涂層刀具技術(shù)

涂層刀具是近20年出現(xiàn)的一種新型刀具,是刀具發(fā)展中的一項重要突破,是解決刀具材料中硬度、耐磨與強度、韌性之間矛盾的一個有效措施。涂層刀有4種,即涂層高速鋼刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的涂層刀具。但前兩種涂層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料,目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上),減少刀片的崩刃及破損,擴大應(yīng)用范圍。 

涂層刀具是近20年出現(xiàn)的一種新型刀具,是刀具發(fā)展中的一項重要突破,是解決刀具材料中硬度、耐磨與強度、韌性之間矛盾的一個有效措施。涂層刀有4種,即涂層高速鋼刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的涂層刀具。但前兩種涂層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料,目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上),減少刀片的崩刃及破損,擴大應(yīng)用范圍。

刀具涂層制備技術(shù)可分為化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)兩大類。CVD技術(shù)可實現(xiàn)單成分單層及多成分多層復(fù)合涂層的沉積,涂層與基體結(jié)合強度較高,薄膜厚度較厚,可達7~9μm,具有很好的耐磨性。但CVD工藝溫度高,易造成刀具材料抗彎強度下降;涂層內(nèi)部呈拉應(yīng)力狀態(tài),易導(dǎo)致刀具使用時產(chǎn)生微裂紋。CVD技術(shù)主要用于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的表面涂層。與CVD工藝相比,PVD工藝溫度低(最低可低至80℃),在600℃以下時對刀具材料的抗彎強度基本無影響;薄膜內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力,更適于對硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層;PVD工藝對環(huán)境無不利影響。PVD技術(shù)主要應(yīng)用于整體硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具的表面處理,且已普遍應(yīng)用于硬質(zhì)合金鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。

涂層刀具技術(shù)造價信息

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警用制式刀具 警用制式刀具|240把 1 查看價格 江蘇宇盾警用裝備制造有限公司 全國   2022-09-27
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納米自潔涂層 納米自潔涂層|20000m2 1 查看價格 上海翠蕎物資有限公司 廣東  深圳市 2010-09-29
環(huán)氧防滑涂層 環(huán)氧防滑涂層|3000kg 3 查看價格 東莞市銀輝凈化科技有限公司 廣東  江門市 2020-03-20
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涂層刀具技術(shù)常見問題

  • 涂層的納米涂層

    此外,納米超薄膜涂層工藝已日趨成熟。據(jù)報道,日本某公司推出了一種高速強力型鉆頭,它是在韌性好的K類(WC+Co)硬質(zhì)合金基體上交互涂覆了1,000層TiN和AlN超薄膜涂層,涂層厚度約2.5微米。使用...

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涂層刀具技術(shù)文獻

用金剛石涂層刀具切削加工復(fù)合材料 用金剛石涂層刀具切削加工復(fù)合材料

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當(dāng)前,制造業(yè)在大力推進以多功能化、高性能化為主的產(chǎn)品開發(fā);近年來,環(huán)保型產(chǎn)品的開發(fā)也變得日益必要;同時,產(chǎn)品使用的材料也在逐年變化。在代表制造業(yè)的汽車工業(yè)、航空工業(yè)以及半導(dǎo)體工業(yè),雖然過去主要使用鐵系材料作為產(chǎn)品的構(gòu)件材料,但目前高強度、

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金剛石和氮化碳涂層刀具加工高硅鋁合金 金剛石和氮化碳涂層刀具加工高硅鋁合金

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評分: 4.5

為提高硬質(zhì)合金刀具加工高硅鋁合金的生產(chǎn)率及使用壽命,文章采用金剛石薄膜刀具和氮化碳涂層刀具來對比硬質(zhì)合金刀具加工高硅鋁合金的加工性能;試驗結(jié)果表明,金剛石薄膜刀具干切削加工的表面粗糙度值較小,氮化碳涂層刀具干切削高硅鋁合金與金剛石薄膜刀具相比,積屑瘤較小,是適合加工高硅鋁合金的刀具材料。

