刀具涂層技術(shù)在鈦合金加工中的應(yīng)用

楊祖兵，閻 兵，王鐵鋼，郭玉垚，靳 剛

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

1 鈦合金特性、應(yīng)用

鈦合金在強(qiáng)度、韌性及抗氧化性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他類的金屬材料，能夠加工制造出質(zhì)量輕、剛性好、強(qiáng)度高的產(chǎn)品零部件。近些年來鈦合金被大量用于飛機(jī)上以代替鋁合金，其原因就是由于鈦合金抗高溫能力強(qiáng)，具有高的抗氧化性，耐高溫，當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)，其力學(xué)性能是鋁合金的十倍[1-3]。此外，鈦合金還具有高的抗腐蝕性能。在潮濕的環(huán)境以及海水介質(zhì)中，鈦合金對點(diǎn)蝕破壞、酸蝕破壞、應(yīng)力腐蝕破壞的抵抗力遠(yuǎn)超于不銹鋼。使用鈦合金加工制造的產(chǎn)品具有高硬度、高熔點(diǎn)、無毒、無磁等特性。

基于上述鈦合金的優(yōu)異性能，因此在航空航天、汽車技術(shù)以及醫(yī)療技術(shù)等領(lǐng)域中鈦合金得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代初，美國部分公司將鈦合金應(yīng)用于F107巡航導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片輪上，取得了良好的效果[4，5]。在航空航天領(lǐng)域，將鈦合金作為關(guān)鍵材料最先應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)、蒙皮、機(jī)身和起落架等部位，這使得飛機(jī)整體減重約30%～35%[6]。鈦合金還成功應(yīng)用于核潛艇的耐壓殼體、推進(jìn)器、超聲速導(dǎo)彈、偵察機(jī)、葉盤、葉片、船舶材料等[7，8]。此外，由于鈦合金還具有更好的強(qiáng)度、韌性、延展性以及較好的抗氧化性與耐腐蝕性能，從而在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)中也被廣泛地應(yīng)用，而且是最合適的金屬材料，在人工骨、假肢、牙齒矯正裝置、手術(shù)器械、下頜骨模型再制造等方面已經(jīng)成功地得到應(yīng)用，其中，Ti6Al4V，Ti-3Al-2.5V合金因具有優(yōu)異的成型性、耐腐蝕性以及良好的力學(xué)性能，所以在醫(yī)學(xué)臨床技術(shù)上常常被用于股骨和脛骨的替換材料[9]。

2 鈦合金加工存在的難點(diǎn)

（1）形變系數(shù)?。涸谇邢骷庸ぶ惺且粋€(gè)特殊的表征。在切削實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)榍邢鬟^程產(chǎn)生的切屑與刀具前刀面的接觸面積過大，從而增加了切屑在刀具前刀面上的行程；又因摩擦、受力等作用增加了切削刀具的溫度，從而加劇了切削刀具的磨損速度。

（2）工作溫度高：造成溫度高的原因有兩方面，一方面是由于第一點(diǎn)中提到的形變系數(shù)小會(huì)增加切削溫度；另一方面的原因是鈦合金自身的導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)小導(dǎo)致切削過程中散熱能力差，短時(shí)間內(nèi)溫度積增，同時(shí)這也是鈦合金切削溫度高的主要原因。

（3）熱導(dǎo)率低：是指在切削實(shí)驗(yàn)過程中，由于工作溫度高而產(chǎn)生的熱量不易散出，產(chǎn)生的大量熱量在內(nèi)部積聚；又由于鈦合金熱導(dǎo)系數(shù)低，因此高熱量不能有效地向外部擴(kuò)散，這樣導(dǎo)致大量的熱量會(huì)集中在刀刃上，使刀刃的溫度大幅度上升，較高的溫度會(huì)使刀刃軟化，從而使得切削能力變差，最主要的是加劇了切削刀具的急劇磨損，刀具的耐用率低即使用壽命大幅度降低。

（4）活化性分子高：由于在切削過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這樣會(huì)使鈦合金與切削刀具材料在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成切削刀具失效。當(dāng)切削過程中鈦合金的溫度過高時(shí)，大氣中的氧等氣體特別容易與鈦合金材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這樣會(huì)在鈦合金表面生成一層脆硬皮，嚴(yán)重地導(dǎo)致鈦合金的硬度大大下降。當(dāng)鈦合金在切削過程中發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形時(shí)，會(huì)導(dǎo)致淬硬性現(xiàn)象發(fā)生，這樣會(huì)急速加劇切削刀具的磨損，極大地降低鈦材料的各力學(xué)性能。

