使用涂层工具的五个主要原因是:增加耐磨性;增加抗氧化性;减少摩擦;增加对金属疲劳的抵抗力;并提高抗热震性。
如果对切削工具进行适当的涂层并按设计执行,最终用户在使用过程中可以得到更高的切削数据,更长的工具寿命以及干式加工的可能性。
切削工具的涂层方法
涂层切割工具有两个主要过程:CVD(化学气相沉积)和PVD(物理气相沉积)。每种方法都有其自身的优点和缺点。
多年来,CVD涂层是最原始和最常用的涂层方法。CVD方法包括在化学反应器内加热衬底并将衬底暴露于气流中。气体在热的基材表面上分解,形成涂层。通常,CVD方法需要约1000摄氏度的温度。
常见的涂层使用三种气体TiCL4(四氯化钛),H2(氢)和N2(氮)产生TiN(氮化钛)+ HCl(氯化氢)。HCl是该方法的副产品,必须根据严格的环境法规进行处理。
CVD方法的优点包括最佳的层附着力以及一致的层分布。CVD法的缺点是高温会影响基材,当以气态形式进料涂料时,很少有适合涂布的材料,并且循环时间长。
PVD涂层是工具涂层方法中较新的一种,并且在行业中越来越受欢迎。PVD方法涉及在真空中将层压材料从光源通过传输空间传输到基板。使用来自电源的热能或电能将层压材料汽化,然后使汽化的材料粘附到基材上。
PVD工艺的优势在于适用于涂覆的材料范围很广,工作温度较低,约为450°C,可涂覆锋利的切削刃。缺点是内表面的涂覆困难(涂覆需要从层压材料到基材的视线)并且基材的表面要求高得多。
基本涂装方法
使用PVD,有两种主要技术用于涂覆不同的基材:电弧法(电弧放电)和溅射法(阴极溅射)。两种方法都有一个额外的优势。涂层室相对容易构造。
电弧法涉及一种电源(很像闪电)击中层压材料并将该材料从固体转变为液相再变成气相。
电弧法涉及一种电源(很像闪电)击中层压材料并将该材料从固体转变为液相再变成气相。该方法的优点是高层速率(相对于溅射)。但是,由于层压材料处于所有三相(固态,液态和气态),因此可能会产生液滴(微小的液体颗粒)。这些液滴没有达到气态。
溅射方法涉及热能源,其将固体层压板立即转变为气态。当材料跳过液相时,不会出现液滴。但是,较低的层速率(相对于电弧)会导致更长的循环时间。
硬质涂料
大多数硬质材料(涂层是硬质材料)由金属和准金属组成。切削工具熟悉的涂层的一些示例是TiN(氮化钛),TiCN(氮化碳氮化钛),TiAlN(氮化铝钛),AlTiN(氮化钛铝)和AlCrN(氮化铬铝)。元素周期表显示了可能用作涂料的金属和准金属的清单。
在涂覆过程中,较小的准金属(在TiN的情况下为氮或N)自身会沉积在金属钛(Ti)的晶格空位中。转换为TiCN时,碳(C)部分替代了部分氮(N)。按照相同的逻辑,可以确定其他样品涂层所需的金属和准金属。
这是PVD工艺的优势之一。由于金属在PVD室中为固体(CVD以气相形式引入),因此几乎所有金属都可用于涂覆。当然,并不是所有的金属都是有益的,但可以使用。
涂层结构
经过多年的发展,涂层的结构已经发生了许多变化和改进。涂层技术中通常有五种不同的层结构。
顾名思义,单层结构仅是一层涂层。在显微镜下观察结构时,可见高大的涂层柱。这很容易应用,但也很容易破裂和损坏。想象一个球击中一堆圆柱。柱子将开始掉落,并且裂纹将很容易穿透到基底。
多层结构是彼此之上的许多不同的单层结构。镶嵌钢是这种类型结构的历史例子,它结合了几种材料的特性,制成了既坚韧又坚硬的表面。
纳米层的结构与多层相同,但要小得多。这些层处于原子的厚度水平。
纳米复合涂层使用与硬质合金切削刀具类似的技术。纳米结构将结合相的韧性(例如钴与碳化物)与纳米复合涂层的硬度相结合。
渐变结构通过在其核心处开始具有柔软性和弹性,然后在表面附近变硬并具有耐磨性来获得其功能。
