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納米及超細結構硬質合金將成為未來技術發展的新方向

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納米及超細結構硬質合金將成為未來技術發展的新方向

發布日期:2020-08-20 作者: 點擊:

        瑞典山高(SECO)公司繼兩年前推出TP1000、TP2000、TP3000三個高性能ISO-P類硬質合金塗層牌號後,新推出了號稱“新行業標準”的TP2500通用型ISO-P類硬質合金塗層新牌號,它是在山高公司新一代Triple-Zero基體材質上,采用了被稱為DurAtomic的塗層技術而形成的全新的硬質合金塗層牌號。DurAtomic塗層的a-Al2O3由原子長成,與通常的CVD塗層所生成的a-Al2O3相比,DurAtomic塗層具有更高的耐磨性和韌性。TP2500被設計成普通鋼件車削(ISOP15~P30)的首選牌號,也可作為ISOM20和ISOK30的補充牌號。據山高公司技術人員介紹,新的TP2500刀片可提高加工效率50%以上,提高刀具壽命300%以上。

        德國藍幟金屬加工技術集團倍銳特公司(LMT-BOEHLERIT)利用中溫化學塗層技術開發出了“黃色氧化鋁複合塗層”技術,結合該公司新開發的Durotec齒狀過渡層技術,使黃色氧化鋁塗層和過渡層間在具有極好的粘合性的同時,又具有良好的散熱性,並推出了SteeltecLC215K和LC225K係列刀片牌號。SteeltecLC215K在切削鋼材時可以達到300m/min以上的切削速度,刀片壽命比現有其它刀片提高了30%。而SteeltecLC225K則在LC215K的基礎上進一步提高了刀片的韌性,使刀片使用壽命在原有的基礎上又延長了30%。

        納米結構塗層(Nanocoating)技術迅速發展的塗層新技術,其塗層材料的晶粒度一般都在100nm以下,具有良好的切削性能。這次展會上,國內、外多家公司都有納米結構塗層新牌號推出。日本住友電工硬質合金株式會社推出的超級ZX塗層牌號(ACP200、ACP300、ACK300和AC530U),采用了相互交疊的總層數達1000層的超薄TiAlN與AlCrN納米級塗層,每層塗層的厚度約為10納米,大幅度提高了塗層表麵的硬度和抗氧化性。與傳統的TiAlN塗層相比,超級ZX塗層的硬度提高了40%,開始氧化溫度也提升了200℃,從而提高刀具的加工效率1.5倍;在相同切削條件下,提高刀具壽命2倍。推出納米結構塗層新牌號的還有日本日立株式會社,該公司新推出的納米塗層ATH、ACS係列牌號與通常的TiAlN(PVD)塗層牌號相比,具有更高的硬度和耐氧化性,其耐氧化溫度達到1100℃,顯微硬度達到3600HV,可適用於從預硬鋼到淬火鋼的高速幹式切削加工。株洲鑽石切削刀具股份有限公司新推出的納米結構nc-TiAlN塗層新牌號(YBG102、YBG202、YBG302和YBG203)是在超細晶粒硬質合金基體表麵塗覆2~4μm的納米TiAlN,該係列牌號覆蓋了鋼、不鏽鋼、鑄鐵、耐熱合金、高溫合金、鈦合金等大多數材料的車削和銑削加工,具有廣泛的適應性。

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        在塗層中,通過晶粒細化技術來提高塗層表麵光潔度,使塗層表麵光滑,以提高塗層刀具抗摩擦、抗粘結的能力也是塗層技術發展的一個方向。日本三菱綜合材料株式會社推出的高效加工鋼材的專利技術UC6110超級塗層硬質合金牌號,前刀麵為由抑製結晶生長的細至納米級的TiCN與抑製結晶生長的納米級三氧化二鋁構成的納米結構CVD塗層,具有極高的韌性和超強的耐磨損性,外表麵為一層黃色的特殊Ti金屬化合物,使塗層表麵平滑化。後刀麵為黑色的超平滑塗層,以確保刀具磨損的穩定性。住友電工硬質合金株式會社新推出的超級FF塗層牌號(AC410K、AC610M、AC630M、ACP100、ACK200),是在專用的硬質合金基體上,塗覆超細晶粒的TiCN,提高了塗層與基體的結合力,再在其上塗覆超細超平滑化的FF鋁基膜,使表麵硬度提高了30%,表麵粗糙度降低了50%,與通常的材質相比,可提高加工效率1.5倍,提高刀具壽命2倍以上。