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涂層刀具概述

刀具涂層技術(shù)迅速發(fā)展,涂層刀具得到了廣泛應(yīng)用。1969年德國克虜伯(Krupp)公司和瑞典山特維克(Sandvik)公司研發(fā)成功了化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層技術(shù),并向市場推出了CVDTiC涂層硬質(zhì)合金刀片產(chǎn)品。20世紀70年代初,美國本夏(R.Runshan)和拉格胡南 (A.Raghuran)研發(fā)了物理氣相沉積(PVD)工藝,并于1981年將PVDTiN高速鋼刀具產(chǎn)品推向市場。當(dāng)時CVD涂層工藝溫度約 1000℃,主要用于硬質(zhì)合金刀具(刀片)的表面涂層;PVD涂層工藝溫度為500℃和500℃以下,主要用于高速鋼刀具的表面涂層。后來,CVD和 PVD涂層技術(shù)不斷迅速發(fā)展,在涂層材料、涂層設(shè)備和工藝等方面都有了很大進步,而且發(fā)展了多層材料的涂覆技術(shù),使涂層刀具(刀片)的使用性能有了很大的 提高。PVD涂層技術(shù)過去主要用于高速鋼刀具,而近年來隨著PVD涂層技術(shù)飛躍發(fā)展,也成功用于硬質(zhì)合金刀具(刀片),占領(lǐng)了硬質(zhì)合金涂層刀具(刀片)的 一半陣地。涂層高速鋼刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具(刀片)廣泛應(yīng)用,已占全部刀具使用總量的50%以上。

涂層刀具優(yōu)越性

在韌性較好的刀具(刀片)基體上進行表面涂層,涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層(如 TiN、TiC等),使刀具(刀片)具有全面、良好的綜合性能。未涂層高速鋼的硬度僅為62~68HRC(760~960HV),硬質(zhì)合金的硬度僅為 89~93.5HRA(1300~1850HV);而涂層后的表面硬度可達2000~3000HV以上。

①由于表面涂層材料具有很 高的硬度和耐磨性,且耐高溫。故與未涂層的刀具(刀片)相比,涂層刀具允許采用較高的切削速度,從而提高了切削加工效率;或能在相同的切削速度下,提高刀 具壽命。

②由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小,故涂層刀具(刀片)的切削力小于未涂層刀具(刀片)。

③ 用涂層刀具(刀片)加工,零件的已加工表面質(zhì)量較好。

④由于涂層刀具(刀片)的綜合性能良好,故涂層硬質(zhì)合金刀片有較好的通用性, 一種涂層硬質(zhì)合金牌號的刀片具有較寬的使用范圍。

涂層刀具應(yīng)用情況

涂層刀具在切削刀具中占的比例已達到80%。由于國外企業(yè)在高端刀具領(lǐng)域占據(jù)壟斷地位,在我國數(shù)控機床專項中,刀具及其核心涂層技術(shù)的地位日益受到重視,對涂層技術(shù)的突破被列入多項課題研究中。

涂層刀具技術(shù)進步

筆者多次參觀了國際機床工具展覽會,收集到很多資料,并聽取了各大工具公司的技術(shù)報告,從而了解到刀具產(chǎn)品表面涂層技術(shù)的發(fā)展和進步。

涂層刀具CVD 進展

過去,硬質(zhì)合金刀具表面涂層采用高溫化學(xué)氣相沉積(HTCVD)工藝。在常壓或負壓的沉積系統(tǒng) 中,將純凈的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等氣體根據(jù)沉積物的成分,按一定配比均勻混和,依次涂到具備一定溫度(一般為 1000~1050℃)的硬質(zhì)合金刀片表面,即在刀片表面沉積TiC、TiN、TiCN、Al2O3或者它們的復(fù)合涂層。HTCVD仍是使用最 多的工藝方法,除HTCVD外,還有等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)工藝,它是在硬質(zhì)合金刀具(刀片)表面涂層的另一種方法,因這種涂層工藝溫度較低 (700~800℃),故刀片的抗彎強度降低。因為TiC與基體材料的線膨脹系數(shù)最接近,通常用TiC薄層先涂在基體表面上,外面再涂TiN、 Al2O3,如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN等。

后來,發(fā)展了各種不同組合的多層涂層。筆者在多次展覽會上調(diào)查和統(tǒng)計了瑞典、德國、美國、日本、韓國、以色列和中國各公司的CVD涂層硬質(zhì)合金刀片 產(chǎn)品,涂層材料有以下組合:TiCN/Al2O3、TiCN/TiC/TiN、TiCN/TiC/Al2O3、TiCN/Al2O3/TiN、TiCN /TiC/Al2O3/TiN、TiCN/Al2O3/TiCN、TiN、TiC/TiCN/TiN、TiN/TiCN/TiN等??梢钥闯?,近年多用 TiCN或TiN作底層,這是因為基體硬質(zhì)合金有了改進,例如采用了梯度結(jié)構(gòu),才有可能用TiCN或TiN墊底。此外,TiN涂層不宜單獨使用,因為與硬 質(zhì)合金相比,TiN的硬度提高不多,TiN必須與TiC、TiCN、Al2O3等組合使用。

