住友ac800p系列刀片介绍

1车削用涂层材质ACE涂层®AC800P系列的开发1.前言用于切削加工的机夹式刀片中，在硬质合金母材的表面涂覆硬质陶瓷涂层膜的材质(下文统称涂层材质)相比其他刀具材质能体现出更好的耐磨损性与耐崩损性的平衡，因此被使用的比率逐年上升，现在已占全体机夹式刀片材质的70%(图1)。使用涂层材质进行切削加工的被削材中，有碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁等种类，其中以碳钢、合金钢为代表的钢类又是汽车、钢铁、建机产业中最核心的被削材。最近，机械加工部件为对应多样化的用途而呈少量多品种化，为对应环保无铅化(难削化)也在被推进，并且切削加工参数还体现出干式切削化、高效率加工化等倾向。在此种严酷的切削环境下刀具被要求具有稳定、高信赖性的特点。本公司开发了广泛网罗钢件车削领域、可对应上述需求的高速用材质「ACE涂层®AC810P」，通用材质「ACE涂层®AC820P」与重·断续用材质「ACE涂层®AC830P」，并开始了销售。在此，就其开发经纬及性能做如下报告。2.AC810P、AC820P、AC830P的开发目标和新技术本公司的钢件车削用涂层材质的种类如图2所示。钢部件加工中的高速·连续加工～低速·断续加工的所有领域皆由「AC810P」「AC820P」「AC830P」3种材质所覆盖。「AC810P」是高速·连续加工时耐磨损性优异的材质，「AC820P」在3种材质中位于中心的位置，是能覆盖从中速领域的连续到断续加工的广泛领域的通用材质。「AC830P」是高强度的耐冲击性优异的重·断续用材质。0%20%40%60%80%100%’92’93’94’95’96’97’98’99’00’01’02’03’04’05’06’07’08’09’101/四(百万片/月)刀片不同材质的比例0.05.010.015.020.025.0出货数量涂层WC系金属陶瓷陶瓷合计出货数量图1机夹式刀片按材质分类的出货比例(日本)[1]图2钢件车削用涂层材质的种类与使用领域连续部份断续断续100200300400切削速度(m/min)AC700GAC3000AC2000AC810PAC820PAC830P22-1高速用材质AC810P的开发目标我们从既存产品「AC700G」的客户处回收了使用过的刀片并分析了损伤情况，发现大约一半为月牙洼磨损。所谓月牙洼磨损，如照片1所示，是刀具前刀面发生的损伤形态，主因为切削加工时的切屑擦过。伴随着月牙洼磨损的进展，将引起切削处理恶化、刃口强度降低所导致的崩损等情况。特别是钢件连续车削时由于切屑不断地与前刀面接触，因摩擦热导致刃口温度上升。通常随着温度上升，硬质合金母材与涂层膜的硬度会降低，从而月牙洼磨损的发展会有加速倾向。而高效率加工、干式加工时上述倾向则更为显著，令月牙洼磨损成为最主要的损伤形态。为了提高耐月牙洼磨损性、降低与钢的亲和性，高温下不易发生化学反应、阻热性优异的氧化铝膜的厚膜化是重要技术。AC700G虽然在低速～中速领域有较好的耐磨损性，但由于氧化铝膜较薄因此在高速加工领域经常因月牙洼磨损导致达到寿命。因此我们将AC810P的开发目标定为：高效率加工、干式加工时耐月牙洼磨损性为以往材质AC700G的1.5倍以上。2-2通用材质AC820P的开发目标为了明确其通用材质的开发目标，我们从客户处回收了使用过的刀片，并对使用条件和损伤状态进行了调查。我们将从大约100个客户处回收的刀片以切削速度和被削材为区分，调查了刀具寿命要因。调查发现，使用条件中，中碳钢、渗碳钢、轴承钢的切削速度在250m/min以下的领域最多，超过了全体的半数，次之的是相同被削材的250m/min以上的领域，这2种使用条件占了全体的8成。在此种使用条件下影响刀具寿命的要因是涂层膜的微小崩损，占了超过半数，整体来看此种微小崩损的损伤也是最多的。据此结果，我们将通用材质开发中最重要的课题定为减轻微小崩损，并将性能目标定为耐崩损性达到以前材质的1.5倍以上。