        從這次展會所推出的硬質合金刀具材料新牌號可以看出,當前硬質合金刀具材料牌號正向著兩個相反的方向發展,一方麵,通用型牌號的適用麵越來越廣,通用性越來越強。另一方麵,專用型牌號越來越具有針對性,更加適應被加工材料和切削條件,從而達到提高切削效率的目的。如:美國Kennametal公司推出的新的KU係列(KU10T、KU25T、KU30T)牌號就具有非常廣泛的通用性。其中,KU10T和KU25T采用了具有高韌性的和高耐磨性的硬質合金基體,並配以高含鋁量的TiN+TiAlN複合PVD塗層;而KU30T則采用了韌性極好的富鈷層梯度硬質合金基體,配以TiN+TiCN+TiN複合CVD塗層。新的KU係列牌號可廣泛適用於鋼、不鏽鋼、鑄鐵、非鈦合金、高溫合金和硬材料的車削、鏜孔、切槽、切斷和螺紋加工。該公司新推出的KC5510和KC5525則是專為高效率加工高溫合金而設計的牌號,晶粒細化的高鈷硬質合金基體,配以高性能的TiAlNPVD塗層,使刀片具有極強的抗熱變形能力,可以比其它PVD塗層刀具提高兩倍以上的切削速度。日本Tungaloy超硬工具株式會社推出的T6000係列牌號(T6020、T6030),則是專為不鏽鋼車削加工開發的CVD牌號。ISCAR公司推出的專用於高速銑削加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵的DO-TEC塗層牌號(DT7150),采用了Al2O3-MTCVD內塗層加TiAlNPVD外塗層的複合塗層技術,具有極高的耐磨性及抗剝落性。

        從本次展會可以看到,金剛石CVD塗層刀具的性能又有了進一步的提高,產品覆蓋了可轉位刀具和整體硬質合金刀具。廈門金鷺特種材料有限公司展出了新開發的“青霜”係列超細結晶金剛石塗層立銑刀。與通常的金剛石塗層相比,“青霜”係列金剛石塗層為超細結晶,平均粒度<1μm,塗層表麵更加光滑,刀具壽命可提高20倍以上。日本OSG公司也展出了適用於石墨電極和銅電極加工的超微粒結晶金剛石塗層銑刀,結晶粒度為1μm,塗層厚度6~20μm,使刀具的刃口更加鋒利,減少切削中的粘結,降低了工件表麵的粗糙度。美國SGS刀具公司則推出了非晶體的金剛石(AmorphousDiamond)塗層立銑刀,用以加工最具磨損特性的材料。刀具表麵是沿著刀具曲麵精確形成的晶瑩光滑的厚度約為1μm的非晶體金剛石薄膜,其最顯著的特點是使刀具在具有金剛石極高的抗磨損能力(表麵硬度達60~90GPa)的同時,又具有光滑的刀具表麵,降低了刀具表麵與工件的摩擦,從而大大降低了切削溫度。此外,非晶體金剛石塗層的另一大特點是對刀具基體材質沒有特殊要求,可在任何材質的刀具基體表麵塗覆,其塗覆溫度僅為150℃。據介紹SGS非晶體金剛石刀具可比AlTiN塗層刀具的壽命長6倍。

        納米及超細結構硬質合金將成為未來技術發展的新方向。普通結構硬質合金的耐磨性與韌性相互排斥,協調這種矛盾一直是硬質合金研究方麵焦點。研究發現,在硬質合金粘結相含量一定的情況下,當碳化鎢(WC)晶粒度減小到0.8μm以下時,不僅合金的硬度提高,而且強度也有提高,隨著晶粒度的進一步減小,提高幅度更加明顯。

        這種兼有高硬度和高強度的硬質合金刀具在加工硬而脆的材料(如冷鑄鐵等)時顯示出優異的使用性能。WC-10Co超細硬質合金的硬度(HRA)可達到93,橫向斷裂強度大於5000MPa。納米及超細晶粒硬質合金具有普通硬質合金不可比擬的優越性能,滿足現代加工工業以及特種應用領域對新材料加工要求的能力大副提高。納米及超細結構硬質合金的這種“雙高”(高耐磨性、高韌性)性能,特別適用於製造適應高負荷、高應力磨損、銳利、剛性好工具和模具,如印刷電路板(PCB)微鑽、V-CUT刀、銑刀等。

        關於納米及超細結構硬質合金的晶粒度問題,目前沒有統一的標準。一般認為,晶粒度小於0.5μm的硬質合金為超細硬質合金,晶粒度小於0.2μm的硬質合金為納米硬質合金。在這方麵,瑞典Sandvik和德國粉末冶金協會的分級標準相對權威。

        20世紀90年代以來,圍繞細化晶粒,製取超細乃至納米結果硬質合金的研究開發已經成為世界硬質合金技術領域的一大熱點。美國Rutgers大學於1989年率先研製成功納米結構硬質合金並取得專利。納米結構硬質合金的問世,是硬質合金領域中具有劃時代意義的重大突破,為解決硬質合金強度和硬度之間的矛盾開辟了新的途徑。

        

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