コーティング技術---工具コーティング

コーティング技術---工具コーティング

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高速切削の要件を満たすように、優れた包括的な切削性能を得るために、切削工具は、特定のフィルムを形成するために工具の表面に化学的または物理的方法（すなわち、コーティングプロセス）、。 1970年代初頭の硬質被覆工具の出現以来、化学気相成長（CVD）技術と物理気相成長（PVD）技術が相次いで開発され、それは工具性能改善の歴史の中で新しい章を開いた。 コーティングされていない工具と比較して、コーティングされた工具は大きな利点を持っています：それは切削工具の寿命を大幅に改善することができます。 切削効率を効果的に向上させます。 加工ワークの加工精度と表面品質を明らかに向上させます。 工具材料の消費量を効果的に削減し、加工コストを削減します。 環境保護に資する、冷却剤の使用を減らし、コストを削減します。

工具コーティングの特徴：

コーティング技術の適用は、工具の強度を低下させることなく工具の表面硬度を大幅に向上させることができ、そして現在達成することができる硬度は１００ＧＰａに近い。

2.コーティング技術の急速な発展により、フィルムの化学的安定性と耐高温酸化性がより顕著になり、高速切断が可能になります。

潤滑フィルムは、良好な固相潤滑性能を有し、加工品質を効果的に向上させることができるが、乾式切削にも適している。

4.工具製造の最終プロセスとして、コーティング技術はツールの精度にほとんど影響を与えず、繰り返しコーティングプロセスに使用できます。

一般的に使用されるコーティング：

1、窒化チタンコーティング：窒化チタン（TiN）は、工具の硬度を向上させることができ、高い酸化温度を持っている一般的なPVDコーティングです。 コーティングは高速度鋼切削工具または成形工具に使用して良好な機械加工結果を得ることができる。

2、窒化クロムコーティング：CrNコーティングは、優れた接着抵抗を持っている、それはチップ腫瘍の処理における好ましいコーティングです。 このほとんど目に見えないコーティングで、HSSまたは超硬工具と成形工具の機械加工特性は大いに改善されるでしょう。

3、ダイヤモンドコーティング：非鉄金属材料加工切削工具のためのCVDダイヤモンドコーティングは、最高の性能、グラファイトの加工、金属マトリックス複合材料（MMC）、高ケイ素アルミニウム合金、および他の多くの高摩耗材料、理想的なコーティングを提供します（注：純粋なダイヤモンドコーティング工具は鋼の加工には使用できません。なぜなら加工鋼は大量の切削熱を発生し、化学反応を起こし、コーティングと切削工具の間の接着剤層を破壊するからです。

4.窒化チタンコーティング：窒化チタンコーティング（TiCN）に添加された炭素元素は、工具の硬度を向上させ、より良い表面潤滑性を得ることができ、高速度鋼工具に理想的なコーティングになります。

5、窒化アルミニウム/窒化チタン/窒化アルミニウムコーティング（TiAlN / AlTiN）：TiAlN / AlTiNコーティングに形成された酸化アルミニウム層は効果的にツールの高温処理寿命を向上させることができます。 このコーティングは、主に乾式または半乾式切削に使用される超硬切削工具に使用できます。 AlTiNコーティングは、コーティングに含まれるアルミニウムとチタンの比率に応じて、TiAlNコーティングよりも高い表面硬度を提供するため、高速加工用のもう1つの実行可能なコーティングの選択肢となります。

ダイヤモンドライクコーティング（ＤＬＣ）：

DLCは多くの優れた機能を備えています。高硬度-60GPaまたはHv6000以上。 低摩擦係数優れたフィルム密度。 優れた化学的安定性と光学的性質 ツールに適用されたDLCコーティングは、他のハードコーティングよりもはるかに特殊な性能を示します。 DLCコーティング工具には主に、グラファイト切断、さまざまな非鉄金属（アルミニウム合金、銅合金など）の切断、非金属硬質材料（アクリル、ガラス繊維、PCB材料など）の切断が含まれます。

