Lớp phủ dụng cụ được tạo ra bằng cách lắng đọng một lớp mỏng các hợp chất chống mài mòn lên chất nền cacbua xi măng cứng hoặc thép tốc độ cao. Dựa trên phương pháp lắng đọng, dụng cụ được phủ được chia thành hai loại: dụng cụ phủ CVD và dụng cụ phủ PVD. CVD thường được sử dụng cho dụng cụ cacbua xi măng được phủ, với nhiệt độ lắng đọng khoảng 1000°C. Từ lâu, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực giải quyết sự đánh đổi giữa độ bền và khả năng chống mài mòn của dụng cụ cắt. Bài viết này thảo luận về cách lựa chọn dụng cụ được phủ phù hợp với nhu cầu thực tế.

Hiệu suất của các lớp phủ thông thường

Hiệu suất tổng thể của các dụng cụ được phủ phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu nền và lớp phủ dụng cụ. Các vật liệu nền phổ biến bao gồm cacbua xi măng và thép tốc độ cao. Các vật liệu phủ dụng cụ điển hình bao gồm TiC, TiN, TiCN, TiAlN, Al₂O₃, MoS₂ và kim cương. Lớp phủ có thể là cấu trúc một lớp hoặc nhiều lớp. Độ dày lớp phủ dao động từ 2 μm đến 18 μm. Lớp phủ mỏng chịu được sự thay đổi nhiệt độ tốt hơn trong quá trình cắt gián đoạn, vì chúng có ứng suất bên trong thấp hơn và chống lại sự hình thành vết nứt. Lớp phủ dày có xu hướng bị nứt khi nung nóng và làm nguội nhanh, tương tự như thủy tinh khi chịu sự thay đổi nhiệt độ đột ngột. Gia công khô với các mảnh dao được phủ lớp mỏng có thể kéo dài tuổi thọ dụng cụ lên 40%. Bảng 1 thể hiện hiệu suất của các lớp phủ phổ biến.

Bảng 1 so sánh khả năng tản nhiệt của các lớp phủ dụng cụ thông thường. So với TiN, TiAlN cho khả năng tản nhiệt tốt nhất, tiếp theo là TiC. Do đó, TiAlN được sử dụng rộng rãi cho các dụng cụ dùng trong gia công khô (xem Bảng 2).

bảng 1

bảng2

TiN là một trong những lớp phủ dụng cụ được sử dụng rộng rãi nhất. Nó thường được ứng dụng trên nền thép tốc độ cao. TiN có độ cứng cao hơn thép tốc độ cao, hệ số ma sát thấp, độ dẻo dai tốt và độ cứng nóng cao để chịu được biến dạng đàn hồi. Hệ số giãn nở nhiệt của nó gần với thép tốc độ cao, tạo ra ứng suất nhiệt thấp trong quá trình biến đổi nhiệt độ khi cắt và duy trì độ bền liên kết cao. TiN có tính ổn định hóa học tốt, khả năng chống ăn mòn và chống oxy hóa, và hầu như không phản ứng với kim loại phôi. Ngoài ra, màng TiN có thể được sản xuất bằng hầu hết các kỹ thuật PVD và CVD.

Các dụng cụ có lớp phủ TiN được ứng dụng trong gia công cắt tốc độ cao các chi tiết có độ cứng trung bình, chẳng hạn như vật liệu đã được tôi luyện và tôi cứng, phay đồng thiếc, cắt ren và khoan.

Lớp phủ Al₂O₃ có đặc tính cơ học tốt, độ cứng ở nhiệt độ cao vượt trội và độ ổn định hóa học cao. Các mảnh dao được phủ Al₂O₃ có khả năng chống mài mòn miệng hố hiệu quả và đạt được tuổi thọ cao hơn. Ngoài ra, Al₂O₃ có độ dẫn nhiệt thấp, và độ dẫn nhiệt này còn giảm khi nhiệt độ tăng. Đặc tính này ngăn nhiệt cắt truyền đến các cạnh cắt và ngăn ngừa sự hỏng hóc đột ngột của dụng cụ do biến dạng dẻo nhiệt.

