加工模具用高效长寿命切削刀具材料

《Amada》

瑞典山特维克公司的新型GC1030硬质合金牌号是全球率先开发的TiAlN超多层涂层硬质合金刀具材料，它在模具材料的加工中，发挥出了提高加工效率、延长刀具寿命的卓越性能。
5 Y1 \# f0 S6 G% A+ k（1）模具材料变化带来的问题
近年来，随着模具材料的性能不断提高，模具的寿命不断延长，但同时模具材料的可加工性（切削和磨削）也越来越差。近年来，模具的加工方法发生了很大变化，正从机械加工→淬火→精加工的传统加工方式向直接切削加工淬硬材料的方式转变，从而减少了加工工序，降低了加工成本。对于SKD61等淬硬材料，直接切削加工不会出现太大问题；但对于近年来新开发的跨世纪的新型模具材料，则既无法提高切削条件，也难以保证刀具寿命。这是一个不能忽视的大问题。
% G+ T) ~/ i3 O/ K+ W0 e（2）可切削性恶化的原因
, f b; I! T: ~& N. Y当前，对应于各种不同的使用目的，对模具材料的性能进行了最优化，其共同追求的性能特点是高硬度、高韧性、高耐蚀性、已加工表面光洁美观、质量优良等。为了满足这些特性要求，需要采取添加各种合金元素、控制材料结晶组织、清除杂质等措施。但是，从切削刀具的角度来看待这些性能改进，就会发现它给刀具带来了比切削抗力上升、因粘结导致刀尖损坏的危险性增大、易切削成分减少等难题。为了解决这些问题，就必须开发耐热性、抗粘结性等切削性能优异的刀具材料。
1 B* W) d6 w: t% V5 D! W' z; }1 K1 A) h（3）开发新型刀具材料的必要性
为了解决上述问题，山特维克公司开发了铣削模具用涂层硬质合金材料。在铣削一般硬度材料时，可采用具有较高的耐热性、耐磨性、化学稳定性的涂层硬质合金刀具。而在铣削SKD61淬硬钢时，使用以K类（GC3040）硬质合金作为基体、涂有M2O3涂层的刀具是最好的选择。但是，这些刀具对于跨世纪的新型模具材料并不适用。用CVD法涂覆的涂层硬质合金刀具不能保持锋利的切削刃，在涂层内部残留有拉应力，在铣削粘而硬的模具材料时，在切削刃的涂层上容易产生微崩刃，并会逐步扩展为较大崩刃。
用2种PVD涂层刀具材料和3种CVD涂层刀具材料做了铣削DAC55（硬度HRC47）模具材料的刀具寿命对比试验。3种CVD涂层材料是在不同基体材料表面涂覆不同厚度的TiN-Al2O3-TiCN三元涂层材料；2种PVD涂层材料是在不同基体材料上涂覆含Al比例不同的TiAlN涂层。观察切屑厚度与刀具寿命的关系，可以看出，PVD-TiAlN涂层材料排在第1和第2位，尤其是含Al量多的PVD-TiAlN涂层材料的切削寿命优于其他四种材料。TiAlN涂层之所以能获得高耐热性，是由于在涂覆过程中，Al与空气中的氧反应生成氧化铝的结果。但是，由于PVD涂层与基体的结合强度有一定限度，因此对于粘性材料的加工就不大适应。在切削DAC55工件材料（HRC47）的加工实例中（试验刀具：R210-063Q22-14M；切削速度：Vc=50m/min；刀齿数：z=1；轴向切削余量：ap=1mm；径向切削余量：ae=1mm；顺铣；干切削；刀具寿命判断标准：VB=0.2mm），最长的刀具寿命也只有25分钟。因此，需要开发高性能的新型涂层材料。（4）超多层涂层的开发
山特维克公司几年前就开始关注超多涂层的作用，推进车削刀片、整体硬质合金立铣刀用超多涂层的研究开发及商品化，为提高生产效率和刀具寿命做出了重大贡献。所谓超多涂层，是将数微米厚的PVD或CVD涂层交替组合重叠涂覆的涂层构造，其优点是涂层内部产生的微裂纹将在中途停止扩展，从而降低涂层脱落的可能性。而对于单层涂层来说，当涂层裂纹扩展到基体表面时，此处就成为涂层剥离的起点。因此可以说，不容易发生此类情况的涂层就是优质涂层。
5 o* `, l, X7 b- u8 wGC1030涂层牌号在4μm厚的PVD涂层内为多达数千层的超多层涂层构造，构成涂层的元素有钛（Ti）、铝（Al）和氮（N）。从涂层的整体结构来看，是一种超多层的TiAlN涂层；从微观结构上看，是通过改变各层Ti和Al的配比并交替重叠组合而成的超多层TiAlN涂层，其结果是形成了具有高耐热性的含Al成分高的涂层和高韧性涂层交替重叠的涂层构造。从整体上构成了前所未有的高耐热性和抗剥离性兼备的TiAlN涂层材料。
（5）性能对比
用山特维克公司原有的TiAlN涂层刀片与GC1030超多层TiAlN涂层刀片进行了切削DAC3工件材料（HRC41）的性能对比试验（切削速度：Vc=90m/min；每齿进给量：fz=0.15mm/齿；刀齿数：z=1；轴向切削余量：ap=2mm；径向切削余量：ae=20mm；顺铣；干切削）。原有TiAlN涂层中含Al成分较多，是一种具有高耐热性的刀片。比较两种刀片试验后的切削刃可知，GC1030牌号TiAlN涂层刀片不仅加工时间长，且切削刃磨损很小，是一种性能优异的超多层构造的TiAlN涂层材料。
GC1030涂层与其他公司含Al成分多的TiAlN涂层的切削对比试验（试件材料仍为DAC3，切削速度：Vc=90m/min；每齿进给量：fz=0.13mm/齿；刀齿数：z=1；轴向切削余量：ap=3mm；径向切削余量：ae=3mm；顺铣；干切削）结果表明，其他公司的TiAlN刀具加工20分钟后局部磨损很大，这是由于涂层（或涂层与基体的一部分）和积屑瘤剥离造成的。与此相反，GC1030超多层TiAlN涂层刀具加工时间超过50分钟时仍未发现大的崩刃。由此可见，GC1030涂层可放心应用于如淬过火的DAC3那样粘而硬的材料加工。此外，GC1030涂层材料在各种钛合金加工中也优于原有TiAlN涂层材料，可获得很好的效果。虽然其因果关系的科学机理尚不清楚，但可以确定，超多层构造涂层对切削性能具有良好的正面影响，不仅适用于粘而硬的模具材料加工，对于飞机构件、医疗产品等的加工也是一种不错的刀具材料。
山特维克公司将把GC1030超多层TiAlN涂层材料用于PVD涂层硬质合金铣削刀具。2006年春季应用于所有的可乐满铣刀，到秋季应用于可乐满245端面铣刀的新型切削刃刀片、可乐满210大进给铣刀的正前角断屑槽刀片和可乐满300低切削抗力圆刀片机夹铣刀的磨削级正前角刀片等，使GC1030型超多层TiAlN涂层材料逐步扩大应用范围，并占据主导地位。