涂層刀具高速車削鐵基高溫合金磨損機理研究*

張 旭，鄭光明，李 源，程 祥，楊先海

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000)

0 引言

GH2132是一種時效硬化型鐵基高溫合金，在650℃以下具有高的屈服強度和持久、蠕變強度，且有較好的加工塑性和滿意的焊接性能，還有很高的高溫強度，加工中刀具容易磨損，屬于典型的難加工材料[1-3]。

涂層硬質(zhì)合金刀具因耐磨性高、化學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，較多用于高溫合金領域[4]。目前國內(nèi)外學者對高溫合金的研究主要集中在鎳基合金, 而針對鐵基高溫合金的切削加工性，研究相對較少[5-7]。用TiAlN涂層、TiAlN+TiN涂層刀具對GH2132進行高速干銑削試驗發(fā)現(xiàn)刀具主要磨損形態(tài)都是后刀面磨損，主切削刃微崩以及刀尖崩塌等，涂層剝落后基體中粘結(jié)劑軟化，硬質(zhì)相顆粒脫落導致基體劇烈磨損造成失效[8]；干車削速度太低造成涂層剝落，形成積屑瘤，主要磨損機理為粘結(jié)磨損和磨粒磨損，速度太高時主要為擴散磨損，同時有磨粒磨損造成的涂層斷裂使其失效[10-11]；觀察臨近失效時的刀具前刀面發(fā)現(xiàn),多數(shù)刀具呈現(xiàn)嚴重的月牙洼磨損特征，刀具的主要磨損機理均為擴散磨損和氧化磨損[12]，沖擊載荷超過刀刃所允許的強度后刀具發(fā)生崩刃，崩刃嚴重時刀具失效無法切削加工[13]。

本文采用新型納米級TiAlN和AlCrN的PVD涂層刀具進行高速干車削GH2132試驗，通過磨損率分析，研究刀具的切削加工性能，并對刀具磨損SEM圖像及EDS能譜圖進行分析，探究其磨損形式和磨損機理，為鐵基合金的高效高質(zhì)量加工提供理論指導。

1 試驗設計

(1) 工件材料

工件材料為鐵基高溫合金GH2132，工件尺寸：φ115mm×300mm棒料。其主要物理力學性能為：密度7.916kg/dm3，抗拉強度930MPa，屈服強度590MPa，硬度36HRC?；瘜W成分如表1所示。

表1 GH2132化學成分

(2) 刀具材料

試驗所用刀桿型號為MCLNR2020K12。刀具材料為日本住友公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金涂層刀具，牌號AC510U，型號CNMG120408N-EF，硬度92.6HRA，抗折力2.6GPa，采用納米級的TiAlN和AlCrN的PVD涂層膜，膜厚3μm；裝夾完成后刀具主偏角95°，副偏角5°，前角-5°，后角5°，刃傾角6°，刀尖半徑0.8mm。

(3) 試驗條件和方案

車削試驗現(xiàn)場照片如圖1所示，試驗在CKD6136i型數(shù)控車床進行(最大轉(zhuǎn)速3000r/min)，切削方式為外圓連續(xù)干切削。采用單因素試驗方案進行切削，切削速度v=60、90、120、150、180m/min，切削深度ap=0.5mm，進給量f=0.1mm/r。試驗以刀具磨損率為評

圖1 車削試驗現(xiàn)場照片

價標準[9]，每種刀具，不同參數(shù)下預先切削100cm2工件表面積，采用USB200數(shù)碼工具顯微鏡觀察刀具前后刀面磨損情況，測量刀尖處后刀面磨損帶寬度值為初始后刀面磨損帶寬度值VBC-i；在此基礎上，再分別切削1000cm2的工件表面積，對當前的后刀面磨損帶寬度值進行測量，記為VBC，兩者之間的差值(VBC-VBC-i)則為表面磨損率hs。試驗結(jié)束后，用無水乙醇對刀具進行超聲清洗并吹干，最后結(jié)合QUANTA FEG 250型電子掃描顯微鏡(SEM)和能譜分析(EDS)對刀具磨損形貌和元素擴散進行分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損率分析

圖2 涂層刀具磨損率變化示意圖

對涂層刀具的主、副后刀面磨損率進行分析，得到的磨損率變化曲線如圖2所示。由圖可知，刀具的副后刀面磨損率大于主后刀面磨損率。這是由于刀具的主偏角較大而副偏角較小，在切削過程中主后刀面與待加工工件接觸面積較小，而副后刀面不斷與工件的已加工表面接觸產(chǎn)生摩擦，使副后刀面磨損加劇，導致副后刀面相對主后刀面磨損更為嚴重。

隨著切削速度的提高，兩個刀面的磨損率均呈逐步上升的趨勢，且副后刀面磨損率的增幅普遍大于主后刀面。這是因為隨著切削速度增大，刀具與工件摩擦更為劇烈，切削力和切削溫度逐漸升高，受到力和熱的影響，刀具磨損越來越嚴重，磨損率也逐漸上升。由于工件散熱性較差，當切削速度較高時切削區(qū)域溫度增加，熱量更易集聚，導致刀具副后刀面受到更高溫度的影響，磨損率增幅越來越大。

綜合涂層刀具主、副后刀面磨損率變化可知，在所選切削參數(shù)范圍內(nèi)，v=60～150m/min時刀具的磨損率較小，刀具表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的切削性能；當v=180m/min時磨損率較大，刀具磨損嚴重，切削性能降低，會導致加工質(zhì)量較差。

