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PVD涂层超微粒硬质合金
三菱综合材料株式会社筑波制作所 一宮夏树 白濑文
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随着近几年竞争愈加激烈，对制造业提出了更高的要求。在切削加工领域，通过高速、大进给加工以提高加工效率，缩短加工时间；使用精密刀具实现高精度、高品质加工以提高附加价值；延长刀具寿命以降低刀具使用成本；使用最新技术的刀具以改变加工工序（由研磨、电火花加工变更为切削加工）等各方面，机加工用户提出了越来越高的要求，切削刀具发挥了非常大的作用。
在各种刀具材质中，PVD涂层超微粒硬质合金的进步最为显著。其优异的性能大幅推动了模具和汽车零部件等钻削加工技术的发展。到目前为止，CVD硬质合金材质为主流的车削加工中也发挥了出色的性能。下面对“PVD涂层超微粒硬质合金”技术及最新的加工实例进行介绍。
超微粒硬质合金
硬质合金是主要成分的Wc（碳化钨、高硬度脆性材料）分散在Co（钴、低硬度高韧性材料）中的复合材料，是兼顾硬度与抗弯曲强度的硬质材料中的一种。目前的切削刀具用材料中，在以上的硬质合金上通过CVD（化学涂层法）PVD（物理涂层法）施加可承受高速切削的Al2O3或（Ti、Al）N等涂层的硬质合金涂层材料占据主要位置。
Co含量和Wc颗粒大小等要素决定了硬质合金的性质。Co含量越少的硬质合金的硬度、抗压缩强度、刚性越高，但同时抗冲击值越低；Wc颗粒越小的硬质合金的硬度、抗弯曲强度越高，但同时其韧性值越低。
超微粒硬质合金是为同时提高硬度和抗弯曲强度而开发的合金材料，与普通的硬质合金相比，在硬度相同时具有强度高、在强度相同时具有硬度高的特点。普通硬质合金的Wc颗粒为1—6μm（μ=10-6）左右，超微粒硬质合金的Wc颗粒为0.6μm左右，因为非常微小所以Wc颗粒周围起到粘结作用的Co成分的厚度薄，同时，折断起始尺寸小使抗弯曲强度高。超微粒硬质合金最初在细径钻头、立铣刀等整体硬质合金刀具使用，最近也开始用于可转位刀片。但是，虽然超微粒硬质合金在低温下显示优异的特性，可在高温状态下容易出现慢性变形，在切削速度高的情况下使用时，有时会产生塑性变形、磨损增大等现象，请予以注意。
但随着近几年粉末制造企业微细WC粉末制造技术及硬质合金制造商的与合金制造相关的微粒化技术的突飞猛进，大小为0.4μm 左右的WC超细微硬质合金也出现在市场。
PVD涂层
PVD是物理气相蒸着法（Physical Vapor Deposition）的简称，它与CVD的气体在高温下产生化学反应形成表膜不同，其采用通过电能等物理手法使金属蒸发物产生离子进行涂层。与CVD相比PVD涂层的特点如下。
PVD与CVD相比，可在低温下进行涂层，硬质合金母材受的损失小，因此可在涂层时对母材进行选择；CVD的涂层膜有张力所以在耐缺损方面有不利之处。与之相比，PVD涂层产生压缩力，有利于耐缺损，可用在锋利切削刃的刀具制造。
PVD涂层可在充分发挥以上特长的加工形态中加以利用。具体如下：
要求有锋利切削刃的整体硬质合金刀具；
要求耐缺损性强的平面铣刀用刀片；
容易因熔付而出现崩刃的低速切削用刀片；
在高温状态下母材硬度降低的高速钢刀具。
尤其是针对整体硬质合金立铣刀的PVD涂层研发进步显著。以往TiN或TiCN涂层是主流产品，但在20世纪90年代前期（Ti,Al）N涂层的出现使整体硬质合金立铣刀的性能大幅提高。特别是含Al丰富的（Al,Ti）N涂层通过大幅提高表膜硬度和耐氧化性而实现了对淬火钢的直接加工，是模具加工的技术创新。目前，针对HRC60左右的超高硬度材料加工用涂层及软钢加工用涂层等不同用途的专用涂层的开发呈现多样化的趋势。
超微粒硬质合金PVD涂层的切削加工实例
以下对最新的超微粒硬质合金PVD涂层的切削加工实例进行介绍。
1．平面铣刀用刀片材种“VP15TF”
三菱公司研制的超微粒硬质合金PVD涂层“VP15TF”是采用具有优异耐磨损性和耐缺损性的超微粒硬质合金“VP15TF”和（Al,Ti）N涂层（三菱公司成为MIRACLE 涂层）的通用性高的材种。尤其在平面铣刀用刀片上拥有极高的通用性，可在多种多样的加工中发挥高性能。图1是VP15TF的断面组织照片。

