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消除应力：优化精心设计的涂层功能

消除应力：优化精心设计的涂层功能 2011年12月04日 来源： 山特维克可乐满一直在探索如何制造出能利用任何残余应力的低应力涂层，从而有益于总体刀片性能。该研究的结果是：引入了数种新的刀片牌号。这里我们主要看应力及其在刀片性能中所起的作用。刀具涂层的主要功能是通过提高切削速度或进给率来改进生产效率。引入任何新的刀片涂层，其推动因素都是为了确定发生刀片故障的可能原因，并制定出能明确应付这些问题的涂层属性。一种精心设计的涂层，每一个方面都有不同的功能；它是涂层工艺和涂层材料的结合，以防止刀片出现故障，并促使刀片发挥更好的性能。涂层已成为现代切削刀具材料不可分割的部分，如今出售的绝大多数刀片都采用各种涂层技术。多层涂层由数层薄涂层堆积而成，各层之间以中间层分隔。利用多层涂层，人们可以根据特定的加工作业，改变各涂层之间的特性，还能确保涂层与刀具基底和谐工作，因此正日益受到人们的欢迎。

GC4225中可見的低应力

采用多层涂层，刀片可获益于各层属性的结合，从而优化金属去除率。通过增添数层涂层，刀具制造者能依据特定的材料或应用场合，制造出具备特定性能的刀片，也可以制造出具备广泛性能的刀片，用于应对各种材料或应用场合。现在，人们将山特维克可乐满的多层涂层用于供车削的GC4225上和供磨削的GC4240上。还用于供车削的GC3205、GC3210、GC3215和GC3220上。它们采用氮碳化钛（TiCN）、三氧化二铝（Al2O3）和氮化钛（TiN），再加上多种中间薄涂层。一般而言，各类刀具应用场合中使用的材料要承受内外两种应力。就刀片而言，外应力是在作业中作为切削刀具的一部分所承受的应力。刀片的制造工艺也会引入内应力，主要是拉伸应力和压缩应力。在涂层温度下，涂层和基底都免受应力。涂层的膨胀系数较大，因此，冷却时，涂层的收缩会大于基底。这样就会对表面造成拉伸应力，而对基底产生压缩应力。这些表面应力会形成表面裂纹，并进一步向下扩散。通过降低拉伸应力，就会大大降低这种开裂“倾向”，刀片也能承受更多的不当使用情况。因此，从功能角度而言，尽量消除拉伸应力是很重要的，因为拉伸应力是造成裂纹扩散的主要因素。压缩应力往往较为有利，能帮助阻遏裂纹扩散。共有属性不可避免地，刀具基底和涂层具备类似的属性。两者都要求具备很高的硬度、断裂韧性和耐磨强度。多层涂层还有助于纳入其它造成涂层和基底失配以及造成应力的参数。例如，热膨胀系数决定涂层和基底之间的界面热失配应力。耐磨涂层与刀具表面的结合是一个关键要求，这是因为，除非涂层与刀具很好结合，否则，涂层不可能发挥作用。在化学涂层的涂覆工艺中，相对比较容易达到良好的结合，方法是在涂层和基底之间形成诱发扩散的界面。在山特维克可乐满所取得的成果中，中温化学蒸镀（MT-CVD）工艺和新的应力减低后期处理工艺占很大一部分。MT-CVD工艺用于氮碳化钛或氧化钛涂层。其拉伸应力值往往较低，更适合将断裂韧性、耐磨强度、化学耐磨性和耐热裂性等特性结合在一起。这样可以改进刀片的性能。

工艺上的考虑工艺决定了刀片的结构，而刀片结构又决定了刀片的属性。于是，形成了涂层晶体的柱状方向和理想的颗粒尺寸。晶体呈纵向方向，表面更硬，是集中发生磨损的地方。此外，晶体之间的递减应力线将机械应力耗散到基底材料中。材料原子之间的键长被缩短，这也有助于消除拉伸应力。如果由于高温和机械冲击而造成微裂，穿透表面涂层，那么，这些微裂会沿晶体之间的应力线向下耗散。剩余的应力抵达基底时，就会被吸收，而不会扩散成更大的裂缝。这样，刀片就具备韧性和强度。MT-CVD氮碳化钛与三氧化二铝（Al2O3）等氧化物涂层结合使用。该涂层是一种细粒、柱状、α相氧化铝涂层。这是一种很硬的材料，提供一种温度屏障，能保护刀具的内体免受额外高温。山特维克可乐满研制的后处理工艺是刀片生产工艺的最后阶段。它形成低应力刀片涂层和光滑的涂层表面。 它还通过弥合涂层表面附近的冷却裂隙，来尽量合拢冷却裂缝。

MT-CVD氮碳化钛与三氧化二铝（三氧化二铝）等氧化物涂层结合使用。该涂层是一种细粒、柱状、α相氧化铝涂层，保护刀具的内部免受額外高温。

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