降低成本和環境方面的原因而進行干加工和/或最小量潤滑（MQL）加工。
——難加工材料的應用，例如為了零件更輕的高強度材料。
    所有這些趨勢對相同刀具材質牌號的耐磨性、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涂層不能與現代CVD（化學氣相沉積）涂層競爭。PVD涂層沉積厚度通常小于5mm，而CVD涂層可能有20mm厚。
傳統設計
    一種燒結硬質合金切削刀片就是一種針對某種特定應用領域定制的基體與涂層的優化組合，通常被看作是一種材質牌號。設計一種新的材質牌號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聯。結果在刀具研發時，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合。本文將探討一種設計用于高速切削的耐磨材質牌號的研發。
    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量的變化來控制。應用功能梯度的方法也是可行的：在緊挨涂層下面的基體創建富含Co的區域并同時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。在耐磨應用場合使用，通常要求抗塑性變形的基體與傳統的硬基體，通常還沒有使用功能梯度分布的基體。其不利點是在很多難加工材料里降低了韌性。
    在傳統涂層里，不同的涂層材料根據普遍接受的磨損模型，創建多層結構來組合與優化。內部（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合金基體之間有良好結合力的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氣相沉積（MT-CVD）進行沉積。Al2O3傳統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。今天市場上大多數涂層是由Ti(C,N)、Al2O3與TiN組合構成。通常在Al2O3上面僅覆蓋一薄層TiN。
氧化物困境
    Al2O3存在許多不穩定同素異形體，諸如g、h、d、q、c和k，以及穩定的a-Al2O3相。所有這些改變緊接著將轉化到穩定的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，與不穩定的k-Al2O3相比，穩定的a-Al2O3已被發現是工業應用里最難的CVD沉積。這就是為什么所有CVD氧化鋁涂層里大約80%由k-Al2O3構成的理由。但是k-Al2O3是一種不穩定相，在沉積過程中，還有在金屬切削過程中（尤其在高速下），可能轉化成穩定的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。
    市場上的很多商用a-Al2O3涂層是在沉積過程中k→a相轉化的結果。因此，這種涂層展現出熱裂紋并且是易碎的。僅僅是最近才發現，通過調節晶核表面的化學作用就可能完全控制并使a-Al2O3相成核。形成的涂層由細顆粒a-Al2O3組成，避免了轉化裂紋。結果，具有控制成核和細顆粒尺寸的現代a-Al2O3與早先技術得到的a- Al2O3以及目前的k-Al2O3層相比，表現出優異的韌性。
經典磨損模型以及傳統涂層設計是有疑問的。舉例來講，歸因于Al2O3的化學穩定性高得達到鋼材的熔點，Al2O3的月牙洼磨損最不可能是一個受約束的擴散過程。Al2O3的月牙洼磨損實際上更是塑性變形的結果。因此，在很多鋼件加工時Ti(C,N)表現出比Al2O3有更優異的抗月牙洼磨損能力，而且可以預計表現出的抗后刀面磨損總是優于Al2O3。由此，有需要根據下面的例子討論新的涂層設計。
例如，考慮在同一基體上總厚度相等的兩種實驗涂層。第一種涂層根據傳統方法把Al2O3作為擴散屏障沉積到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。這種新設計比傳統途徑更佳，尤其是抗后刀面磨損能力提高，而且與傳統涂層設計相比，抗變形能力增加。根據新設計得到的涂層壽命超出傳統涂層約100%。
新涂層概念
    涂層結構為細顆粒a-Al2O3層夾在兩層MT-CVD Ti(C,N)之間。最醒目的特點是一厚層Ti(C,N)涂在a-Al2O3層上面。最后，一薄層TiN應用于Ti(C,N)涂層上面以察覺磨損。涂層的總厚度約為20μm，并且具有設計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是相當厚的，但是與可察覺磨損的尺寸大小相比，其厚度則可忽略不計。當與很硬的基體組合在一起時，抗塑性變形能力不會下降。
驗證設想
    一些已經完成的現場測試驗證了實驗室的試驗結果。這些實驗集中于用新的材質牌號設計與市場上的傳統涂層作比較。下面舉了三個有代表性的例子。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，與傳統涂層設計的產品相比，耐磨性提高了。
    第一個例子有關軸的外圓干式粗加工。工件材料為硬度HB180的16MnCr5。切削參數為：切削速度vc=430m/min，進給量fn=0.3mm/r，切削深度ap=1.5mm。
    第二個例子有關軸的外圓干式粗加工。工件材料為硬度HB240的42CrMo4。切削參數為：切削速度vc=385m/min，進給量fn=0.4mm/r，切削深度ap=2.0mm
    第三個例子有關小軸承環外徑和端面的車削。該試驗加冷卻液。工件材料為HB=190 的100Cr6。切削參數為：切削速度vc=480m/min，進給量fn=0.23～0.73mm/r，切削深度ap=1.0mm。