TiN涂層與TiAlN涂層在滾刀上的比較應(yīng)用

東風(fēng)汽車有限公司刃量具廠（湖北十堰 442002）楊 鍇

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求切削刀具在越來(lái)越高的速度下運(yùn)行，高速切削產(chǎn)生的摩擦熱使切削刀具刃部處于高溫狀態(tài)，因此對(duì)于切削刀具的紅硬性及其他綜合性能提出更高的要求方能實(shí)現(xiàn)刀具使用的高壽命。除了使用性能更好的整體材料來(lái)制作切削刀具外，作為表面熱處理技術(shù)的一個(gè)重要分支的PVD涂層技術(shù)已經(jīng)是現(xiàn)代刀具不可缺少的應(yīng)用技術(shù)，由于能成倍地提高刀具壽命而被譽(yù)為高速鋼刀具的一次革命。其實(shí)質(zhì)是在切削刀具的表面沉積一層具有致密結(jié)構(gòu)、高硬度、熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗氧化性良好的硬質(zhì)薄膜。最早應(yīng)用的刀具PVD涂層材料是TiN，是將靶材（金屬固體材料）轉(zhuǎn)換成電離狀態(tài)，在電場(chǎng)作用下金屬離子在工件表面與活化了的氮形成2～4μm厚的薄膜涂層，具有較高的硬度和耐磨性，抗氧化溫度在550～600℃；而進(jìn)入21世紀(jì)后，使用具有一定原子比的鈦鋁合金靶作為靶材， 通過磁控濺射法制得的TiAlN涂層正逐漸代替TiN涂層成為主流涂層，其最高工作溫度可達(dá)1150℃，更好地滿足這種高速高溫切削的需要。

1.試驗(yàn)過程

2012年我廠與瑞士Sulzer公司合作成立涂層中心，實(shí)現(xiàn)“廠中廠”運(yùn)營(yíng)模式，實(shí)現(xiàn)了刀具表面的多種材料PVD涂層，以替代20世紀(jì)引進(jìn)的TiN涂層技術(shù)，進(jìn)一步達(dá)到延長(zhǎng)刀具使用壽命的目的。我廠熱處理工藝部門對(duì)兩種基體材料、異種切削速度、不同修磨狀態(tài)下的TiN涂層和TiAlN涂層滾刀分別進(jìn)行了對(duì)比切削試驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)以分析試驗(yàn)結(jié)果和應(yīng)用效果，及影響涂層滾刀使用性能的因素，以期對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用提供指導(dǎo)。所有滾齒加工試驗(yàn)均在同一臺(tái)滾齒機(jī)上進(jìn)行并采用切削油冷卻。根據(jù)相關(guān)資料介紹W6（W6Mo5Cr4V2）基體TiN涂層滾刀切削速度一般在40m/min左右，TiAlN涂層滾刀切削速度可達(dá)60～100m/min；而高性能高速鋼M35（W6Mo5Cr4V2Co5）基體TiAlN涂層滾刀切削速度可進(jìn)一步提高至80～120m/min。我廠的滾齒切削試驗(yàn)以此作為試驗(yàn)根據(jù)。

（1）首次試驗(yàn)測(cè)試在60m/min的切削速度下，W6基體TiN、TiAlN涂層滾刀的切削性能。其中的4# TiN涂層滾刀加工到279件時(shí)已經(jīng)呈現(xiàn)出了非正常磨損，提前換刀（見附圖）。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

（2）第二次試驗(yàn)采用100m/min的線速度驗(yàn)證W6基體TiAlN涂層滾刀是否具備高速切削性能。為方便比較，同期采用W6基體TiN涂層滾刀，線速度依舊采用40m/min。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

（3）在120m/min的高速下進(jìn)行M35基體TiAlN涂層滾刀切削試驗(yàn)，為方便比較同期采用M35基體TiN涂層滾刀，考慮到基體材料已經(jīng)更換為高性能高速鋼，切削線速度在W6基體TiN涂層滾刀的基礎(chǔ)上進(jìn)行提速，采用60m/min的切削速度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表2

表3

（4）修磨后復(fù)涂TiAlN涂層滾刀（重涂之前需要退除原有涂層）的切削性能試驗(yàn)測(cè)試修磨后復(fù)涂滾刀的使用性能與新涂層滾刀是否有差異。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4

2.結(jié)果分析

TiAlN涂層相對(duì)于TiN涂層而言相當(dāng)于Al原子部分代替了Ti原子，Al原子的原子半徑小于Ti原子，為了減小體系的能量，在原子力的作用下，原TiN涂層fcc（面心立方）晶胞下各原子的振動(dòng)平衡位置要向內(nèi)偏移導(dǎo)致晶格常數(shù)的減小，膜層相對(duì)而言更加致密。

