涂層刀具摩擦磨損研究

李偉欣;石 磊;牟國忠

摘要:涂層刀具已成為現(xiàn)代刀具的重要標(biāo)志,涂層刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延長刀具使用壽命、降低加工成本,將是今后數(shù)控加工領(lǐng)域中最重要的刀具品種。這里討論了國內(nèi)外涂層刀具的種類及切削應(yīng)用情況,并對涂層刀具的摩擦磨損,發(fā)展及應(yīng)用狀況進(jìn)行了綜合評述。

Abstract:Coated tools have become an important symbol of modern tools, it can improve the machining efficiency and machining accuracy, extend tool life, reduce processing costs. It will be the most important species in the future in the field of CNC machining tool. This article discusses the domestic and foreign-coated cutting tool types and applications, and coated tools development and application of friction and wear conditions were reviewed.

關(guān)鍵詞:涂層刀具;摩擦;磨損

Key words: coated tools l; friction; wear performance

中圖分類號:TG71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-4311(2010)04-0065-02

0引言

對刀具進(jìn)行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一,涂層刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延長刀具使用壽命、降低加工成本。

涂層刀具力學(xué)和切削性能好,涂層刀具將基體材料和涂層材料的優(yōu)良性結(jié)合起來,既保持了基體良好的韌性和較高的強(qiáng)度,又具有涂層的高硬度、高耐磨性和低摩擦系數(shù)。涂層刀具的切削速度比未涂層刀具可提高2倍以上,并允許有較高的進(jìn)給量。根據(jù)日本學(xué)者過去的調(diào)查,涂層剝落和基體變形分別占涂層刀落片破損原因的45%和25%,合計70%[1]。只要能減少這兩種損壞,涂層刀片的平均使用壽命就會提高。這兩個問題與涂層的金相組織和性能和基體的成分、組織和性能緊密相關(guān),所以改進(jìn)涂層工藝和完善基體的成分與金相組織,一直是近年來研究的重點。

1涂層材料的性能

涂層刀具的性能決定于涂層材料、基體材料、涂層方式及涂層的厚度。

涂層材料應(yīng)盡量滿足下列要求:高的室溫和高溫硬度;良好的化學(xué)穩(wěn)定性與基體材料結(jié)合牢固;應(yīng)有滲透性和無氣孔;良好的工藝性和低的成本;常用的涂層材料有碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、碳氮化物等,近年來還發(fā)展了聚晶金剛石、立方氮化硼和復(fù)合涂層。在這些涂層材料中,用的最多的是TiC、TiN、A1203、金剛石以及復(fù)合涂層。

TiC耐磨性好[2,3],能有效地提高刀具的抗月牙洼磨損能力,適合于低速切削及磨損嚴(yán)重的場合;TiN涂層具有低的摩擦系數(shù),潤滑性能好,能減少切削熱和切削力,適合于產(chǎn)生融合和磨損的切削;而TiNC則集中了兩種材料的優(yōu)點。A12O3的高溫耐磨性、耐熱性和抗氧化能力比TiC和TiN好,月牙洼磨損率低,適合于高速、大切削熱切削;金剛石涂層硬度和熱導(dǎo)性高,摩擦系數(shù)很低,適合于有色金屬合金的高速切削;而復(fù)合涂層綜合幾種涂層材料的特點,目前以雙涂層和三涂層組合居多。

2涂層刀具的主要影響因素

涂層刀具材料、涂層與基體以及不同涂層之間的物理匹配程度都會影響界面應(yīng)力載荷傳遞及材料性能,其中尤以各層之間的熱膨脹系數(shù)的匹配程度和彈性模量的差別對材料性能的影響最大。由于熱脹失配程度和彈性模量的不同,在材料內(nèi)部將形成大小及分布不同的殘余應(yīng)力場。從降低殘余拉應(yīng)力,提高材料強(qiáng)度的角度講,應(yīng)使基體與涂層的熱膨脹系數(shù)接近,彈性模量差較小;但從殘余應(yīng)力增韌和微裂紋增韌,提高材料斷裂韌性的角度看,存在適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力是必要的。

