利用纳米技术开发新型刀具涂层发展近况2压扁线机
文章来源：华奎机械网 | 2022-08-19
利用纳米技术开发新型刀具涂层发展近况2
结果证明，该涂层在钻削加工中的应用最为成功，原因在于增大了涂层厚度。在用直径5.2mm的整体硬质合金钻头在D-2工具钢上钻孔的切削试验中，与采用传统的TiAlN、AlTiN和Al-CrN涂层的钻头相比，采用纳米复合涂层的钻头刀具寿命提高了一倍以上。
SwissTek涂层公司是一家采用Platit涂层设备的涂层服务商okmart.com。该公司总裁PeterBartos表示，该公司采用其Nano-Tek和Nano-Tek/Cr工艺沉积两种纳米复合涂层：用Nano-Tek工艺沉积AlTiN/Si3N4复合涂层；用Nano-Tek/Cr工艺在Si3N4基底上沉积AlCrN涂层。他解释说，“在其中任何一种工艺中，非晶Si3N4都填充了AlTiN或AlCrN纳米晶粒之间的空隙。”
Bartos介绍说，纳米复合涂层用于整体式圆刀具以及螺纹加工、铣削和车削刀片，它们在该公司涂层业务中所占的比例在不断增大。他说，“该涂层的主要优势是非常高的硬度和优异的耐热性。采用传统的AlTiN涂层时，在这些性能上存在相当大的局限性，但纳米复合涂层材料突破了这些障碍。”
Bartos指出，纳米复合涂层的氧化温度——涂层在空气中发生氧化并开始分解的温度点——为1,100℃－1,200℃。这一温度比性能最好的传统PVD涂层的氧化温度也要高得多，并且非常接近硬质合金基体的初始烧结温度。这种极好的耐热性使纳米复合涂层非常适合各种高效加工或高速加工。Bartos说，“我们发现，这种铬基涂层的适用范围比钛基涂层更广泛，它似乎更适合对淬硬钢进行硬铣削。”
但是，与传统涂层相比，纳米复合涂层的成本要更昂贵一些。Bartos表示，“任何一种纳米复合涂层的价格可能都要比传统的AlTiN或TiAlN涂层高20%左右。不过，根据涂层类型的不同，涂层的成本可能只占刀具总成本的5%－15%，因此，纳米复合涂层刀具与传统涂层刀具在购置成本上不会有太大的差异。”
纳米涂层刀具的前景
多年来，刀具供应商和涂层服务商都很清楚，与单层涂层相比，多层结构涂层具有更好的强度和耐磨性。Harvey刀具公司已将这种理念应用于小直径立铣刀和钻头的纳米涂层领域。该公司主管设计的副总裁JeffDavis表示，“多层结构能有效地控制裂纹的产生，即使产生了裂纹或剥落，它扩散到整个涂层结构的速度也要慢得多。”
Harvey刀具公司开发的纳米涂层厚度通常为1－4μm，与之相比，其传统的AlTiN涂层厚度为2－5μm或更厚。Davis表示，由于纳米涂层材料的晶粒尺寸更细小，因此能制备出厚度更薄、粘附性和结构一致性更好的涂层。用纳米晶粒材料沉积出的涂层还具有更高的硬度和更佳的耐热性。Harvey刀具公司宣称，其纳米AlTiN涂层材料的硬度为45GPa，最高工作温度为1,150℃，与之相比，其传统AlTiN涂层牌号的硬度为35.5GPa，最高工作温度为760℃。
涂层性能的提高，使纳米涂层刀具在难切削材料的加工中具有比传统涂层刀具更长的使用寿命。
Davis表示，“或许纳米涂层的最佳应用领域是淬硬钢的铣削加工——此类材料的硬度大约从HRC45开始，可以达到极高的硬度水平，传统的TiN涂层刀具对它们无能为力。
AlTiN涂层沿着正确的方向前进了一大步，而纳米涂层——加上正确的刀具切削刃制备、基体和几何结构优化设计——使用户能将刀具寿命从也许几秒钟提高到几分钟。”
Davis表示，该公司下一步还将把纳米涂层应用于钻削加工，“如果你需要加工深度超过4倍孔径的孔，使冷却液到达钻尖处始终是至关重要的问题。你可以采取‘啄击’加工或其他方式，但纳米涂层可承受更高切削温度的能力将使这种加工受益无穷。”
尽管如此，Davis仍然对纳米涂层刀具的应用提出了一些忠告：“纳米涂层与TiN涂层不同。TiN涂层可以用于任何刀具，而且都能提高其切削性能。而纳米涂层属于专用涂层，其适用范围较窄。我们将其用于硬铣削刀具、几种精加工刀具和一些可变螺旋槽刀具上。此外，还要再次强调，需要优化的不仅仅是涂层，还需要对刃口制备、刀具基体、后角和螺旋角、芯径等进行综合优化，才能在非常困难的加工中延长刀具寿命。”
SwissTek涂层公司的Bartos认为，纳米涂层的应用范围还将进一步扩大。现在，这些涂层已向最终开发出可在几乎所有类型的切削加工中提高刀具寿命和生产效率的、神奇的通用涂层迈出了一大步。他说，“每个人都希望开发出一种‘万应灵药’式的纳米涂层——一种可以应用于铣削和钻削刀具、车削刀片、硬质合金和高速钢基体，并且在每种加工中都表现出色的涂层。当然，目前这种涂层还不存在，但这是我们开发纳米涂层技术和材料的努力方向。”