涂層Si3N4陶瓷刀具切削性能研究*

汪家華，伍尚華

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院先進(jìn)加工工具與陶瓷研究中心，廣東廣州 510006）

涂層Si3N4陶瓷刀具切削性能研究*

汪家華，伍尚華

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院先進(jìn)加工工具與陶瓷研究中心，廣東廣州 510006）

研究了不同切削參數(shù)對(duì)TiN+Al2O3涂層氮化硅陶瓷刀具切削灰鑄鐵的切削性能的影響，使用工具顯微鏡、SEM/EDS手段分析了涂層氮化硅刀具的磨損機(jī)理，實(shí)驗(yàn)還采用相同基體氮化硅陶瓷刀具做了對(duì)比分析。研究結(jié)果顯示TiN+Al2O3涂層氮化硅刀具可以承受比較大的切削用量，對(duì)提高加工效率有重大意義；還發(fā)現(xiàn)涂層氮化硅陶瓷刀具主要失效形式為磨粒磨損，粘結(jié)磨損，在較高切削速度條件下前刀面還會(huì)出現(xiàn)因化學(xué)磨損形成的月牙洼。

涂層；Si3N4陶瓷刀具；切削性能

0 前言

陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、高溫力學(xué)性能優(yōu)良、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)和高于硬質(zhì)合金3～10倍的切削速度等特性，因此被廣泛應(yīng)用于許多難加工材料的高速干切削場(chǎng)合[1]。近幾十年，涂層硬質(zhì)合金刀具的成功推廣使用，使得人們對(duì)刀具涂層技術(shù)的研究越加重視，并使得刀具涂層技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展[2-4]。隨著陶瓷刀具在難加工材料等領(lǐng)域嶄露頭角，有效降低價(jià)格成本和大幅度提高加工效率，近十幾年，在陶瓷刀具表面添加硬質(zhì)涂層以改善刀具切削磨損界面條件，從而進(jìn)一步提高陶瓷刀具的使用壽命和可靠性，已成為一個(gè)熱門的研究課題。

L.A.Dobrzanski等人[5-6]分別在Al2O3、Si3N4和金屬陶瓷刀具基體上采用CVD和PVD方法涂覆了多層涂層和梯度涂層，并與商業(yè)未涂層刀具做了切削性能對(duì)比試驗(yàn),涂層陶瓷刀具有很明顯的優(yōu)勢(shì)。W. Grzesik等人[7-8]使用涂層Si3N4陶瓷刀具對(duì)CGI鑄鐵進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)刀具的磨損形式主要是磨粒和粘結(jié)磨損，與未涂層的Si3N4刀具相比，涂層刀具具有更好的耐磨損能力和更長(zhǎng)的壽命；還發(fā)現(xiàn)涂層刀具的涂層可以作為一個(gè)隔熱層降低刀具刀尖的溫度，并指出最好的隔熱涂層材料是TiAlN。R.P.Martinho等人[9]在氮化硅陶瓷刀具上成功涂覆自制金剛石涂層，并在高速干切削的條件下研究了該涂層陶瓷刀具的性能，發(fā)現(xiàn)金剛石涂層陶瓷刀具的耐磨性明顯增加，切削時(shí)切削力較未涂層刀具有一定的增大，刀具的主要磨損形式是磨粒、粘結(jié)和擴(kuò)散磨損，并且在切削高溫下金剛石涂層有石墨化的現(xiàn)象出現(xiàn)。M.Sokvic等人[10]針對(duì)兩種涂層技術(shù)CVD和PVD應(yīng)用于陶瓷刀具的效果對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)CVD涂層技術(shù)在陶瓷刀具（氮化硅陶瓷刀具）上的涂層的切削性能更好，由于涂層與基體的結(jié)合比PVD的牢固，而PVD涂層陶瓷刀具幾乎沒(méi)有減磨的效果。M.Sokvic隨后還在2009年發(fā)表一篇關(guān)于在陶瓷刀具表面涂層的從涂層制備技術(shù)到切削性能試驗(yàn)與應(yīng)用的整個(gè)管理系統(tǒng)模型，對(duì)陶瓷刀具涂層技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有很好的指導(dǎo)作用[11]。