改善膜基結(jié)合涉及到很多方面,如涂層與基體的化學(xué)組成匹配性;涂層與基體的熱膨脹系數(shù)的差異;涂層與基體間元素的擴(kuò)散及涂層內(nèi)應(yīng)力的影響。涂層的性能好壞關(guān)鍵要處理好兩個界面的問題:膜基界面和膜與周圍環(huán)境介質(zhì)或?qū)δッ骈g的界面。

目前增強(qiáng)膜基結(jié)合的方法主要有:成膜前進(jìn)行預(yù)濺射清洗以除去不利于涂層與基體結(jié)合的雜質(zhì);引入中間過渡層,通常選用與基體熱膨脹系數(shù)相近,化學(xué)組成相匹配,晶體結(jié)構(gòu)相似的材料以降低由此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力;成膜過程中用高能粒子轟擊以提高膜基間組分相互擴(kuò)散能力和膜表面原子的反應(yīng)活性,降低缺陷的產(chǎn)生。

膜層的厚度涂層的厚度及層數(shù)主要取決于工況條件,不一定是層數(shù)越多性能愈優(yōu)[4]。膜層的厚度過大會處于高的應(yīng)力狀態(tài),變脆減少使用壽命。通常單一硬質(zhì)PVD及CVD涂層的厚度在1～10μm之間,而單一PVD軟質(zhì)涂層的厚度可大于10μm[5];多層涂層的單層厚度一般不超過5μm。涂層表面的粗糙度、表面形貌、表面元素的反應(yīng)活性等對涂層的摩擦學(xué)性能也有較大的影響,這主要應(yīng)從制備技術(shù)、涂層的選擇上加以改善。

3涂層刀具的磨損破損特性

在使用新型高性能涂層刀具時,可能出現(xiàn)達(dá)不到預(yù)期的切削效果,這是由許多因素造成的,例如涂層設(shè)備、工藝及涂層技術(shù)、質(zhì)量和性能等[6],有關(guān)涂層質(zhì)量方面問題在進(jìn)行多元多層復(fù)合涂層前,需要重點探索和解決多層金屬元素之間的最佳配合、膜層的先后次序及其不同的厚度,合理控制涂層的工藝參數(shù)及應(yīng)力問題。并要對涂層膜進(jìn)行拍樣檢測,測定膜層厚度、分布均勻性、結(jié)合力、耐磨性和硬度等物理機(jī)械性能;有關(guān)刀具基體質(zhì)量方面問題,在高質(zhì)量刀具基體上進(jìn)行高質(zhì)量涂層,才能有高性能涂層刀具。確保刀具基體的質(zhì)量,應(yīng)重視及控制刀具坯料的成分、含量及刀具的精加工工藝、熱處理后的基體組織和硬度。

在較高的切削速度下,未涂層刀具會在很短時間內(nèi)即形成很寬的月牙洼;而涂層刀具開始時并不產(chǎn)生明顯的月牙洼,只是隨著涂層的逐漸磨損,月牙洼才緩慢擴(kuò)展。涂層刀具的月牙洼邊界呈鋸齒狀擴(kuò)展。由于涂層的存在,前刀面的月牙洼磨損可明顯分為四個階段:第一階段月牙洼還未形成,在此階段涂層起著硬隔膜作用,但此階段時間較短。第二階段由于前刀面基體材料的軟化和涂層的磨損,涂層在某一區(qū)域內(nèi)被磨蝕掉或成塊地被切屑帶走,在前刀面上很快形成月牙洼。第三階段為月牙洼的緩慢擴(kuò)展期,這時涂層起著邊界阻礙作用。在此階段涂層的失效不僅僅是因為機(jī)械磨損,而是機(jī)械磨損與掀裂的共同作用。第四階段為月牙洼磨損的末期,在此階段,切屑的流動方向與涂層面的夾角很大(測量表明達(dá)25°-30°),涂層由于很容易被掀裂而喪失了阻礙作用。從以上分析可看出,前刀面涂層可減緩月牙洼磨損主要是通過邊界阻礙作用,而硬隔膜作用是次要的。月牙洼邊界擴(kuò)展的減緩使月牙洼深度擴(kuò)展減緩。當(dāng)邊界擴(kuò)展到一定程度后,涂層就喪失了阻礙作用。