另外，关于客户呼声很高的高效率加工，鉴于前刀面损伤占了近3成，为了在高效率加工下延长寿命，我们判断对比以前材质1.5倍以上的耐前刀面损伤性是必要的。2-3重断续材质AC830P的开发目标被削材中含断续部分的加工由于反复发生冲击，令刀具突发性的发生崩损。另外，不仅是断续加工，被削材的稳定性(组织、硬度、表面粗糙度等)不好时，以及车床、治具、刀杆等装夹自身的刚性较低时也会较容易发生突发性的刀具问题。其结果导致了刀具寿命的不稳定性变大，需要不定期更换刀具，需要持续有人看管机床。理论上不会发生崩损的少量加工也需更换刀具，最终造成了生产性的低下与加工成本的增加。因此，我们将重·断续用材质的性能目标定为耐崩损性达到以前材质的2倍以上。2-4高速用材质AC810P的开发AC810P是由新开发的高强度厚膜氧化铝与本公司独有的CVD涂层膜「超级FF涂层®」所组成的(图3)。照片1图3AC810P的截面图AC700GAC810P12µm18µm厚膜化厚膜化FF-TiCN氧化铝3为了提高耐月牙洼磨损性，我们使用高精度分析仪器对月牙洼磨损形态做了详细调查。发现氧化铝膜强度低时，损伤发展并非呈磨损性，而是呈破坏性。若氧化铝膜呈破坏性发展下去，损伤将加速进展，因此厚膜化的效果在还未充足发挥时刀具即已达到了寿命。我们为了提高涂层膜自身的性能，将结晶粒度进行最适化，开发了可控制氧化铝膜中龟裂经路的高强度氧化铝膜(图4)，成功将前刀面损伤转化为平滑的磨损性发展。而且通过将高强度氧化铝最大限厚膜化，实现了耐月牙洼磨损性的大幅提高。图5表示了AC810P、以往产品AC700G、以及其他公司的P10级材质的V-T线图。即使在低速、中速加工时AC810P在达到Vb=0.20mm时的寿命也比其他公司长1.5倍，特别是在V=300m/min的高速条件下，AC810P可发挥优异的耐磨损性。从图5可以看出，AC810P与其他产品相比，在同条件下可达1.5倍以上的长寿命化，或者可提高10%的加工速度。通过对以往产品AC700G的市场调查，我们提出了另一个课题，即耐崩损性的提高。通过对崩损以及膜剥离的损伤结构的解析，我们明白了损伤是从刃口棱线部为起点开始的。AC810P在涂覆了耐磨损性优异的厚膜涂层的同时，为提高耐崩损性还采用了特殊表面处理。即，将作为崩损与膜剥离损伤起点的刃口棱线部的氧化铝膜进行薄膜化，从而提高耐崩损性，成功克服了伴随着厚膜涂层的欠缺。从图6可以看出AC810P相比其他公司同级别材质，耐崩损性达到1.5倍以上。2-5通用材质AC820P的开发AC820P是由新开发的硬质合金母材与本公司独有的CVD(Chemicalvapordeposition)涂层膜「超级FF涂层®」所组成的(图7)。图4高强度氧化铝的特性4.05.06.07.08.09.04050456055Al2O3膜破坏韧性KIC(MPa/m1/2)膜硬度(Gpa)AC700GAC810P强度50%UP⇒耐Kt磨损型提高耐剥离性提高250300350400100101相比其他公司P10等级材质,加工速度可提高10%寿命为其他公司P10等级材质的1.5倍其他公司(P10)AC700GAC810P达到VB=0.2mm时的切削时间(分)切削速度(m/min)被削材：SCM435圆棒切削参数：f=0.3、ap=1.5、wet图5AC810P的高速V-T线图图6断续加工时AC810P的耐崩损性刀具型号：CNMG120408被削材：SCM435断续材(HRC32)切削参数：Vc=270-300m/min、f=0.18mm/rev.、ap=1.5mm、wet010002000300040005000其他公司市售材质本公司以前材质AC810P达到崩损时的冲击次数(次)图7AC820P的截面图AC820P以往涂层高精度新开发硬质合金母材耐磨损型、耐剥离性优异的超微粒FF-TiCN涂层通过新开发的平滑α氧化铝和膜厚控制技术大幅提高了耐粘屑性和耐崩损性的FF-氧化铝涂层1µm4(1)耐崩损性的提高为了抑制微小崩损，必须保证涂层膜的强度。