涂層刀具PVD進展

早 期,PVD涂層均采用“真空蒸鍍法”,膜層往往不均勻,與基體的結(jié)合不夠牢固,后發(fā)展了“真空磁控濺射法”和“真空等離子鍍工藝”,效果很好。刀具表 面涂層主要用后兩種方法。

早年,PVD涂層只用于高速鋼刀具,涂層材料幾乎只用TiN一種。后來,改進了涂層工藝,發(fā)展了多種涂層 材料和多層涂層,在硬質(zhì)合金刀具上也得到了大量的應(yīng)用。涂層效果比以往大有進步。TiN涂層材料仍在使用,新興的涂層材料是TiAlN和AlTiN,其使 用效果優(yōu)于TiN。

歐洲的PVD涂層技術(shù)水平最高,領(lǐng)先于其他國家和地區(qū)。知名的廠商有德國賽利(CemeCon)涂層技術(shù)有限公司、歐瑞康巴爾查斯 (OerlkonBalzers)公司、德國PVT等離子真空技術(shù)公司和丹麥尤尼莫克(Unimerco)公司等。他們的PVD涂層設(shè)備和工藝先進,涂層 材料品種多,涂層刀具和其他產(chǎn)品使用性能好。

國外一些知名的高速鋼和硬質(zhì)合金工具廠,都有涂層刀具(刀片)產(chǎn)品,但涂層設(shè)備和工藝多購自涂層技術(shù)的專業(yè) 公司,或與之合作,而不是自行研制。據(jù)悉,瑞典山特維克公司和以色列伊斯卡公司的PVD涂層設(shè)備都是從歐瑞康巴爾查斯公司購進的。中國也應(yīng)當(dāng)這樣做,這是 一條既好又快的道路。例如,中國哈爾濱第一工具廠和德國PVT公司合作,成立了哈一工普威特鍍膜合資股份公司。歐瑞康巴爾查斯公司在全球設(shè)有77個涂層中 心,在中國蘇州、天津和漢江各設(shè)有一個中心,中國鄰近城市和地區(qū)的工具廠家,其涂層產(chǎn)品多在上述中心進行涂層。湖南株洲硬質(zhì)合金廠和四川自貢長城硬質(zhì)合金 廠的涂層設(shè)備都是從國外引進的。

涂層刀具CVD應(yīng)用

利 用“熱絲CVD法”、“等離子體噴射CVD法”、“火焰燃燒法”等工藝能在硬質(zhì)合金或高速鋼刀具表面沉積金剛石薄膜(10μm)。CVD金剛石膜的力學(xué)、 物理性能介于天然金剛石和熱壓聚晶PCD金剛石之間,能夠有效地加工有色金屬。

如增加沉積時間,可在基體或襯底(一般用硅片)上沉 積出厚度大于0.5mm的厚膜。將厚膜從基體上剝離,并切割成一定形狀的小塊,再將小塊釬焊在基體刀片(一般為硬質(zhì)合金刀具)上使用。CVD厚膜金剛石刀 具應(yīng)用范圍大于薄膜涂層刀具。在CIMT2007上,很多國內(nèi)外刀具公司都有CVD薄膜金剛石涂層刀具產(chǎn)品,但只有少數(shù)廠家有厚膜產(chǎn)品。北京東方天地超硬 材料工具公司能生產(chǎn)金剛石厚膜刀具產(chǎn)品,并且已有多年的經(jīng)驗。厚膜刀具應(yīng)用范圍較廣,能加工各種有色金屬、非金屬硬材料及顆粒增強的復(fù)合材料等。

涂層刀具PVD應(yīng)用

武漢大學(xué)物理系用直流反應(yīng)磁控濺射法在刀具表 面沉積出氮化碳(CxNy)超硬涂層薄膜,厚度只有幾個微米,硬度可達40~50GPa。CxNy涂層刀具能切削黑色和有色金屬。

對涂層高速鋼和硬質(zhì)合金刀具(刀片)的切削性能進行了長期的研究,進行了很多科學(xué)實驗。茲介紹部分實驗數(shù)據(jù)如下:

① 在相同的切削條件下,涂層刀具刀片的使用壽命比未涂層刀具(刀片)提高3~5倍。在相同的切削條件下,相同刀具壽命時,涂層刀具的切削速度比未涂層刀具提 高20~30%。

