图1采用BalinitHelica超光滑多层AlCrN涂层的钻头 |
图2 Balinit Alcorna单层涂层的SEM图像 |
图3 Balinit Helica多层涂层的SEM图像 |
TiAlN和AlTIN是将Al元素沉积到TIN中而形成的PVD刀具涂层。迄今为止，通过增加TiAIN、AlTiN涂层中的铝含量，从而增强刀具涂层的耐高温性能和硬度，一直是刀具制造商和涂层公司关注的重大技术课题。自1995年以来，人们一直在持续不断地研究和改进相关的气相沉积工艺。到2000年，TiAlN和AlTiN涂层中铝元素与钛元素的成分比例已从原来的1:2提高到3:2，即铝含量已从33%增加到60%。 为进一步提高涂层中的铝含量，总部位于列支敦士登的巴尔查斯(Balzers)涂层公司经过大量研究，发明了用铬元素取代钛元素的涂层技术，并于2004年推出了商品名为“Balinit Alcorma”的单层AlCrN涂层。AlCrN涂层的铝含量比一般的AlTiN涂层更高，适用于包括齿轮滚刀、立铣刀、铣刀片在内的多种高速钢和硬质合金刀具。此外，它也可以用于车削刀具，但仅限于耐热性和扩散稳定性极好的基体材料，如PCBN和Si3N4陶瓷。在EMOHannover2005展览会上，巴尔查斯公司又推出了商品名为“BalinitHelica”，专为孔加工刀具设计的多层AlCrN涂层。这种超光滑涂层可应用于任何硬质合金或高速钢钻头上(见图1)，从而显著增强了钻头的耐磨性和剪切强度，并有利于提高钻头的排屑性能。 在扫描电子显微镜(SEM下观察硬质合金基体上Balinit Alcorna涂层的剖面微观结构时，可以清楚地看到厚度为3～4µm，呈连续结构的单层涂层(见图2)：而在BalinitHelica涂层的SEM图像中(见图3)，多层涂层结构清晰可辨。Helica多层涂层的总厚度约为4µm，但对于直径小于1/8in.的小钻头，涂层厚度以1～2µm更为适宜。 虽然100%的Al2O3(纯氧化铝)PVD涂层可为切削刀具提供最佳的热防护作用(在切削加工时，AlTiN和AlCrN涂层中的AlN成分将“转化”为Al2O3)，但是这种涂层的应用范围十分有限。虽然PVDAl2O3涂层技术已经获得了专利，且已能在使用交流电源(或脉冲直流电源)的实验室规模小型反应炉上对刀具进行Al2O3PVD涂层，但目前在商业化规模的大型反应炉上实现Al2O3PVD涂层仍然存在不少问题。这是因为Al2O3与其它可导电涂层材料不同，它是一种绝缘体。因此，采用等离子沉积原理的PVD涂层工艺在涂层沉积过程中需要外加偏置电压，即在被涂刀具与等离子靶源之间必须存在一定的电势差。总之，氧化铝的绝缘特性使PVD工艺相当难于控制，此外，PVDAl2O3涂层的经济性也较差。[注：德国瓦尔特公司(Walter AG)已在EMO2005展览会上推出了名为Tiger·ter的PVDAl2O3涂层。] 由于受到涂层结构稳定性的限制，AlTiN涂层中的铝含量实际已达到最大值(约65%)。在TiN基涂层中，铝含量过高会引起涂层晶体结构由立方晶格转化为六方晶格：而在CrN基涂层中，铝含量可以进一步提高而不会引起AlCrN涂层的晶体结构发生改变。 与其它涂层一样，AlCrN涂层的抗变形能力也取决于涂层材料的晶格形状。具有立方晶格的涂层能够保持很高的红硬性，即当涂层暴露于刀具/工件界面的切削高温中时仍能保持其高硬度。一旦涂层的晶体结构转变为六方晶格，就会因抗变形能力下降而使硬度降低。TiAlN涂层的硬度在约gu℃时即大幅下降，AlTiN涂层在温度不到90℃时也会出现硬度降低的现象：而AlCrN涂层在温度达到1100℃时仍可保持其硬度。即使在1100℃的高温下，AlCrN涂层也能保护刀具基体不发生氧化。Balzers公司Al-CrN系列涂层在50%核定负荷下的硬度水平可达到2800-3200HV。 由于AlCrN涂层的高红硬性使其在极高的热负荷下仍可保持性能稳定，因此AlCrN涂层刀具比其它类型涂层刀具的加工性能更为优异，尤其在高速切削、干式(或准干式)切削加工条件下更具优势。例如，Balzers公司切削实验室进行的切削试验证明，当分别以200m/min和400m/min的切削速度对Ck45钢工件进行精铣加工时，Al-CrN涂层铣刀的使用寿命远远高于TiAlN涂层铣刀。不过也有例外，在加工高硬度(≥54HRC)工件材料(如模具钢)时，AlTiN涂层的性能要优于AlCrN涂层(刀具寿命延长20%～40%，而刀具价格降低约25%)。但在加工硬度较低(<54HR)的材料(如合金钢、铸铁)以及粘性较大的材料(如低碳钢、不锈钢)时，AlCrN涂层的切削效能则明显高于AlTiN涂层(在切削速度和进给量相当的情况下，刀具寿命可提高25%～100%)。
图4 TiAlN涂层刀具(左)与AlCrN涂层对具(右)的磨损分析对比 |
此外，AlCrN涂层也被推荐用于加工产生长切屑的工件材料(如不锈钢)，这是因为长切屑在成形时与刀具的前刀面有更多接触，刀具与工件接触程度的增加会产生大量切削热。而AlCrN涂层的摩擦系数较小，可降低刀具与切屑之间的粘附性，起到减少切削热的作用。 此外，与TiN基涂层相比，AlCrN涂层在加工时可导致刀具磨损和切屑成形方式的改变，即Al-CrN涂层刀具的后刀面磨损(VB)明显小于TiAlN涂层刀具，且磨损槽的宽度(KB)也较小，但磨损糟的深度(KT)却有所增大(见图4)。发生这种变化的原因是由于用AlCrN涂层刀具切出的切屑卷得更紧，因此减少了与刀具前刀面的接触长度：此外，AlCrN涂层的高耐磨性和高红硬性能够减轻刀具后刀面和前刀面的磨损程度：最后，作用于刀具上的切削力更为局部化且更靠近切削刃。