刀具后刀面的磨損對刀具耐用度和工件加工表面質(zhì)量有著重要影響。未涂層刀具的后刀面磨損帶是一實際后角為0°的小平面;涂層刀具后刀面磨損帶的截面形狀隨著切削時間的變化而變化,磨損帶形狀由帶負(fù)后角的小斜面變成類似前刀面的月牙洼形狀。涂層刀具的初期磨損量特別小,在正常磨損階段的磨損也極其緩慢,這使涂層刀具能在較長時間內(nèi)保持刀刃鋒利。在試驗條件下,未涂層刀具在磨損寬度約為0.3mm時產(chǎn)生劇烈磨損,而涂層刀具在后面磨損為0.1～0.2mm時磨損速度加快,此時的磨損速度與未涂層刀具相近,說明此時涂層的作用已不明顯。

涂層高速鋼刀具前、后刀面的磨損與未涂層刀具明顯不同。涂層刀具前刀面月牙洼窄而深,邊界呈鋸齒狀。涂層刀具后刀面在磨損過程中出現(xiàn)了負(fù)倒棱和后刀面月牙洼;涂層的硬隔膜作用時間是短暫的。在正常磨損階段,涂層起著邊界阻礙作用。在劇烈磨損階段,涂層以掀裂的方式失效并基本喪失作用;涂層能明顯減緩刀具磨損速度,提高刀具耐用度。使用涂層刀具時應(yīng)合理選擇工藝參數(shù)。

采用不同沉積工藝得到的TiN涂層高速鋼的物相主次不同;涂層宏觀殘余應(yīng)力呈壓應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力狀態(tài)主要與膜/基材料的熱力學(xué)性能的差別有關(guān);不同沉積工藝得到的TiN涂層高速鋼的晶粒度約0.1μm,其對涂層的耐磨性影響不大,微觀殘余應(yīng)力對耐磨性起了很大作用;有的TiN涂層的點陣參數(shù)偏大,這主要是由涂層的微觀殘余應(yīng)力和原子置換引起的[7]。

4結(jié)語

涂層刀具在使用過程中的磨損形式主要表現(xiàn)為中速時的磨粒磨損和粘著磨損,高速時的擴(kuò)散磨損和粘著磨損,最后失效形式多為刀刃微區(qū)剝離,其機(jī)理是涂層中、涂層間和基體內(nèi)部的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。涂層與基體以及層與層之間存在明顯的界面,是薄膜內(nèi)應(yīng)力的起源,導(dǎo)致涂層的剝落與破損。

多層涂層的基礎(chǔ)研究剛剛起步,缺乏一定的系統(tǒng)性,未形成公認(rèn)的理論和設(shè)計指南。關(guān)于多層涂層在摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究,近些年也大多集中在硬質(zhì)涂層尤其是Ⅳ、Ⅴ族元素與C、N、B等元素構(gòu)成的化合物上[8,9],如TiN/TiC、Ti/Ti(CN)/TiN等體系,對于超硬涂層如c-BN、DLC與常見潤滑涂層如PTFE、WS2、石墨等的多層復(fù)合研究相對較少。今后,對自潤滑刀具材料的主要研究方向包括[10]:新型自潤滑刀具材料的研制、自潤滑膜的形成機(jī)理及其在磨損過程中的變化規(guī)律、影響自潤滑膜形成及特性的主要因素、自潤滑膜的組織與性能對自潤滑刀具耐磨性能的影響、自潤滑刀具的切削性能等。

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