②在相同的切削條件下,涂層刀具(刀片)的切削力小于未涂層者。筆者用涂覆TiC硬質(zhì)合金刀片車削鋼材與未涂層刀 片對比,主切削力Fc可減小3%~4%,TiN或TiC/TiN涂層刀片的Fc約可減小6%,進給力Ff與切深力Fp的減小尤為顯著。Al2O3涂層刀片 與切削力的減小效果與TiN涂層刀片接近。

③筆者曾用CVD涂層金剛石厚膜刀具,加工過硅鋁合金、各種硬鋁、鉛黃銅、無氧銅、碘化 鈦以及纖維增強和顆粒增強的復(fù)合材料等,均取得較好效果。但用作超精密切削的刀具,其效果不如天然金剛石刀具。

④筆者曾用CxNy 涂層高速鋼鉆頭在高強度鋼上鉆孔,與未涂層鉆頭相比,涂層鉆頭的使用壽命提高7~9 倍。在其他高速鋼刀具上涂覆CxNy,亦有顯著效果。又曾在硬質(zhì)合金刀片上涂覆CxNy,用以車削鋼料,效果尚不夠理想,其使用壽命不超過普通TiC涂層 硬質(zhì)合金刀片。

中國的刀具涂層技術(shù)與工業(yè)發(fā)達國家相比尚有很大差距,涂層刀具的數(shù)量也差得很遠,大致只占全部刀具的20%。其中數(shù) 控機床和加工中心上使用得多一些,在普通的非數(shù)控機床上則少得可憐,原因是認識問題和價格等因素。我們應(yīng)該努力提高刀具涂層技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的水平,大力推 廣應(yīng)用涂層刀具,促進切削加工和機械制造水平的提高。

涂層刀具現(xiàn)狀

涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標志,在刀具中的使用比例已超過50%。切削加工中使用的各種刀具,包括車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可采用涂層工藝來提高它們的使用性能。

涂層刀具類別

涂層刀具有四種:涂層高速鋼刀具,涂層硬質(zhì)合金刀具,以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的涂層刀具。但以前兩種涂層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料,目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上),可減少刀片的崩刃及破損,擴大應(yīng)用范圍。

涂層刀具新型涂層技術(shù)

Ti-Al-X-N新型涂層技術(shù)是利用氣相沉積方法在高強度工具基體表面涂覆幾微米高硬度、高耐磨性難熔Ti-Al-X-N涂層,從而達到減少刀具磨損,延長壽命,提高切削速度的目的。它是高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備國家重大專項課題取得的重要成果。

涂層刀具涂層方法

生產(chǎn)上常用的涂層方法有兩種:物理氣相沉積(PVD) 法和化學(xué)氣相沉積(CVD) 法。前者沉積溫度為500℃,涂層厚度為2~5μm;后者的沉積溫度為900℃~1100℃,涂層厚度可達5~10μm,并且設(shè)備簡單,涂層均勻。因PVD法未超過高速鋼本身的回火溫度,故高速鋼刀具一般采用PVD法,硬質(zhì)合金大多采用CVD法。硬質(zhì)合金用CVD法涂層時,由于其沉積溫度高,故涂層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層(η相),導(dǎo)致刀片脆性破裂。近十幾年來,隨著涂覆技術(shù)的進步,硬質(zhì)合金也可采用PVD法。國外還用PVD/CVD相結(jié)合的技術(shù),開發(fā)了復(fù)合的涂層工藝,稱為PACVD法(等離子體化學(xué)氣相沉積法)。即利用等離子體來促進化學(xué)反應(yīng),可把涂覆溫度降至400℃以下(涂覆溫度已可降至180℃~200℃),使硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會產(chǎn)生擴散、相變或交換反應(yīng),可保持刀片原有的韌性。據(jù)報道,這種方法對涂覆金剛石和立方氮化硼(CBN)超硬涂層特別有效。

涂層刀具要求

用CVD法涂層時,切削刃需預(yù)先進行鈍化處理(鈍圓半徑一般為0.02~0.08mm,切削刃強度隨鈍圓半徑增大而提高),故刃口沒有未涂層刀片鋒利。所以,對精加工產(chǎn)生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應(yīng)采用PVD法。涂層除可涂覆在普通切削刀片上外,還可涂覆到整體刀具上,已發(fā)展到涂覆在焊的硬質(zhì)合金刀具上。據(jù)報道,國外某公司在焊接式的硬質(zhì)合金鉆頭上采用了PCVD法,結(jié)果使加工鋼料時的鉆頭壽命比高速鋼鉆頭長10倍,效率提高5倍。

涂層刀具使用注意事項

涂層刀具的使用效果除與涂層方法及設(shè)備、涂層工藝和涂層材料有關(guān)外,還有以下情況應(yīng)加以注意:

