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有时候,一项技术或工艺的出现会伴随着一种材质的性能潜力得到极大的提高。来自山高刀具的Duratomic技术就是一则典型的例子。山高的Don Graham与Roger Granström解释了成功背后的科学原理。
我们有许多方法可以改进涂层产品的性能:在涂层炉内对化学成分进行微调、各涂层的结构控制更仔细、涂层刀片的顶部与底部的精磨、甚至涂层后对切削刃进行抛光,所有这些都对最终用户有好处。
在过去的几年中,除了这些改进之外,山高尝试了采用一种相对而言更基本的方法来提高涂层的性能。例如,该行业对某些材质牌号的刀片采用较基础的方式进行抛光是原因之一,而这也是山高使用的一种措施,就是去除涂层本身的瑕疵。通过抛光可以改善光滑性、残余应力状态并减少切削的摩擦。但是,当这些瑕疵并非首位因素的话会怎么样呢?这一问题使得山高致力于改善各层涂层的结构完整性。
如果我们从最初的地方开始,有两种不同形式的氧化铝应用于涂层:kappa和alpha。两者区别在于晶体结构的不同。例如,陶瓷水槽和红宝石都是由氧化铝制成的。这两者的区别在于原子的排列方式。
车削产品专家Don Graham解释说:“当用作刀具材料时,我们更希望使用alpha相的氧化铝。然而,kappa相更容易沉积,所以我们先沉积kappa相再在熔炉里对涂层热处理,使之转换为alpha相。在进行这种处理时会产生体积上的收缩,其直接后果是不可避免地产生裂纹。直到山高的涂层专家解决了如何直接沉积alpha相氧化铝,使得结构无裂缝。”
金刚石的类比
“我们可以用另外一个类比,我们都知道金刚石是人类已知最坚硬的材料,从某个结晶方向可以被相对容易地劈开,”Don Graham继续道,“金刚石可以非常好地抵抗任何形式的破损或磨损。通过仔细地调整涂层的循环,山高的研发团队已经知道如何控制这些涂层的晶体结构,以提高韧性和耐磨性。这就是我们已经命名的‘Duratomic’工艺,即希望它能反映出我们通过原子级的工艺来控制涂层使其更耐用的想法。通过把另一种结晶方向引入切削,我们提高了产品的韧性和耐磨性。”产品经理Roger Granström补充道:“山高研发团队所做的是从化学上改变氧化铝Al2O3层的晶体结构,以创造出一种能提供更长的刀具寿命并提高切削能力的涂层。我们相信这将会完全改变未来材料等级研发的性能预期。用Duratomic技术开发涂层可以与任意不同的基体相结合,创造出新一代的有颠峰性能且应用广泛的材料牌号。”
传统氧化铝涂层的硬度约为27.5GPa。Duratomic的硬度大约是30.5GPa,提高了10%~15%。硬度的提高将直接转换为耐磨性的增加,因此,也提高了刀具寿命。在一个典型的应用中,涂层的工作温度也由915摄氏度下降到880摄氏度,足以大大提高抗月牙洼磨损性能。
该材质牌号表现把氧化铝粘合到其下面的碳氮化钛层的粘合剂所造成的。Ti(C,N)是非常坚硬且耐磨的。在它的下面是一个崭新的基体,它被认为是这一涂层的理想搭档,而且也以富钴区为特色,它意味着钴由这一结构的芯部转移到表面。
毫无疑问的是,山高提高了这一材料牌号的韧性。用一个直径4.25″的厚型管,沿其长度方向钻有许多4″深、直径1/4″的孔,然后端面车削贯穿孔系时产生剧烈的断续切削。切削工况为:52100钢、650sfpm表面英尺每分钟、0.016ipr英寸每转、0.04″的切削深度,并且使用冷却液。
出色的效果
刀具寿命是通过观察并计数在切削刃显著磨损出现之前其加工的行程数得出的。山高测试了一系列不同的有竞争性的P25材质等级,包括TP200和以Duratomic涂层为特征的第一种材质等级TP2500。有竞争性的P25材质等级在切削刃显著磨损出现之前完成了近70件。TP200请牢记这是一种优异的材质牌号在切削刃显著磨损前完成了90件。令人难忘的是,TP2500在切削刃显著磨损前完成了130件。
TP2500提供了空前水准的耐磨性和韧性,在ISO P类应用中超额完成任务且较其它材质牌号更耐久。TP2500还可以优化不锈钢车削和铸铁的应用,有效地加工M20和K30类的应用。Don Graham说:“总的来说,TP2500的涂层展示了韧性的提高、出色的耐热和耐磨性,并且减少了积屑瘤。现场试验已经表明TP2500将生产率提高了100%,同时也将刀具的使用寿命提高了400%。”
TP2500不仅只是另一种全新的车削材质牌号,还预示着下一代以Duratomic技术生产的硬质合金刀片将为金属切削性能的发展做出巨大的贡献,它将超越市场上现有的所有产品的能力。

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