图8所示为用以前技术涂层的TiCN膜和超级FF涂层技术成膜的TiCN膜的组织对比。超级FF涂层技术令TiCN膜的颗粒大幅微粒化，并且形成了非常微密且均一的组织，从而提高了TiCN膜的硬度并且提高了耐崩损性。另外，还采用了能够对应高效率加工、高温稳定性好的高硬度α型氧化铝。以前的α型氧化铝膜的颗粒度较大，表面也比较粗糙，因此随之带来了易粘屑、易产生小崩口的缺点。为了改善此欠缺，我们将CVD涂层条件进行了最优化，成功得到了表面粗糙度为以前1/2的平滑的α型氧化铝(图9)。最终，我们成功提高了α型氧化铝的耐崩损性。(2)耐前刀面损伤性的提高除了TiCN膜和α型氧化铝膜的高强度·平滑化，我们还将TiCN膜增厚至以前的1.3倍，氧化铝膜增厚至原来的4倍，从而实现了耐磨损性的提高。图6所示为高效率加工条件下的耐磨损性评价结果。我们对新开发的AC820P、以前材质AC2000、和市售的其他公司的材质进行了耐磨损性对比。AC820P相比以前材质与其他公司材质皆达到了2倍以上的耐前刀面损伤性和耐后刀面磨损性。(3)耐崩损性和耐磨损性的并存虽然通过加厚涂层膜提高了耐磨损性，但是耐崩损性随之降低。为了解决这个问题，我们新开发了去除作为崩损及剥离的损伤基点的刃口稜线部的氧化铝膜的膜厚控制技术。从而成功令耐崩损性和耐磨损性得到并存。图11所示为耐崩损性的评价结果。我们以刃口到达崩损时的冲击次数来评价耐崩损性。AC820P相比以前材质、其他公司材质，耐崩损性达到了1.5倍以上。图8超级FF涂层TM“FF-TiCN”的特长表面组织截面组织以前陶瓷涂层超级FF涂层图9超级FF涂层TM“FF-α型氧化铝”的特长图9超级FF涂层TM“FF型氧化铝”的特长α-Al2O3膜截面图膜截面图α-Al2O3MT-TiCNMT-TiCN以往κ型氧化铝压入硬度新开发平滑α型氧化铝以往α氧化铝表面粗糙度Ra(µm)图10连续高进给加工时的耐磨损性切削结果本公司以往材质AC820P其他公司市售材质0.2mm刀具型号：CNMG120408被削材：S45C圆棒(HRC27)切削参数：Vc=270m/min,f=0.4mm/rev,ap=1.2mm,WET耐磨损性2倍以上切削时间(min)后刀面磨损宽度(mm)12分时的刃口损伤52-6重·断续材质AC830P的开发在本领域使用的硬质合金母材重视耐崩损性，因此结合剂Co的含量较多，约有10wt%，硬质合金自身的尺寸精度有降低倾向。使用这种刀片时，刀尖的位置随刀角更换变化较大从而导致加工精度低下，与刀杆的装夹也不稳定，会产生突发性的崩损等影响刀具寿命的问题。为了实现加工精度及刀具寿命的稳定化，我们并没有减少AC830P中的Co含量，而是将组织及烧结条件做了最优化处理，达成了相比以前2/3的刃口位置精度(图12)，实现了加工精度及刀具寿命的稳定化。另外，AC830P是本公司独有的CVD涂层「超级FF涂层®」，即采用了细微且平滑的TiCN膜和平滑的高耐粘屑性的K型氧化铝膜的层积膜，相比以前的涂层大幅提高了耐磨损性和耐剥离性。而且，我们新开发了涂层膜的内部应力控制技术，成功降低了CVD涂层膜所特有的残留扩张应力，耐崩损性相比以往材质有了飞跃性的提高。图11断续加工时的耐崩损性切削结果AC820P刀具型号：CNMG120408被削材：SCM435断续材(HRC32)切削参数：Vc=320m/min,f=0.25mm/rev,ap=1.5mm,WET耐崩损性2倍以上到达蹦损时的冲击次数(次)断续切削时的评价结果如图13所示。我们用以往材质AC3000和市售的以往刀具来与AC830P做对比，切削性能以达到崩损的冲击次数来评价。测试结果显示了AC830P相比以往材质2倍以上的耐崩损性。另外，低碳钢的强断续切削的评价结果如图14所示。以往刀具在走第20刀时即出现涂层膜剥离与磨损扩散进而达到刀具寿命，而AC830P在走了30刀后还保持良好的损伤形态。因此，在断续加工时AC830P更为适用，达成了相