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图1．VP15TF的断面组织照片

图2中显示VP15TF对合金钢进行台阶面加工的实例。刀具为三菱公司最新产品--多功能台阶面铣刀APX3000。此刀具最大特点为切削阻力低，采用更重视切削锋利性的形状，所以确保刃尖强度更为困难。因此，不仅要求刀片耐磨损性好，同时要求比以往刀具具有更好的耐磨损性。VP15TF满足以上要求，与以往材种相比可大幅提高刀具寿命，并同时实现良好的壁面精度和表面粗糙度。

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图2　VP15TF加工合金钢实例

VP15TF也可在大进给粗加工中发挥良好性能。图3显示粗加工淬火钢实例。此加工使用我公司生产的大进给加工用圆弧头立铣刀AJX。此刀具在加工HRC53淬火钢时单刃进给达到过去无法想象的1mm的大进给，可大幅缩短模具加工时间。

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图3　VP15TF大进给加工淬火钢的加工实例

VP15TF凭借通用性高，在平面加工以外的内圆车削用刀片、小型自动车床用刀片等不同领域均有产品推出，并发挥高性能。
2．螺纹切削用材种“VP10MF”
VP10MF是采用硬度极其高的超微粒硬质合金“MF10”和与VP15TF相同的（Al,Ti）N MIRACLE涂层，它是具有极高耐磨损性的优异材种。图4是VP10MF的断面照片。与TF15相比，MF10采用更细微的WC原料和最佳量的粘结物质从而实现了更高的硬度。

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图4 VP10MF的断面组织照片

图5显示使用VP10MF进行螺纹加工的实例。刀具使用我公司最新的螺纹刀具MMT型。因螺纹加工中的被削材料多为不锈钢等容易出现熔付崩刃的材料，并且对螺纹部表面精度要求高，所以多使用PVD材种。VP10MF为抑止在螺纹加工中容易出现的后刀面磨损及刀片塑性变形等现象而研制的。如图所示可以看出，与以往材种相比，其后刀面磨损小，塑性变形也得到大幅抑止。并因以上效果使螺纹部位的表面加工质量良好。

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（图片） （图片）

切削条件
被削材料：JIS SCM440（297HB）
刀片：MMT16ER150ISO
切削速度：180m/min
外圆螺距：1.5mm
径向进给
切削次数：3次（特別条件）
湿式
图5 VP10MF进行螺纹加工的实例

VP10MF凭借其高耐磨损性，可适用于可转位刀片式精加工用球头立铣刀SRF，尤其在加工HRC60左右的高硬度模具钢中发挥出类拔萃的耐磨损性。
3．加工高硬度材用整体硬质合金立铣刀“IMPACT MIRACLE”
最后介绍在整体硬质合金立铣刀的使用情况。图6显示了三菱综合材料神户工具生产的“IMPACT MIRACLE立铣刀”。此立铣刀是以硬度超过HRC50的高硬度淬火钢为目标而研制的。

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图6 IMPACT MIRACLE立铣刀

母材采用新研制的超细微硬质合金，母材硬度达到HRA93.5，尤其是为此种被削材料而研制的。涂层采用比以往（Al,Ti,Si）N涂层更先进的“单相纳米结晶（Al,Ti,Si）N涂层”。表1显示IMPACT MIRACLE立铣刀的硬质合金母材及涂层与以往产品的比较。

表１．IMPACT MIRACLE立铣刀的母材及涂层的特性

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IMPACT MIRACLE立铣刀与以往产品相比在母材、涂层及形状上加以改良，在加工高硬度材料时比以往产品的寿命得以大幅提高。图7显示了IMPACT MIRACLE立铣刀的加工实例。在加工HRC60左右的的高硬度材料时刀具寿命大幅延长，为降低刀具成本作出巨大贡献。

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切削条件
被削材料：JIS SKD11(HRC60)
立铣刀：直角立铣刀VF-MD（φ6mm）
切削速度：151m/min.
进给：0.045mm/tooth
切深：ap=6.0mm, ae=0.12mm
气排屑
加工长度：100m（以往产品B为62ｍ）
图7 IMPACT MIRACLE立铣刀的加工实例

对今后被切削材料进一步的高硬度、难切削化IMPACT MIRACLE立铣刀在削减刀具成本方面做出贡献。使用它还有望减少电火花加工工序而缩短工序。
以上介绍了超微粒硬质合金PVD涂层的最新技术及其加工实例。我们希望超微粒硬质合金及PVD涂层的最新技术可进一步削减成本或实现划时代的工序革新，从而为提高制造业的竞争力做出巨大的贡献。 7/1/2005

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