涂料质量控制与检验
在对切削工具进行涂层之后,按照制造过程的每个步骤的要求,制造商需要对涂层本身进行质量检查。质量检查过程和程序通常涉及检查层厚度,层粘附性,层构造和结构以及层组成和分布四个方面。
检查层厚度。这样做的主要方法有两种:通过Calotte研磨检查或使用X射线荧光辐射检查。
Calotte研磨涉及使用小的金刚石砂轮(球),该砂轮研磨掉涂层以露出下面的基材。
Calotte研磨涉及使用小的金刚石砂轮(球),该砂轮研磨掉涂层以露出下面的基材。然后,通过显微镜观察接地区域,可以使用公式(XxY)/球直径来测量层厚度。其中,X是从顶视图看的涂层宽度,Y是基片加上顶视图的涂层宽度。目标是在制造商指定的涂层厚度范围内获得可实现的价值。
X射线荧光辐射可能是一种更准确的方法,因为涂层和基底材料都会产生X射线荧光辐射,但是涂层会削弱基底的辐射。基材辐射的弱化程度是通过二次发射来测量的,因此可以确定涂层的厚度。一种首选的方法是Calotte研磨,因为它更易于观察,感觉和触摸。
层间附着力。一旦层厚度达到公差范围,下一个检查就是层粘附性。这可能是质量控制测试中最主观的。洛氏压痕和划痕测试是检查层附着力的两种方法。
洛氏压痕正好包含其听起来的含义。在设定的力下将硬化的球下拉到涂覆的基材上。涂覆的基材出现裂纹,检查人员通过显微镜检查压痕处的裂纹,并评估裂纹的数量和强度。根据制造商提出的个别标准,检查员确定检查是否可接受或是否失败。尽管这似乎很简单,但涂层的厚度也会影响裂纹的数量和强度,因此较厚的涂层比较薄的涂层允许更多的裂纹。
划痕测试更为直接。在划痕测试中,检查员将压痕工具置于逐渐增大的切削工具载荷下。在临界载荷Lc下,涂层开始破裂。在这一点上,测量行进的距离,如果足够远,则附着力是可以接受的。
层的构造和结构。具有良好的厚度和可接受的附着力,下一步是检查层的构造和结构。这与通过小刀研磨的层厚度相同。使用同一球,将涂层磨掉并在显微镜下观察。在这里可以看到并确认上述不同的层结构。
层组成和分布。最后的质量控制检查是层的组成和分布。这需要扫描电子显微镜和能量色散X射线技术(SEM / EDX)。SEM与EDX分析相结合,可在高分辨率下产生极高的图像放大倍率(多达200,000倍),以确定小部分材料(小至2纳米)中的材料和材料量。
室内涂料与外部涂料
切削刀具涂层生产的见解的最后一部分就是涂层的产生位置。与使用外部光源相比,在内部涂覆工具具有巨大的优势。然而,内部涂层的确需要大量的资本投资。
内部涂料的优势在于物流,加工时间和质量。
从逻辑上讲,制造商不必包装要涂覆的产品,也不需要运输。这通常将节省至少两个工作日。不仅减少了处理时间,而且还具有能够应对生产中的瓶颈并提供不到24小时的门到门时间的附加优势。
另一个优点是涂层的质量。在内部执行涂层操作的制造商可以使用特定于产品的货架和预处理。他们有能力确保没有产品组合的同质批次。因此,在内部涂覆产品时可以减小公差。
外部涂层源可能在涂层炉中具有多种类型的产品,并且它们的涂层总公差带可能为2-4微米。具有同批次产品的内部涂层允许的公差带为标称尺寸的±20%。如果标称值为2微米,则涂层的总公差为0.8微米(相对于2微米)。层的厚度分布类似于钟形曲线,因此81%的产品总公差为0.4微米。
切削刀具的涂层需要大量的时间,精力,科学和思想。切削工具制造商的目标是提供一种产品,以帮助用户更快,更准确地生产其零件。
希望这有助于提供对涂层生产过程的一些见解,并提醒人们,漂亮的金嵌件背后有一些严肃的技术。
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