我國(guó)陶瓷刀具的發(fā)展還處于努力推廣應(yīng)用階段，對(duì)于涂層陶瓷刀具的研究已見(jiàn)于報(bào)道的也不多。清華大學(xué)的彭志堅(jiān)等人[12]利用中科院物理所楊思哲研究員等人研究成功的PHEDP同軸槍在室溫下在Si3N4陶瓷刀具表面沉積TiN、TiAlN、TiCN薄膜，并分別對(duì)淬硬鋼、鑄鐵進(jìn)行與未涂層Si3N4刀具做切削性能對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)涂層的Si3N4陶瓷刀具的耐磨性和壽命比未涂層的高出5～10倍。武漢工業(yè)大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的周健等人[13]也在Si3N4陶瓷刀具上成功用微波等離子化學(xué)氣相沉積技術(shù)成功涂覆了金剛石涂層，發(fā)現(xiàn)在切削18wt%Si-Al合金時(shí)，金剛石涂層刀具比未涂層刀具的使用壽命增多10倍以上。

綜上所述，大部分研究者對(duì)于涂層陶瓷刀具主要是從涂層技術(shù)和涂層材料的角度去進(jìn)行研究，比如涂層的結(jié)合力、硬度、粗糙度和厚度等如何影響刀具切削性能。但是，沒(méi)有研究者從切削過(guò)程中涂層對(duì)刀具與工件接觸面的摩擦磨損條件的改善這一角度來(lái)分析涂層陶瓷刀具的切削性能，所以，本文通過(guò)單因素分組實(shí)驗(yàn)在不同的切削參數(shù)下探討了在不同條件下涂層在切削過(guò)程中所發(fā)揮的不同作用。

1 切削性能試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用分組實(shí)驗(yàn)的方法分別對(duì)進(jìn)刀量f、切削速度Vc、切深ap對(duì)涂層氮化硅刀具切削灰鑄鐵（HT250）的耐用度和失效形式的影響進(jìn)行考察。每組分別改變f、Vc、ap中的一個(gè)，其余則保持不變。記錄各次所用的切削用量、測(cè)得的磨損曲線及失效方式，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)取后刀面磨損量VB=0.3 mm。并選取基體材料完全相同的刀具SL500與TiN+ Al2O3涂層氮化硅刀具SL550C作對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)機(jī)床型號(hào)為ETC3650h，主軸功率15 kW、最大轉(zhuǎn)速4 000 r/min的車削加工中心，SL500（無(wú)涂層）和SL550C（TiN+Al2O3涂層）選自CERAMTEC公司的商業(yè)化氮化硅陶瓷刀具，刀片型號(hào)為 SNGN120712，使用刀桿型號(hào)為CSSNL2525M1207。實(shí)驗(yàn)采用工具顯微鏡（OLYM?PUS SZ61TR）觀察每次實(shí)驗(yàn)后刀具的磨損形貌及測(cè)量磨損量VB。為了進(jìn)一步的研究切削過(guò)程，將切削后的刀片進(jìn)行SEM觀察和EDS能譜分析。

1.2 結(jié)果與討論

表1列出了單因素分組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)用切削參數(shù)、刀具壽命和刀具失效形式。TiN+Al2O3涂層氮化硅陶瓷刀具切削灰鑄鐵時(shí)，主要失效形式都是磨損而沒(méi)有出現(xiàn)崩刃和破損。