Lớp phủ Al₂O₃ chủ yếu được phủ lên các dụng cụ bằng hợp kim cứng cacbua. Các dụng cụ được phủ lớp này kết hợp khả năng chống mài mòn của dụng cụ gốm và độ bền của hợp kim cứng cacbua. Chúng hoạt động hiệu quả trong các trường hợp dụng cụ gốm dễ bị sứt mẻ do tính giòn, và được sử dụng để gia công gang và thép tốc độ cao.

Ví dụ, khi gia công đĩa phanh và tang trống phanh bằng gang trong ô tô, các mảnh dao được phủ lớp Al₂O₃ có tuổi thọ cao hơn từ 2 đến 4 lần so với các mảnh dao được phủ lớp TiC, dụng cụ gốm kim loại và dụng cụ gốm, và cao hơn từ 6 đến 8 lần so với dụng cụ cacbua xi măng không phủ lớp. Ở tốc độ cắt từ 365 m/phút đến 550 m/phút, hiệu suất của nó tương đương với dụng cụ gốm. Một lớp trung gian TiN, TiC hoặc TiCN thường được thêm vào giữa lớp phủ Al₂O₃ và chất nền. Điều này cải thiện khả năng chống mài mòn và ngăn chặn sự khuếch tán của coban, vonfram và các nguyên tố khác từ chất nền cacbua xi măng ở nhiệt độ cao, tăng cường lực liên kết. Tuy nhiên, các lớp trung gian TiC là các pha giòn và sẽ làm giảm độ bền của lớp phủ.

Lớp phủ TiAlN rất phù hợp với gia công cắt khô tốc độ cao. TiAlN bắt đầu quá trình oxy hóa ở nhiệt độ 700–800°C, cao hơn so với TiC và TiN. Nó duy trì độ cứng cao hơn và độ ổn định nhiệt tốt hơn TiN ở nhiệt độ cao. Một lớp màng oxy hóa hình thành trên lớp phủ TiAlN dưới nhiệt độ cao, làm giảm ma sát giữa dụng cụ, phôi và phoi, đồng thời giảm sinh nhiệt. Hơn nữa, TiAlN có độ dẫn nhiệt thấp hơn TiN, giúp cách nhiệt và cho phép dụng cụ chịu được nhiệt độ cao hơn trong quá trình gia công cắt khô.

Lớp phủ TiAlN có hàm lượng nhôm trên 50% được định nghĩa là lớp phủ AlTiN để phân biệt chúng với lớp phủ TiAlN thông thường. Hàm lượng nhôm cao hơn mang lại độ cứng lớn hơn và khả năng chống mài mòn tuyệt vời. Lớp phủ AlTiN duy trì độ cứng cao ngay cả khi nhiệt độ tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi đạt 800–900°C, khiến chúng trở thành lớp phủ dụng cụ chống mài mòn tiên tiến. Nhiều lớp phủ AlTiN thương mại chứa hơn 65% nhôm. Ví dụ, lớp phủ của Carboloy chứa 67% nhôm, và sản phẩm của Ion Bend đạt 70%. Vào tháng 7 năm 2002, Ceme Con đã phát triển một quy trình cho lớp phủ siêu nitrit với hàm lượng nhôm lên đến 80%.

Tốc độ cắt lý tưởng cho các dụng cụ phủ AlTiN nằm trong khoảng từ 183 m/phút đến 244 m/phút, kết hợp với tốc độ trục chính từ 20000–40000 vòng/phút trở lên. Chiều sâu cắt không nên quá lớn. Trong điều kiện như vậy, các dụng cụ phủ AlTiN giúp giảm tải trọng trục chính, tăng năng suất và tạo ra bề mặt hoàn thiện tốt.

Các dụng cụ phủ AlTiN phù hợp với gia công tốc độ cao và gia công khô tốc độ cao các vật liệu có độ cứng trên 40 HRC với khả năng chống mài mòn cao. Chúng có thể được sử dụng cho phay, khoan và tiện. Bảng 4-5 so sánh hiệu suất giữa lớp phủ AlTiN và các lớp phủ dụng cụ khác.

