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纳米及超细结构硬质合金将成为未来技术发展的新方向

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纳米及超细结构硬质合金将成为未来技术发展的新方向

发布日期:2020-08-20 作者: 点击:

        瑞典山高(SECO)公司继两年前推出TP1000、TP2000、TP3000三个高性能ISO-P类硬质合金涂层牌号后,新推出了号称“新行业标准”的TP2500通用型ISO-P类硬质合金涂层新牌号,它是在山高公司新一代Triple-Zero基体材质上,采用了被称为DurAtomic的涂层技术而形成的全新的硬质合金涂层牌号。DurAtomic涂层的a-Al2O3由原子长成,与通常的CVD涂层所生成的a-Al2O3相比,DurAtomic涂层具有更高的耐磨性和韧性。TP2500被设计成普通钢件车削(ISOP15~P30)的首选牌号,也可作为ISOM20和ISOK30的补充牌号。据山高公司技术人员介绍,新的TP2500刀片可提高加工效率50%以上,提高刀具寿命300%以上。

        德国蓝帜金属加工技术集团倍锐特公司(LMT-BOEHLERIT)利用中温化学涂层技术开发出了“黄色氧化铝复合涂层”技术,结合该公司新开发的Durotec齿状过渡层技术,使黄色氧化铝涂层和过渡层间在具有极好的粘合性的同时,又具有良好的散热性,并推出了SteeltecLC215K和LC225K系列刀片牌号。SteeltecLC215K在切削钢材时可以达到300m/min以上的切削速度,刀片寿命比现有其它刀片提高了30%。而SteeltecLC225K则在LC215K的基础上进一步提高了刀片的韧性,使刀片使用寿命在原有的基础上又延长了30%。

        纳米结构涂层(Nanocoating)技术迅速发展的涂层新技术,其涂层材料的晶粒度一般都在100nm以下,具有良好的切削性能。这次展会上,国内、外多家公司都有纳米结构涂层新牌号推出。日本住友电工硬质合金株式会社推出的超级ZX涂层牌号(ACP200、ACP300、ACK300和AC530U),采用了相互交叠的总层数达1000层的超薄TiAlN与AlCrN纳米级涂层,每层涂层的厚度约为10纳米,大幅度提高了涂层表面的硬度和抗氧化性。与传统的TiAlN涂层相比,超级ZX涂层的硬度提高了40%,开始氧化温度也提升了200℃,从而提高刀具的加工效率1.5倍;在相同切削条件下,提高刀具寿命2倍。推出纳米结构涂层新牌号的还有日本日立株式会社,该公司新推出的纳米涂层ATH、ACS系列牌号与通常的TiAlN(PVD)涂层牌号相比,具有更高的硬度和耐氧化性,其耐氧化温度达到1100℃,显微硬度达到3600HV,可适用于从预硬钢到淬火钢的高速干式切削加工。株洲钻石切削刀具股份秒速牛牛官网新推出的纳米结构nc-TiAlN涂层新牌号(YBG102、YBG202、YBG302和YBG203)是在超细晶粒硬质合金基体表面涂覆2~4μm的纳米TiAlN,该系列牌号覆盖了钢、不锈钢、铸铁、耐热合金、高温合金、钛合金等大多数材料的车削和铣削加工,具有广泛的适应性。

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        在涂层中,通过晶粒细化技术来提高涂层表面光洁度,使涂层表面光滑,以提高涂层刀具抗摩擦、抗粘结的能力也是涂层技术发展的一个方向。日本三菱综合材料株式会社推出的高效加工钢材的专利技术UC6110超级涂层硬质合金牌号,前刀面为由抑制结晶生长的细至纳米级的TiCN与抑制结晶生长的纳米级三氧化二铝构成的纳米结构CVD涂层,具有极高的韧性和超强的耐磨损性,外表面为一层黄色的特殊Ti金属化合物,使涂层表面平滑化。后刀面为黑色的超平滑涂层,以确保刀具磨损的稳定性。住友电工硬质合金株式会社新推出的超级FF涂层牌号(AC410K、AC610M、AC630M、ACP100、ACK200),是在专用的硬质合金基体上,涂覆超细晶粒的TiCN,提高了涂层与基体的结合力,再在其上涂覆超细超平滑化的FF铝基膜,使表面硬度提高了30%,表面粗糙度降低了50%,与通常的材质相比,可提高加工效率1。5倍,提高刀具寿命2倍以上。

