涂层技术与提高工具性能的关系

　　当前，我们面临着一个不可回避的课题，那就是提高加工工艺的高精度、高质量化程度，只有这样才能在加工行业立于不败之地。同时，缩短加工时间和降低加工成本也是这一课题的重要一环。通过分析不难看出，零件和模具加工成本的市场平均比例分别是工具费占5%，管理费25%，加工费70%。从高效率低成本的角度来看，即使工具费用减半，成本也只能降低2.5%，但如果把加工时间缩短一半的话，加工成本就会降低35%，同时，加工周期也将是原来的一半。

　　为了实现工时减半的目标，自然需要新的加工工具，即能实现高速加工和高速进给的刀具。但无论刀具具有哪种性能，都避免不了切削温度上升的问题。

　　现有的涂层都是以提高耐磨性能为目的。然而，在今天这种高效率加工过程中，当切削温度达到900℃以上，就产生了刀具氧化的新问题。因此，现有的涂层已不能适应高效率的加工，而研发一种既能提高耐磨性，又能提高抗氧化性和润滑性的新型多功能硬质涂层已迫在眉睫。

　　高硬钢的高速切削性能

　　以高硬钢材料SKD11(60HRC)的侧面铣削加工为例。切削速度为150m/min，干式切削，径向切削深度为刀具直径的5%，冷却空气气压：4MPa。由辐射温度计测定的刀具表面温度可估算出刀具的磨损状态。当切削过程中达到一定发热量时，各刀具均不能切削，且加工表面出现灼痕。刀具的温度均达到400℃，切削区的温度在相同测试中甚至达到了800℃～900℃。说明新开发的TiSiN类复合涂层(TH膜)铣刀的切削性能是目前使用的TiAIN类涂层刀具切削性能的2～3倍。 2.CrSiN类纳米涂层

　　在低碳钢或调质钢(42HRC以下)材料的加工中，被切削材料在切削刃涂层上反复粘附或脱落，脱落时对切削刃的损伤会导致加工表面的粗糙和刀具寿命的降低。要改善这一现象，必须提高涂层膜的抗粘附性。日立公司研发了一种抗粘附性和耐磨损性兼备的CrSiN类纳米复合涂层(CS膜)，它保持了润滑度和硬度两种优良特性。CS膜是由几纳米的超微细晶体或富含Si的非结晶体形成的复合物，从而具备了润滑性和耐磨性。

　　CS涂层刀具湿切削及干式切削碳素钢S55C(220HB)的试验数据证明CS涂层刀具具有不易受切削液影响的特点，从而增加了使用的方便性。

　　由于CS膜具有良好的耐磨损性，使切削速度达到现有TiAIN类涂层刀具的3倍，实现了298m/min的高速切削，同时，也实现了3.8倍进给速度的高进给，使加工时间缩短74%，加工费用降低了36%。

　　传统球头铣刀在球头切削刃中心附近磨损很大，与之相比，CS膜球头铣刀的切削刃始终保持均匀稳定的磨损状态。 3.高进给加工用TiBON类涂层

　　(1)涂层的特点

　　用高温摩擦磨耗试验机测定的不同涂层材料的摩擦系数结果证明，添加BN及O的TiBON类涂层在常温下的摩擦系数只比TiAIN略低一点，但在常压、700℃高温之下则降至TiAIN的一半。对TiBON涂层化学结合状态进行研究的结果表明，在涂层膜中有B-N结合存在。这种B-N的化学构造解析结果说明：TiBON涂层膜中有c-BN和h-BN结晶存在。另外，同样的解析还确认了膜中含有Ti-O氧化物。在陶瓷领域素有争议的BN结晶具有固体润滑性能，且在高温下化学性能稳定。本次研发的涂层产品又进一步加入了氧化物，使之在高温下的化学性能更具稳定性。这种BN结晶的存在使提高润滑性的效果得到充分发挥，成为降低高温下摩擦系数的重要因素，从而抑制了高速进给加工过程中的月牙洼磨损。

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