TiAlN có khả năng chống oxy hóa vượt trội hơn TiN. TiN bị oxy hóa ở 600°C, trong khi TiAlN vẫn ổn định đến 800°C. Một lớp màng Al₂O₃ dày đặc hình thành trong quá trình oxy hóa, cải thiện khả năng chống khuếch tán và chống oxy hóa của TiAlN. Al₂O₃ nguyên chất có độ cứng vi mô thấp ở mức 1500 HV0.05, tuy nhiên vật liệu cắt Al₂O₃ đạt được khả năng chống mài mòn cao, nhờ vào độ ổn định oxy hóa và độ ổn định nhiệt tốt của pha α-Al₂O₃. Việc bổ sung nitơ tạo ra lớp phủ Al-ON. Việc bổ sung thêm titan tạo ra lớp phủ Ti-Al-ON giàu oxy với độ cứng vi mô và khả năng chống mài mòn được nâng cao. Lớp phủ TiAlON Các sản phẩm được sản xuất bằng quy trình PVD mang lại độ ổn định oxy hóa cao và độ cứng vi mô cao hơn, nâng cao khả năng chống mài mòn của dụng cụ trong quá trình cắt khô.

Lớp phủ TiAlON đơn lớp chứa các tạp chất oxy hóa tại các giao diện, dẫn đến độ cứng vi mô dưới 2000 HV0.05 và liên kết yếu. Lớp phủ đa lớp dựa trên TiAlN-TiAlON được sử dụng để đảm bảo độ bền liên kết đủ và độ cứng vi mô cao.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Leibniz Hannover đã nghiên cứu lớp phủ TiAlON được sử dụng trong khoan khô. Kết quả cho thấy khả năng chống mài mòn thay đổi tùy thuộc vào số lớp phủ trên dụng cụ và tỷ lệ các nguyên tố bên trong lớp phủ.

Lớp phủ oxit có khả năng chống mài mòn cao và hệ số ma sát thấp, giúp ngăn chặn tối đa sự truyền nhiệt vào chất nền của dụng cụ. Các lớp phủ oxit phổ biến bao gồm AlTiN-Al₂O₃, TiAlN-ZrO₂ và TiZrN-ZrO₂. Các thông số chính của chúng được thể hiện trong Bảng 3.

Ví dụ: Khoan lỗ mù đường kính 6 mm và sâu 18 mm trên gang dẻo cường độ cao SGI70. Các thông số cắt được giữ nhất quán với phương pháp cắt ướt: tốc độ cắt 80 m/phút, tốc độ tiến dao 0,35 mm/vòng. Tất cả các dụng cụ đều sử dụng chất nền cacbua xi măng, và sự hỏng hóc của dụng cụ được đánh giá khi chiều rộng mài mòn mặt bên đạt 0,3 mm. Lớp phủ dụng cụ đa lớp PVD gốc oxit thể hiện khả năng chống mài mòn vượt trội. Dụng cụ có lớp phủ TiZrN-ZrO₂ đạt chiều dài cắt 7,2 m. Dụng cụ có lớp phủ AlTiN-Al₂O₃ đạt 16,2 m. Dụng cụ phủ TiAlN-ZrO₂ cho hiệu suất tốt nhất với chiều dài cắt lên đến 18,1 m, gấp bốn lần tuổi thọ của dụng cụ phủ TiAlN thông thường.

Các dụng cụ được phủ lớp cân bằng giữa độ bền và khả năng chống mài mòn bằng cách phủ lên bề mặt vật liệu các lớp phủ chống mài mòn. Mỗi lớp phủ có những đặc tính riêng biệt. TiN được sử dụng rộng rãi cho gia công cơ khí thông thường. Al₂O₃ phù hợp với gia công gang. TiAlN hoạt động tốt cho cắt khô. AlTiN với hàm lượng nhôm cao được lựa chọn cho gia công tốc độ cao các vật liệu cứng. Lớp phủ đa lớp TiAlON và oxit composite đạt được hiệu suất vượt trội. Không có lớp phủ nào đáp ứng được tất cả các điều kiện làm việc. Việc lựa chọn lớp phủ cần xem xét vật liệu phôi, chế độ cắt (khô hoặc ướt) và các thông số cắt.