一、涂前刀具的表面質(zhì)量 。被涂刀具表面應(yīng)是光亮的磨光面,刀具各工作表面上不得有銹斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷,要求刃口上無毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度應(yīng)達到Ra<0.8~1.25μm。表面粗糙度值愈小,涂層的結(jié)合度愈好。此外,刀具表面的清洗質(zhì)量也十分重要。

二、刀具基體材料。涂層刀具的基體材料與涂層材料應(yīng)合理匹配,須根據(jù)不同的加工要求選用。涂層高速鋼刀具的基體,既可用W6Mo5Cr4V2(M2)的通用型高速鋼,也可用含鈷的超硬高速鋼和粉末冶金高速鋼(PM HSS)或者是整體采用硬質(zhì)合金鎢鋼制成的 鎢鋼刀片。因粉末冶金的基體均勻,故使用效果好。加工鈦合金時,推薦用含鈷超硬高速鋼如W2Mo9Cr4VCo8(M42)作為刀具的基體材料。對于涂層滾刀,當(dāng)以正常切削速度(小于45m/min)加工齒輪時,崩刃是滾刀磨損的主要原因,因此應(yīng)選擇韌性較好的W6Mo5Cr4V2高速鋼作為刀具的基體材料;而在高速滾齒時(切削速度大于100m/min),月牙洼磨損是滾刀磨損的主要原因,因此應(yīng)選用耐熱性和耐磨性較高的含鈷超硬高速鋼或CW9Mo3Cr4VN高速鋼為刀具的基體材料。 涂層硬質(zhì)合金刀具的基體,在加工鋼材時,宜選擇加工鋼材的硬質(zhì)合金,如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co類合金(P30用得較多);加工鑄鐵和有色金屬時,宜選擇WC-Co類合金(K20用得較多)。 被加工材料的硬度及切削加工性,對涂層刀具的使用效果也有一定影響。試驗證實,涂層刀具最適于切削高硬度和耐磨合金一類難加工材料。

三、刀具的幾何角度。 由于涂層的潤滑性好,所以涂層刀具工作時常會在工件表面上打滑,為此涂層刀具上的后角應(yīng)比未涂層刀具的后角略大。實踐表明,對鉸刀等一類精加工刀具,加大后角后,可使刃口鋒利,切屑形成容易,打滑現(xiàn)象明顯減少,刀具的使用性能提高。

四、切削用量和切削液 。為了充分發(fā)揮涂層刀具的性能,必須正確選用切削用量和切削液。涂層刀具由于耐熱性好,抗月牙洼磨損能力強,故可采用較大進給量和切削速度工作,但首先應(yīng)選取較大進給量。通常涂層高速鋼刀具采用的進給量比未涂層刀具提高10%~100%,提高20%~30%的切削速度是合適的。為了提高工效,涂層硬質(zhì)合金刀具也可采用比未涂層刀具高25%~70%的切削速度進行切削。用涂層硬質(zhì)合金通用刀具加工中碳結(jié)構(gòu)鋼時的切削速度,立銑刀可達100~150m/min,鉆頭可達80~100m/min;絲錐加工鑄鐵為20~40m/min。 實踐證明,使用20號機械油加10%煤油冷卻時,可使涂層高速鋼鏜刀的壽命提高1~2倍。TiN涂層高速鋼滾刀加工20CrMnTi(197HBS)鋼制斜齒圓柱齒輪(模數(shù)m=5)時,使用20號機械油和煤油混合潤滑,刀具壽命可提高5倍左右,即使重磨后也可提高2~3倍,干切時壽命僅提高1倍。 [pre]涂層刀具使用時還要求機床的精度好、剛性高和振動小,刀具或刀片的夾持也應(yīng)牢固。

涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標志,在刀具中的使用比例已超過50%。切削加工中使用的各種刀具,包括車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可采用涂層工藝來提高它們的使用性能。

區(qū)分

涂層刀具有四種:涂層高速鋼刀具,涂層硬質(zhì)合金刀具,以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的涂層刀具。但以前兩種涂層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料,目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上),可減少刀片的崩刃及破損,擴大應(yīng)用范圍。

新型涂層技術(shù)

Ti-Al-X-N新型涂層技術(shù)是利用氣相沉積方法在高強度工具基體表面涂覆幾微米高硬度、高耐磨性難熔Ti-Al-X-N涂層,從而達到減少刀具磨損,延長壽命,提高切削速度的目的。它是高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備國家重大專項課題取得的重要成果。

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