DLCは非常に低い摩擦係数（0.05〜0.2）と自己潤滑性を持つため、DLCでコーティングされた工具は乾式切削に最適です。 被覆のない工具と比較して、DLC被覆工具の切削力は乾式切削の条件下で6％減少する。 。 他の被覆工具（TiN、TiAlNなど）と比較して、DLC被覆工具の切削力は乾式切削条件下で23％減少します。 同様に、DLCの低い摩擦係数は、金属切削（アルミニウム合金切削）の切削力を大幅に減少させることができ、したがってエネルギー消費を大幅に削減します。 クーラントを用いた切削条件では、被覆工具のないDLC被覆工具と他の被覆工具の切削力比は18％減少し、加工金属表面の粗さはRa0.04〜R0.23um）減少してRa0.38であった。

コーティング技術と工具コーティングの知識：

窒化チタンカーバイド（ＴｉＣＮ）コーティングは、窒化チタン（ＴｉＮ）コーティングよりも高い硬度を有する。 増加した炭素含有量のために、ＴｉＣＮコーティングの硬度は３３％増加し、そして硬度範囲は約ｈｖ３０００〜４０００であった（製造業者に依存する）。

2. CVDダイヤモンドコーティング：Hv9000までの表面硬度を持つCVDダイヤモンドコーティングの適用は比較的成熟しています。 PVDコーティング工具と比較して、CVDダイヤモンドコーティング工具の寿命は10〜20倍向上しました。 ダイヤモンドコーティング工具の高い硬度は、コーティング速度がコーティングされていない工具よりも2〜3倍速くなるため、CVDダイヤモンド酸化温度はコーティングの分解開始時の温度値になります。 酸化温度値が高いほど、高温で切断するのに有利である。 ＴｉＡｌＮコーティングは、ＴｉＣＮコーティングよりも室温での硬度が低い可能性があるが、高温処理においてＴｉＣＮコーティングよりもはるかに効果的であることが証明されている。 ＴｉＡｌＮコーティングが依然として高温でその硬度を維持することができる理由は、それが工具とチップとの間に酸化アルミニウムの層を形成することがあり、それが工具からワークピースまたはチップに熱を伝達することがあることである。 ＨＳＳカッターと比較して、カーバイドカッターは通常より高い切断速度を有し、それはＴｉＡｌＮをカーバイドカッターのための好ましいコーティングにする。 PVDTiAlNコートストーンコートカッターは、通常、超硬ドリルビットのPVDTiAlNコートストーンコートカッターおよびエンドミルカッターに使用されます。

3、材料上の硬質皮膜の工具表面は次の要件があります：（1）高硬度、良好な耐摩耗性。 （２）化学的性質が安定しており、加工材料と化学反応を起こさない。 耐熱性、耐酸化性、摩擦係数が低く、マトリックスがしっかり付着しています。 単一のコーティング材料が上記の全ての技術的要求を満たすことは困難である。 コーティング材料の開発は、元の単一のTiNコーティング、TiCコーティング、TiC-A12O3、TiN複合コーティング、そしてTiCN、TiAlNおよびその他の多変量複合コーティング開発段階を経て、現在TiN / NbNの最新の開発を経てきました、ＴｉＮ ／ ＣＮ、および他の多変量複合フィルム材料、工具コーティングの性能は大いに改善された。

4、コーティング工具の製造過程では、一般的にコーティングの硬度、耐摩耗性、耐高温酸化性、潤滑性、および耐摩耗性を選択し、コーティング酸化および切削温度を含むいくつかの側面が最も直接的に関係します。技術的な条件 酸化温度は、コーティングが温度値を分解し始めたことを意味し、酸化温度値が高いほど、高温条件下での切断プロセスがより有利になる。 ＴｉＡｌＮコーティングは、ＴｉＣＮコーティングよりも室温での硬度が低い可能性があるが、高温処理においてＴｉＣＮコーティングよりもはるかに効果的であることが証明されている。 ＴｉＡｌＮコーティングは、工具とチップとの間にアルミナの層を形成することがあり、それが工具からワークピースまたはチップに熱を伝達することがあるため、高温でその硬度を維持することができる。 炭化物は通常HSSカッターよりも高速で切断するため、TiAlNは炭化物用の好ましいコーティングになります。 PVDTiAlNコーティングは、超硬バイトおよびエンドミルカッターに一般的に使用されています。