        从这次展会所推出的硬质合金刀具材料新牌号可以看出,当前硬质合金刀具材料牌号正向着两个相反的方向发展,一方面,通用型牌号的适用面越来越广,通用性越来越强。另一方面,专用型牌号越来越具有针对性,更加适应被加工材料和切削条件,从而达到提高切削效率的目的。如:美国Kennametal公司推出的新的KU系列(KU10T、KU25T、KU30T)牌号就具有非常广泛的通用性。其中,KU10T和KU25T采用了具有高韧性的和高耐磨性的硬质合金基体,并配以高含铝量的TiN+TiAlN复合PVD涂层;而KU30T则采用了韧性极好的富钴层梯度硬质合金基体,配以TiN+TiCN+TiN复合CVD涂层。新的KU系列牌号可广泛适用于钢、不锈钢、铸铁、非钛合金、高温合金和硬材料的车削、镗孔、切槽、切断和螺纹加工。该公司新推出的KC5510和KC5525则是专为高效率加工高温合金而设计的牌号,晶粒细化的高钴硬质合金基体,配以高性能的TiAlNPVD涂层,使刀片具有极强的抗热变形能力,可以比其它PVD涂层刀具提高两倍以上的切削速度。日本Tungaloy超硬工具株式会社推出的T6000系列牌号(T6020、T6030),则是专为不锈钢车削加工开发的CVD牌号。ISCAR公司推出的专用于高速铣削加工灰铸铁和球墨铸铁的DO-TEC涂层牌号(DT7150),采用了Al2O3-MTCVD内涂层加TiAlNPVD外涂层的复合涂层技术,具有极高的耐磨性及抗剥落性。

        从本次展会可以看到,金刚石CVD涂层刀具的性能又有了进一步的提高,产品覆盖了可转位刀具和整体硬质合金刀具。厦门金鹭特种材料秒速牛牛官网展出了新开发的“青霜”系列超细结晶金刚石涂层立铣刀。与通常的金刚石涂层相比,“青霜”系列金刚石涂层为超细结晶,平均粒度<1μm,涂层表面更加光滑,刀具寿命可提高20倍以上。日本OSG公司也展出了适用于石墨电极和铜电极加工的超微粒结晶金刚石涂层铣刀,结晶粒度为1μm,涂层厚度6~20μm,使刀具的刃口更加锋利,减少切削中的粘结,降低了工件表面的粗糙度。美国SGS刀具公司则推出了非晶体的金刚石(AmorphousDiamond)涂层立铣刀,用以加工最具磨损特性的材料。刀具表面是沿着刀具曲面精确形成的晶莹光滑的厚度约为1μm的非晶体金刚石薄膜,其最显著的特点是使刀具在具有金刚石极高的抗磨损能力(表面硬度达60~90GPa)的同时,又具有光滑的刀具表面,降低了刀具表面与工件的摩擦,从而大大降低了切削温度。此外,非晶体金刚石涂层的另一大特点是对刀具基体材质没有特殊要求,可在任何材质的刀具基体表面涂覆,其涂覆温度仅为150℃。据介绍SGS非晶体金刚石刀具可比AlTiN涂层刀具的寿命长6倍。

        纳米及超细结构硬质合金将成为未来技术发展的新方向。普通结构硬质合金的耐磨性与韧性相互排斥,协调这种矛盾一直是硬质合金研究方面焦点。研究发现,在硬质合金粘结相含量一定的情况下,当碳化钨(WC)晶粒度减小到0。8μm以下时,不仅合金的硬度提高,而且强度也有提高,随着晶粒度的进一步减小,提高幅度更加明显。

        这种兼有高硬度和高强度的硬质合金刀具在加工硬而脆的材料(如冷铸铁等)时显示出优异的使用性能。WC-10Co超细硬质合金的硬度(HRA)可达到93,横向断裂强度大于5000MPa。纳米及超细晶粒硬质合金具有普通硬质合金不可比拟的优越性能,满足现代加工工业以及特种应用领域对新材料加工要求的能力大副提高。纳米及超细结构硬质合金的这种“双高”(高耐磨性、高韧性)性能,特别适用于制造适应高负荷、高应力磨损、锐利、刚性好工具和模具,如印刷电路板(PCB)微钻、V-CUT刀、铣刀等。

        关于纳米及超细结构硬质合金的晶粒度问题,目前没有统一的标准。一般认为,晶粒度小于0。5μm的硬质合金为超细硬质合金,晶粒度小于0。2μm的硬质合金为纳米硬质合金。在这方面,瑞典Sandvik和德国粉末冶金协会的分级标准相对权威。

        20世纪90年代以来,围绕细化晶粒,制取超细乃至纳米结果硬质合金的研究开发已经成为世界硬质合金技术领域的一大热点。美国Rutgers大学于1989年率先研制成功纳米结构硬质合金并取得专利。纳米结构硬质合金的问世,是硬质合金领域中具有划时代意义的重大突破,为解决硬质合金强度和硬度之间的矛盾开辟了新的途径。

        

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