（5）磨損嚴(yán)重：刀具的磨損是由于多方面的原因造成的，在切削實(shí)驗(yàn)中，由于鈦合金硬度太高，會(huì)很容易造成刀具的損壞，發(fā)生崩刀現(xiàn)象。而且在切削實(shí)驗(yàn)中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，溫度會(huì)大幅度上升，在高溫下鈦合金很容易發(fā)生戰(zhàn)階現(xiàn)象，使刀具磨損嚴(yán)重，壽命會(huì)降低。

綜上所述，在鈦合金加工中，一定要特別注意兩個(gè)方面：（1）保持低的切削溫度；（2）提高刀具的剛度，強(qiáng)度和韌性，而涂層技術(shù)就是一種提高刀具剛度的一種很好的辦法。

3 鈦合金切削涂層刀具現(xiàn)狀

如上所述，因鈦合金其形變系數(shù)小、熱導(dǎo)率低、活化分子高等特性，切削實(shí)驗(yàn)加工過程中會(huì)嚴(yán)重產(chǎn)生高的切削溫度，加速切削刀具磨損與失效過程。切削加工過程中工件與刀具間的相互摩擦與切削力作用也會(huì)使的切削刀具產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦磨損。由于在對鈦合金做切削加工實(shí)驗(yàn)中尚存在很多難點(diǎn)和局限，根據(jù)以上原因因此要選擇導(dǎo)熱系數(shù)大、散熱性好和化學(xué)性能較穩(wěn)定的刀具[10]。目前業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最適合加工鈦合金效果最好的切削刀具是金剛石刀具，但又由于金剛石刀具價(jià)格昂貴，因此目前硬質(zhì)合金涂層刀具作為切削鈦合金刀具仍然占據(jù)著鈦合金切削加工市場的主要地位。

傳統(tǒng)理論認(rèn)為涂層刀具對鈦合金的加工并不適用，因?yàn)槌Ｒ姷耐繉哟蠖酁槎猅iN或三元CrAlN涂層，而這類涂層雖然有高的硬度和優(yōu)異的抗氧化性，但是在現(xiàn)代高速切削加工中對涂層性能的要求越來越高，單一涂層往往滿足不了現(xiàn)狀，在切削實(shí)驗(yàn)過程中，刀具較容易失效脫落。Ezugwn等采用二元CrN涂層刀具對鈦合金進(jìn)行切削加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：涂覆有CrN涂層的刀具壽命與未涂覆涂層的刀具壽命相比較，使用壽命時(shí)間長30 min，這表明了切削刀具的使用壽命提高。并且對單層的涂層刀具和多層的涂層刀具進(jìn)行對比，研究表明：就刀具使用壽命而言，單層涂層刀具的使用壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多層涂層刀具的使用壽命；就刀具切削溫度而言，多層涂層刀具的切削溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單層涂層刀具的切削溫度[11-13]。

近年來，由于涂層的制備工藝和研究方法在不斷的前進(jìn)與發(fā)展，刀具涂層朝著多元化、復(fù)合化和納米化方向發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的新薄膜，如：多層薄膜、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜、超硬質(zhì)薄膜等，這些薄膜具有良好的摩擦性能、力學(xué)性能、用抗氧化性能和抗腐蝕性能，由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，這些涂層被廣泛的應(yīng)用到鈦合金的加工中，這些涂層展示了優(yōu)異的性能，大大促進(jìn)了現(xiàn)代加工業(yè)的發(fā)展。

硬質(zhì)合金涂層刀具未來會(huì)朝著成分更加多元化的方向發(fā)展。在二元涂層基礎(chǔ)上中加入新的元素，例如，在原來二元涂層中加入Zr元素，結(jié)果表明會(huì)提高涂層的耐磨損性能；加入Si元素后會(huì)提高涂層的硬度并且能夠防止化學(xué)元素的擴(kuò)散；加入B元素和N元素后涂層會(huì)表現(xiàn)出更好的韌性；加入Al、Cr和O元素后會(huì)提高涂層抗氧化性能等特性[14，15]。制備出的多元刀具涂層材料相比之前，刀具能夠展示出更好的優(yōu)異性極大地提升刀具得使用性能。涂層材料也已從最開始的TiN、TiAlN、TiCN 發(fā)展到現(xiàn)在的 TiSiN、TiSiCN、Al－CrSiN、AlCrN、AlCrSiON、ZrBN、ZrBON 等幾十種涂層材料。這些都會(huì)更加適應(yīng)鈦合金以及其他難加工材料的高速、高效加工。

4 總結(jié)

隨著“中國制造2025”的提出，制造業(yè)迎來飛速發(fā)展，鈦合金的應(yīng)用會(huì)越來越多，對質(zhì)量以及精度要求也會(huì)不斷提高，如何選擇更加合適的鈦合金切削刀具，提高產(chǎn)業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)水平要求、降低鈦合金構(gòu)建的成本過程、對機(jī)械加工的永久發(fā)展和制造業(yè)整體優(yōu)質(zhì)水平的提高有著深厚的意義。

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