5.塗布技術の観点から：切削温度、切削深さ、切削速度、およびクーラントに加えて、工具コーティングの塗布効果に影響を与える可能性があります。

一般的なコーティング材料と超硬コーティング技術の進歩

ＴｉＮは最も成熟して広く使用されているハードコーティング材料である。 現時点では、工業用先進国TiNコーティング高速度鋼工具の利用率は高速度鋼工具の50％〜70％を占めている、いくつかの非研削複合工具の利用率は90％を超えています。 現代の金属切削工具の高い技術的要求のために、ＴｉＮコーティングはますます適応することができない。 TiNコーティングの貧弱な耐酸化性、500 ℃ の温度の使用 、明らかな酸化およびアブレーション膜層、そしてそれはまた必要性を満たすことができません。 ＴｉＣはより高い微小硬度を有するので、この材料の耐摩耗性はより優れている。 同時に、それはしっかりと基板に取り付けられています。 多層耐摩耗性コーティングの製造において、ＴｉＣはしばしば基材と接触する下地フィルムとして使用される。 それはコーティングツールの中で非常に一般的なコーティング材料です。

TiCNとTiAlNの開発、およびコーティングツールの性能の向上 ＴｉＣＮは、コーティングの内部応力を減少させ、コーティングの靭性を改善し、コーティングの厚さを増加させ、亀裂の拡散を防止し、そして刃先破損を減少させることができる。 ＴｉＣＮは被覆工具の主な耐摩耗層として設定されており、それは工具寿命を著しく改善することができる。 TiAlNの化学的安定性は、優れた抗酸化摩耗、高合金鋼、ステンレス鋼、秦合金、ニッケル合金の処理、TiNコーティングツールの寿命は3〜4倍になりました。 ＴｉＡｌＮコーティング中に高濃度のＡｌがあると、切断中にコーティングの表面に非常に薄い非グレードのＡｌ ２ Ｏ ３が生成され、硬質の不活性保護膜を形成する。 被覆工具は高速切削に有効に使用できます。 酸素ドープ炭化チタンTiCNOは非常に高い微小硬さと化学的安定性を持ち、TiC 10 A 12 O 3複合コーティングと同等の機能を発揮することができます。

上述の硬質フィルム材料の中で、５０ＧＰａを超えることができる３種類の微小硬さＨＶがある：ダイヤモンドフィルム、立方晶窒化ホウ素ＣＢＮ、および窒化炭素。

600 ℃ 〜900 ℃ のダイヤモンド膜温度の堆積の多くは、 超硬合金切削工具の表面に堆積ダイヤモンド膜で使用される技術ですので。 ダイヤモンドカーバイド工具の商品化は、近年のコーティング技術の大きな成果です。

CBNは硬度と熱伝導率、優れた熱安定性においてダイヤモンドに次ぐものであり、大気中では1000 ℃の 酸化物 まで加熱されることはありません 。 ＣＢＮは、鉄族金属に対して極めて安定した化学的性質を有する。 鋼の加工には適していないダイヤモンドとは異なり、CBNは鋼製品の仕上げや研削に広く使用できます。 優れた耐摩耗性に加えて、ＣＢＮコーティングは耐熱鋼、チタン合金および硬化鋼を比較的高い切削速度で処理するために使用することができる。 それはまた、高硬度の炭化した焼入れ材料および工具摩耗に対して非常に厳しいＳｉ−合金を有する硬質ローラを切断するためにも使用することができる。 ＣＶＤおよびＰＶＤ法は、低圧気相によってＣＢＮ薄膜を合成するために主に使用されている。 ＣＶＤは化学輸送ＰＣＶＤ、熱線支援加熱ＰＣＶＤ、ＥＣＲ − ＣＶＤなどを含む。ＰＶＤは反応性イオンビームめっき、反応性無電解めっき、レーザ無電解イオンビーム支援堆積などを有する。 CBNの合成技術は、反応機構と成膜プロセス、プラズマ診断と質量分析、最適なプロセス条件の決定、高効率機器の開発など、基礎研究と応用技術においてまだやるべきことがたくさんあります。 。

窒化炭素は、ダイヤモンドの硬度以上の硬度を有することができる。 窒化炭素合成の成功は分子工学の顕著な例である。 超硬質材料として、窒化炭素は他の多くの貴重な物理的および化学的性質を有すると期待される。