表1 實(shí)驗(yàn)所用切削用量及部分結(jié)果

圖1顯示了在Vc為200 m/min、ap為0.5 mm時(shí)，進(jìn)給率f的增加對(duì)TiN+Al2O3涂層氮化硅刀具的壽命的影響曲線。考慮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差等情況，涂層氮化硅刀具壽命幾乎沒(méi)有受到f變化的影響而呈水平狀態(tài)。一般情況下，進(jìn)給率f的增加會(huì)加大切削刃承受的壓力、切削溫度θ，加劇刀具磨損導(dǎo)致刀具壽命縮短。但是，由于實(shí)驗(yàn)所用切削速度不高，切深也小，使得切削過(guò)程中溫度不是很大，刀具磨損主要是刀尖部分；又加之TiN涂層好的耐磨性、與金屬親和力小等特點(diǎn)和Al2O3涂層的隔熱作用使得因f增加而升高的溫度不易于傳入刀具。即由于TiN+ Al2O3涂層的存在以及刀具基體本身高的強(qiáng)度，使得刀具磨損界面因f增大而產(chǎn)生的不利因素減小到很小程度，從而保證了刀具壽命不變。圖2是在Vc為200 m/min、f為0.3 mm/r時(shí)，刀具壽命隨切深ap的影響曲線。當(dāng)ap從0.5 mm增大到1.0 mm時(shí)，刀具壽命有一定程度的縮短，但不是很明顯。這主要是因?yàn)樵?00 m/min的切削速度和0.3 mm/r的切削參數(shù)下，切削溫度不高，而刀具所承受的沖擊卻很大，所以此時(shí)決定刀具壽命的主要因素是抗沖擊疲勞能力。由于TiN+Al2O3涂層與基體材料的結(jié)合牢固，且擁有比基體材料更高的耐磨性，所以在切削過(guò)程中有效包覆刀具基體而使切削刃不易產(chǎn)生微崩刃等現(xiàn)象。當(dāng)ap增大到1.5 mm時(shí)，此時(shí)由于刀具契入工件的體積增大到了一定程度，參與切削的刀刃強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，抗沖擊能力提高從而使得刀具壽命有很大的提高。

圖1 進(jìn)給率f對(duì)刀具壽命影響曲線

圖2 切削深度ap對(duì)刀具壽命影響曲線

圖3為在ap為0.5 mm、f為0.1 mm/r時(shí)，切削速度Vc對(duì)涂層氮化硅陶瓷刀具壽命影響曲線。從圖中可以看出，隨著Vc的增大，刀具壽命先增大后減小呈現(xiàn)駝峰狀。根據(jù)德國(guó)切削物理學(xué)家Carl. J.Salomon[14]的高速加工理論，即在某Vc范圍內(nèi)（一般是較低的Vc），隨切削速度Vc的增大刀具壽命不但不會(huì)減小反而會(huì)增大，當(dāng)Vc增加到一定值后壽命才會(huì)隨Vc的增加而減小。其中壽命隨Vc的增加而增加的現(xiàn)象一般認(rèn)為是因?yàn)樵赩c過(guò)低時(shí)，刀具所承受的沖擊過(guò)大，而壽命隨Vc的增加而減小則主要是因?yàn)榍邢魉俣仍龃髮?dǎo)致切削溫度的增加，使得刀具壽命下降。在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)切削速度從200 m/min增大到300 m/min時(shí)，切削力隨著Vc的增加而減小，切削過(guò)程的沖擊減小，從而很大程度的提高了刀具的壽命；當(dāng)切削速度增大到400 m/min時(shí)，切削溫度急劇上升，TiN+Al2O3涂層由于高溫作用會(huì)與工件發(fā)生反應(yīng)，不再像低溫時(shí)被逐漸磨穿而失效，而是在磨損初期就因?yàn)榛瘜W(xué)機(jī)械磨損很快失效，從而加速了整個(gè)刀具的失效。