切削過程中因摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量，刀具表面發(fā)生氧化而加速刀具的磨損，加快刀具的失效，所以，良好的抗氧化性是刀具的一個(gè)基本要求。涂層的氧化過程往往是涂層氧化成疏松組織而后氧比較容易滲入基體發(fā)生反應(yīng)，或者是氧通過涂層的孔隙或者缺陷到達(dá)基體發(fā)生氧化反應(yīng)。TiN涂層刀具在使用過程中發(fā)生TiN到TiO2的轉(zhuǎn)變形成體積膨脹，導(dǎo)致壓應(yīng)力，在表面的局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成氧化層開裂，使氧容易滲入造成基體氧化。而據(jù)相關(guān)研究資料表明TiAlN涂層刀具在使用中當(dāng)氧化溫度低于600℃時(shí)，涂層內(nèi)多種組成成分都存在，但含量隨著溫度的上升而逐步降低。當(dāng)氧化溫度達(dá)到600℃以后TiN會(huì)消失，剩下含量不斷減少的TiO2，這是由于氧原子從薄膜表層向里層擴(kuò)散，鈦和鋁由里向外擴(kuò)散，且鋁更容易出來(lái)和氧反應(yīng)。隨著氧化溫度逐步升高，鋁和氧在薄膜表面層的含量會(huì)逐漸增加，Al2O3成為主要存在形式。作為主要存在相Al2O3相對(duì)于TiN氧化后生成的TiO2結(jié)構(gòu)而言更加致密，更好地阻止了氧向里層甚至基體的擴(kuò)散，以阻止膜和基體被進(jìn)一步氧化，體現(xiàn)了更好的抗氧化性。另外由于TiAlN涂層的熱導(dǎo)率低，切削過程中產(chǎn)生的熱量容易被切屑帶走，從而有效地防止了因切削溫度太高使得涂層內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力而失效。

TiN涂層刀具適用在低速和低溫切削條件下，磨損形式主要是黏著磨損和磨粒磨損，表面脆性大，抗拉強(qiáng)度低，涂層當(dāng)中常常存在有殘余應(yīng)力。而TiAlN涂層刀具隨著切削速度的增大，切削溫度的提高，刀具表面逐漸形成的致密的Al2O3保護(hù)膜具有潤(rùn)滑作用，減少了切削摩擦及切屑對(duì)于刀具的黏著，使得切削力進(jìn)一步減少。

Al是增加表面硬度最有效的元素，和N有很強(qiáng)的親和力，可以改變氮的活性系數(shù)，從而改變氮的溶解度，具有較好的結(jié)合強(qiáng)度和硬度，因此TiN涂層硬度為1900～2200HV，而TiAlN涂層硬度可高達(dá)3000～3500HV。TiAlN涂層的硬度比較大的另外一個(gè)原因是Al的加入引起晶格畸變，晶格畸變度大的晶界比較多，位錯(cuò)比較多且不容易滑移，硬度得到提高，且晶粒更加細(xì)小。高硬度增加了其耐磨性，熱硬性好，再加上摩擦因數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，及輔以基體的良好韌性，使得TiAlN涂層刀具適合于在高溫高速條件下切削加工甚至干式切削加工，與傳統(tǒng)的濕式切削加工相比，既提高了加工效率，又減少了對(duì)于環(huán)境的污染，使TiAlN涂層刀具的使用壽命明顯高于TiN涂層刀具。

3.結(jié)語(yǔ)

（1）在60m/min的切削速度下，W6基體TiN涂層滾刀產(chǎn)生了嚴(yán)重的非正常磨損（俗稱“勒刀”），而TiAlN涂層滾刀的磨損量非常小，切削性能優(yōu)異，涂層無(wú)剝落。即W6基體TiN涂層滾刀無(wú)法適應(yīng)60m/min較高速度下的長(zhǎng)時(shí)間切削。

（2）比較在100m/min的線速度下W6基體TiAlN涂層滾刀和在40m/min的線速度下W6基體TiN涂層滾刀的使用效果知前者每加工一件齒坯滾刀后刀面平均磨損量?jī)H為0.93μm，而后者在切削線速度大大慢于前者、加工時(shí)間大大少于前者的情況下其平均磨損量也已經(jīng)達(dá)到近3.6μm，是前者的3.87倍。

（3）比較在120m/min的高速下的M35基體TiAlN涂層滾刀和在60m/min的速度下M35基體TiN涂層滾刀的使用效果知前者刀齒的平均磨損量?jī)H為0.155μm，而后者在切削線速度大大慢于前者，加工件數(shù)大大少于前者的情況下刀齒平均磨損量達(dá)0.833μm，是前者的5.37倍。即M35基體TiAlN涂層滾刀可在120m/min的高速下正常切削，而M35基體TiN涂層滾刀 無(wú)法適應(yīng)較高速度下的切削。

（4）修磨后重新涂層滾刀的切削性能與新刀相差無(wú)幾。即證明在現(xiàn)有滾刀修磨條件下，滾刀重復(fù)涂層的再應(yīng)用是可行的。

TiAlN涂層刀具以其優(yōu)越的切削性能展現(xiàn)出在高速切削中廣闊的應(yīng)用前景，其普及應(yīng)用將大大提高刀具壽命，減少加工輔助時(shí)間，降低切削加工成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。值得注意的是對(duì)于可重復(fù)修磨的刀具，當(dāng)?shù)毒咝弈ズ笸繉拥墓πб汛蟛糠謫适?，需要將涂層去除后再重新涂層。由于涂層系統(tǒng)投資很大，涂層價(jià)格普遍較貴，因此對(duì)于高端刀具修磨及復(fù)涂帶來(lái)的效益非常明顯；而對(duì)于低端刀具，采用復(fù)涂技術(shù)帶來(lái)的收益比較有限，若是在刀具的使用和修磨等環(huán)節(jié)上管理不善，得到的收益會(huì)更加難以保證。