分析刀具的涂層技術

張士川

摘要：采用涂層技術可有效提高刀具使用壽命，使刀具獲得優良的綜合機械性能，從而大幅度提高加工效率。本文主要探討了基于低合金鋼刀具的涂層技術。

關鍵詞：刀具;涂層技術

引言：

合金鋼是常用的家用刀具材料。合金鋼的特殊優點使其不可能被其他更硬、更耐磨的材料取代，如：HSS、碳化物或鎢鉻鈷合金。這項研究的目的是為了提高由復合涂層（雙涂層）覆蓋的合金鋼制成的刀具邊緣的耐磨性。該方法以低溫離子滲氮為基礎，通過在預滲氮刀具表面沉積硬質薄膜來強化改性效果。研究結果表明，在預氮化表面沉積Cr-XN薄膜，可以提高刀具的耐磨性。

1.刀具的涂層技術

由于合金鋼的優點（價格相對較低，抗沖擊）和所需的刀具形狀（長度： 60～200mm，刀包角：30-40度），不可能用其他更硬、更耐磨的材料（如：HSS、碳化物或鋼）代替這種鋼。提高刀具耐磨性的現代技術是在刀具表面涂覆TiN、CrN、CN等硬質涂層，這種方法在金屬切削中得到了成功的應用，但由于木材的特殊摩擦學性能，在木材和木材材料的加工中尚未得到應用。這些性能要求涂層與核心材料之間有很高的附著力。當考慮離子氮化表面改性時，我們沒有處理兩種不同的材料，一種在另一種之上，但我們有相同的材料具有層間區。在這一層中引入氮離子，并從表面產生硬度梯度分布。CrN在氮化表面沉積時具有較好的附著力。與氮化表面相比，CrN涂層更硬、更耐高溫。本研究的目的是提高合金鋼復合涂層刀具邊緣的耐磨性，該方法是基于低溫離子滲氮的方法，通過在已有的氮化刀具表面沉積硬質膜來增強改性效果。[1]

2.道具涂層實驗

2.1載荷作用下刀具的應力分布

通過有限元數值模擬，建立了結構應力場的分布規律。刀具在載荷作用下的切削特性。對二維有限元模型進行了分析。模型在切削刃處加載，載荷為FX=20（N）和FY=18（N）。

2.2切削過程

實驗是用微型車床進行的。用一種方法進行了磨損試驗。該方法由中密度纖維板（MDF）組成，由磨料和相對均一的木材衍生材料代替濕式木材制成。此外，還有一些礦物。中密度纖維板所包含的部件能夠檢查改性表面的抗沖擊能力。在實驗中使用的刀具在邊緣被誘導硬化。測試刀的形狀具有典型的工業應用價值，刀刃的楔形角為20度，切削過程中的切削工藝參數得到了優化和保持不變。因為在第一米切削時，刀處于一個穩定的位置，當間隙和前刀面的力相等時，切削速度為0.5ms-i，以避免刀刃受熱。切削厚度為300，以保證切削過程（切屑的產生），減少材料在刀面上的磨料作用。在切割過程中測量的力單位是切削寬度的10毫米。用垂直于基線間隙面的光學顯微鏡測量了切削刃的磨損情況。基線通過沒有參與切割過程的邊緣部分。[2]

2.3Lon滲氮與CrxN涂層沉積

離子滲氮的優化包括選擇合適的溫度與氮化時間的關系。這一過程是在波蘭華沙科技大學建造的半技術儀器中完成的.氮化工藝參數為：氮化nr 1：溫度350攝氏度，時間3 h，氮化2小時：溫度300攝氏度，時間3 h，選擇了CrxN硬膜，在初步實驗中獲得了最佳的結果，采用磁控濺射法制備了CrxN薄膜。改進參數為：氣體混合物-Ar+N，工作壓力0.02Pa，溫度—200攝氏度，靶功率-650 W，膜厚-1μm，對LAS進行了早期研究。[3]

3.結果和討論

3.1有限元計算應力場

從有限元分析中得到的應力場。應力分量（作用于刀模型的水平軸）。力值都是以兆帕為單位給出的。可以看出，最大的應力發展在刀刃附近，無論如何，最大值都是在離刀刃一定距離處觀察到的。還應注意的是，所獲得的數值與刀具材料的屈服應力或楊氏模量值相比很低，不能造成刀具的損壞，但要記住，這些應力是根據實際操作條件下的靜態特性計算出來的，在實際操作條件下，這些應力是動態的。[4]

3.2復合涂層的磨損試驗

修整刀刃折減值隨切削路徑變化的磨損試驗結果。在氮化過程中，溫度為300℃，氮化時間為3h時，滲氮效果最好。對雙相涂層刀具與純氮化刀具的邊緣縮小進行了比較，結果表明，硬CrxN膜提高了刀具的耐磨性，與氮化處理的結果相當。這意味著薄膜起著添加劑的作用。本研究的最佳結果是用Cr?N膜對氮化nr2刀進行了改性，取得了較好的效果。經過800 m的切割路徑，其邊緣磨損約為90μm。在獲得這一邊緣縮小值之前，未經修改的刀切約300米的板.因此，刀具的使用壽命提高了2.5倍以上。刀具氮化的另一個優點是其硬度在整個渦流中的均勻化。特別是，在邊緣感應硬化是不均勻硬，結果也是不均勻的耐磨性。給出了誘導硬化葉片滲氮前后的顯微硬度分布.修改和未修改刀的刀刃相對于修整路徑的減少。當這些值相對較高時，這意味著邊緣有很大的磨損坑。這類刀的磨損是由中密度纖維板中的礦物元素引起的。

結束語：

Cr-XN硬質薄膜對氮化刀具的耐磨性有額外的改善作用。在快速磨損試驗中，刀具的使用壽命提高了2.5倍以上。對刀片邊緣的修改也提高了它們對切割過程中動態力引起的沖擊的抵抗力。

參考文獻

[1]王佳.基于專利分析的我國刀具涂層技術發展現狀與對策研究[J].情報探索，2015，（12）：26-31.

[2]張龍，孟穩.涂層硬質合金刀具磨損對零件表面粗糙度的影響試驗分析[J].現代制造技術與裝備，2020，（5）：123-124.

[3]余宗寧，周利平，江凡， 等.基于仿真與試驗分析的高硅鋁合金涂層刀具銑削性能研究[J].工具技術，2018，52（8）：26-29.

[4]余宗寧，周利平，劉小瑩， 等.金剛石涂層銑刀銑削高硅鋁合金CE11的刀具磨損分析[J].工具技術，2019，53（3）：33-37.

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