圖3 切削速度Vc對(duì)刀具壽命影響曲線

分析可知，在TiN+Al2O3涂層氮化硅刀具加工切削灰鑄鐵時(shí)，在滿足需求加工表面質(zhì)量的情況下，可以選取盡量大的進(jìn)給量f；在機(jī)床剛性足夠的情況下，可以選取較大的切深ap進(jìn)行切削；切削速度選取在300 mm/min左右為宜。從圖1、2、3中刀具切削工件體積T還可以看出，TiN+Al2O3涂層氮化硅陶瓷刀具由于本身基體的優(yōu)良機(jī)械物理性能及涂層的耐磨、化學(xué)隔障層等作用，使得涂層陶瓷刀具可以在較高的Vc、ap和f下進(jìn)行干切削，可以很大程度地提高加工效率。

圖4是TiN+Al2O3涂層與無(wú)涂層氮化硅刀具在相同切削參數(shù)下的切削對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在300 m/min的切削速度下，由于TiN+Al2O3涂層的存在，使得涂層氮化硅刀具進(jìn)入急劇磨損的時(shí)間延遲，從而有效地提高了刀具的切削壽命。圖5顯示了涂層氮化硅刀具切削后的前后刀面的磨損形貌，可以看見(jiàn)在前刀面上出現(xiàn)了些許的凹坑，這是由于在高速切削時(shí)產(chǎn)生高溫導(dǎo)致刀具材料、切屑及空氣之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成的月牙洼；從后刀面的SEM圖片可清晰的看到后刀面的磨損為平整的斜坡，這是切削時(shí)工件與刀具接觸面之間發(fā)生的磨粒磨損形成的。磨損區(qū)域的EDS分析顯示，刀具磨損區(qū)域邊界的涂層還完好的存在，并有效的抑制了刀具磨損的加劇，從而很大程度的提高了涂層氮化硅陶瓷刀具的切削壽命。

圖4 涂層與無(wú)涂層刀具磨損曲線

圖5 涂層氮化硅刀具后刀面磨損形貌的SEM照片

2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)TiN+Al2O3涂層氮化硅刀具切削HT250進(jìn)行單因素分組實(shí)驗(yàn)，研究了各切削參數(shù)對(duì)涂層刀具壽命的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，TiN+Al2O3涂層氮化硅刀具可以在較大的切削用量下使用，并有效的提高加工效率。與未涂層刀具的對(duì)比切削實(shí)驗(yàn)中，由于TiN+Al2O3硬質(zhì)涂層優(yōu)良的耐磨性和耐熱性，氮化硅陶瓷刀具切削灰鑄鐵的壽命得到了成倍的提高，實(shí)驗(yàn)后對(duì)刀具磨損形貌的觀察可以發(fā)現(xiàn)刀具主要失效形式為磨粒、粘結(jié)磨損，在較高的切削速度時(shí)還會(huì)產(chǎn)生月牙洼現(xiàn)象。

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Cutting Performance of Coated Si3N4Ceramic Cutting Tool

WANG Jia-hua，WU Shang-hua
（Advanced Cutting Tool and Ceramic Center(ACTCC)，School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

This paper studied the cutting performance of TiN+Al2O3coated silicon nitride tool when machining gray cast iron(HT250)on different cutting parameters，using tool microscope，SEM/EDS technology to analysis the wear mechanisms of the worn tool after test，the work also adopt the same substrate nitride tool as a comparative analysis.The results showed that the TiN+Al2O3coated nitride tool can bear larger cutting parameter than the uncoated one，it has a significant meaning to improve the machining efficiency.The main failure form of coated silicon nitride cutting tools were abrasive wear and adhesion wear，rake face also can appear crater by the chemical wear when under the condition of high cutting speed.

coating；silicon nitride cutting tool；cutting performance

TG711

A

1009－9492(2014)08－0041－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.012

汪家華，男，1988年生，安徽安慶人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：陶瓷刀具切削加工。

(編輯：向 飛)

*廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（編號(hào)：2011A090200080）

2014－02－18