2.2 刀具磨損機理分析

如圖3所示為涂層硬質(zhì)合金刀具AC510U在切削速度為60m/min條件下的后刀面磨損形貌SEM圖像，圖3a為刀具磨損宏觀示意圖，從圖中可較明顯觀察到刀具三個磨損帶區(qū)域(VC、VB、VN)，從圖3b可觀察到刀具主后刀面涂層剝落及涂層磨損現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)在切削刃上有部分塊狀粘結(jié)，在磨損區(qū)域形成了片狀的粘結(jié)層，說明刀具的主要磨損機理為粘結(jié)磨損。后刀面涂層剝落區(qū)有部分劃痕有可能是刀面與工件接觸所致。圖3d所示為對圖3b中c區(qū)域進行EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)此部分的主要化學元素為W、Fe、Ni、Cr，并有少量的N和Ti，證實在此區(qū)域內(nèi)有工件材料的粘結(jié)，使工件中的元素發(fā)生了擴散，Ni、Cr元素在刀具表面降低了刀具硬度和切削性能，并增加了工件刀具親和性，加速了粘結(jié)磨損；區(qū)域中也有涂層剝落露出的刀具基體成分，而在能譜分析中并沒有發(fā)現(xiàn)O元素的存在，可見在此切削速度下后刀面并沒有出現(xiàn)氧化磨損。圖3c為刀尖處放大圖，可觀察到切削刃下方有明顯溝壑，并有少量小塊粘結(jié)物，這是由于在刀具磨損后期磨損較為劇烈，刀具承受了更大的力和熱。

(a) 后刀面磨損形貌 (b) a區(qū)放大圖

(c) b區(qū)放大圖

(d) 圖b中c區(qū)域EDS能譜分析 圖3 涂層刀具后刀面磨損圖像及EDS分析(v=60m/min)

圖4所示為切削速度60m/min時刀具前刀面磨損圖像及線掃描。結(jié)合圖4a、圖4b可以看出，刀具的前刀面出現(xiàn)了一定的月牙洼磨損，并且在切削刃處有片狀的粘結(jié)層產(chǎn)生，這些粘結(jié)層在切削過程中受熱和力的作用不斷堆積，最終堆疊在一起形成類似梯田的較厚粘結(jié)層，而在靠近后刀面處發(fā)現(xiàn)有較大塊的積屑層不斷卷曲粘結(jié)，形成管狀粘結(jié)物附在前刀面。圖4c為圖4b前刀面EDS線掃描放大圖，發(fā)現(xiàn)主要元素為Fe、Ni、Cr，可見粘結(jié)物中工件元素占主要部分，而在中間一小塊區(qū)域O含量增加，工件元素減少，可能由于刀具工件材料與空氣中氧元素發(fā)生了少量氧化反應導致，遠離刀尖區(qū)域工件元素增加，可見部分工件元素粘結(jié)到前刀面，前刀面的主要磨損為粘結(jié)磨損。

(a) 前刀面磨損形貌 (b) a區(qū)放大圖

(c) 圖b線掃描放大圖 圖4 涂層刀具前刀面磨損圖像及線掃描(v=60m/min)

如圖5為切削速度150m/min時刀具前、后刀面磨損形貌。結(jié)合兩圖觀察發(fā)現(xiàn)前刀面有明顯積屑瘤和粘結(jié)層產(chǎn)生，積屑瘤在前刀面粘結(jié)有效保護了刀刃與高速流動的切屑之間的摩擦和接觸，減少了切屑變形，一定程度上降低切削溫度和切削力，減少了切屑和工件元素向刀具的擴散，主要磨損機理為粘結(jié)磨損。刀尖處有微崩刃現(xiàn)象，刀尖下方有一條條的劃痕，這是工件中硬質(zhì)顆粒與刀具接觸所致，主要磨損機理為磨粒磨損。后刀面上也發(fā)現(xiàn)有粘結(jié)層產(chǎn)生并有粘結(jié)物在切削刃上。如圖5c所示，對圖5b中a區(qū)域能譜分析，發(fā)現(xiàn)除了Fe、Ni、Cr等大量工件元素，還有部分O元素存在，可見在較高切削速度下切削溫度較高，有空氣進入切削區(qū)域，與工件、刀具部分元素發(fā)生了氧化反應。

(a) 前刀面磨損形貌 (b) 后刀面磨損形貌

(c) 圖b中a區(qū)EDS能譜分析 圖5 涂層刀具前后刀面磨損圖像及EDS能譜分析(v=150m/min)

由以上分析可見，涂層刀具車削鐵基高溫合金GH2132時，刀具的主要磨損形式為正常的前、后刀面磨損和邊界磨損，以及非正常的剝落和崩刃；低速時主要磨損機理為磨粒磨損和粘結(jié)磨損，高速時還發(fā)生了氧化磨損。

3 結(jié)論

本文采用涂層硬質(zhì)合金刀具對GH2132進行高速干車削試驗，對刀具磨損率變化進行了分析，并研究了刀具的磨損形式和磨損機理，結(jié)果表明：

(1)由于刀具副偏角較小，刀具的副后刀面磨損率大于主后刀面；隨著切削速度的提高，刀具磨損率呈逐步上升的趨勢，副后刀面磨損率增幅大于主后刀面。切削速度在60～150m/min范圍內(nèi)時磨損率較小，180m/min時磨損率較大。

(2)涂層硬質(zhì)合金刀具主要的磨損形式為正常的前、后刀面磨損以及邊界磨損，表現(xiàn)為涂層的磨損和剝落；前刀面上出現(xiàn)一定的月牙洼磨損、積屑瘤及卷狀、片狀粘結(jié)，刀尖及后刀面有排列較整齊的溝壑和劃痕并伴有微崩刃現(xiàn)象，后刀面還有次生粘結(jié)層產(chǎn)生；刀具主要磨損機理為磨粒磨損、粘結(jié)磨損和氧化磨損。