AlCrSiN涂層刀具干車削Ti-6Al-4V鈦合金的切削性能研究

劉 杰，朱水生，肖曉蘭，鄧 欣

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣東 廣州 511483）

鈦合金是公認(rèn)的難加工材料，由于其低熱導(dǎo)率、低彈性模量以及高強(qiáng)度、高化學(xué)活性使得刀具經(jīng)受高溫氧化、擴(kuò)散、粘結(jié)、高回彈等一系列的考驗(yàn)，帶來刀具壽命短、加工效率低以及工件的表面質(zhì)量差等一系列問題[1]。一直以來，硬質(zhì)合金是切削鈦合金的主流刀具材料，如果在硬質(zhì)合金表面施加適宜的涂層，可以起到隔熱、隔絕化學(xué)反應(yīng)甚至自潤滑的作用。

最早的Cr系涂層CrN因具有較高的硬度、結(jié)合力以及抗氧化性獲得了一定應(yīng)用，為了進(jìn)一步優(yōu)化涂層的上述性能，加入金屬和非金屬元素形成三元和四元涂層，其中，Al和Si是被研究的熱門元素，由此形成了AlCrN、CrSiN、AlCrSiN等涂層類型。涂層中的Al元素通過固溶強(qiáng)化提高了涂層的硬度，并且在氧化后形成致密的Al2O3薄膜覆蓋在完好涂層的表面，可以同時(shí)阻止氧向內(nèi)的侵入和涂層金屬元素的向外擴(kuò)散，提高了涂層的抗氧化性[2]。涂層中的Si與N形成非晶的Si3N4相包裹在CrN晶界形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高了涂層的硬度、高溫穩(wěn)定性和抗氧化性[3]。Polcar等[4]的研究表明，AlCrSiN涂層在1 300 ℃仍能保持沉積態(tài)時(shí)的立方相結(jié)構(gòu)。Lee等[5]研究了CrAlSiN的抗氧化性，涂層表面生成的Al2O3、Cr2O3和SiO2是其優(yōu)越抗氧化性的主要原因。Sun等[6]研究了不同Si含量CrAlSiN的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)5.52%的Si含量表現(xiàn)出最優(yōu)的綜合性能，具有較高的硬度和結(jié)合力，以及較低的摩擦系數(shù)和抗磨損性能。

關(guān)于AlCrSiN涂層刀具干切削鈦合金的研究較少。Wu[7]在高速鋼基體上沉積了AlCrSiN和AlCrN，干銑削40CrNiMo合金鋼，發(fā)現(xiàn)AlCrSiN的切削性能優(yōu)于AlCrN，磨損機(jī)理為磨粒磨損和粘結(jié)磨損。Cai[8]在M42鋼基體上沉積不同Si含量的梯度AlCrSiN涂層，使用水基潤滑液銑削20CrMo，高Si含量的AlCrSiN涂層表現(xiàn)出較少的磨損和較長壽命，磨損機(jī)理為磨粒磨損、粘結(jié)磨損和氧化。Chang[9]在硬質(zhì)合金基體上沉積Cr47Al46Si7N，干銑削Ti-6Al-4V鈦合金,發(fā)現(xiàn)該涂層的切削壽命優(yōu)于TiAlN、TiAlSiN以及無涂層刀具。

綜上所述，過往研究主要集中在AlCrSiN涂層本身的高溫穩(wěn)定性以及抗氧化性研究，對于該涂層的切削性能僅給出結(jié)果和磨損形式，未關(guān)注其切削過程中的表現(xiàn)。本文在硬質(zhì)合金基體上沉積高Al含量的AlCrSiN涂層，高速干式車削Ti-6Al-4V，通過研究與切削過程直接相關(guān)的切削力、切削溫度、工件表面粗糙度等參量的變化規(guī)律和特征來揭示AlCrSiN涂層干切削鈦合金時(shí)的特征表現(xiàn)、性能及機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 涂層表征

采用掃描電子顯微鏡(SEM, FEI NovaNano 430)觀察涂層的表面和截面形貌，涂層的化學(xué)成分可通過掃描電鏡附帶的能譜儀EDS來測定。采用X射線光電子能譜儀(XPS, Escalab 250Xi)分析切削后刀具表面元素的價(jià)態(tài)結(jié)構(gòu)，X射線源的束斑為650 μm，電壓和電流分別為15 kV和15 mA。硬度和彈性模量采用CSM TTX-NHT2納米壓痕儀測量，載荷10 mN。涂層的膜基結(jié)合力采用微米劃痕儀(RST, CSM)測試，最大載荷100 N，劃痕長度3 mm。AlCrSiN涂層的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。涂層的截面和表面形貌如圖1所示。從截面觀察，涂層致密，與基體結(jié)合良好。從表面觀察，可見白色的液滴，這是電弧沉積涂層的明顯特征[10]。

表1 涂層的化學(xué)成分及力學(xué)性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of the coatings.

圖1 AlCrSiN涂層形貌Fig.1 Morphologies of AlCrSiN coating

1.2 工件材料

本文切削用的工件材料為α-β鈦合金Ti-6Al-4V。該材料的化學(xué)成分和物理性能分別如表2和表3所示。

表2 Ti-6Al-4V中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Chemical composition of the Ti-6Al-4V alloy%

表3 Ti-6Al-4V的物理力學(xué)性能Table 3 Physical properties of Ti-6Al-4V

1.3 車削實(shí)驗(yàn)

車削實(shí)驗(yàn)利用CAK3665nj車床(沈陽第一機(jī)床廠)進(jìn)行，車削過程為干車削。刀片為標(biāo)準(zhǔn)SNMA120408涂層與無涂層刀片，刀桿為標(biāo)準(zhǔn)MSBNR2020K12，主偏角75°，前角-6°，如圖2所示。在切削速度、切削深度、進(jìn)給量3個(gè)切削用量中切削速度對刀具壽命的影響最大，所以3組切削用量中切削深度固定為0.5 mm(單邊)，進(jìn)給量固定為0.1 mm/r，切削速度變化為60、100、150 m/min。使用工具顯微鏡每隔一定的切削時(shí)間觀測一次刀具后刀面磨損量，直到刀具達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)。本文選用的刀具失效標(biāo)準(zhǔn)為：后刀面平均磨損量VB=0.3 mm，或者最大磨損量VB=0.6 mm。測力儀為Kistler 9129AA三向測力儀；粗糙度儀TR100，精確度0.01 μm；測溫儀為紅外Testo 890-2 SET，測溫精度±2 ℃，測溫范圍：室溫～1 200 ℃。

圖2 車削實(shí)驗(yàn)配置Fig.2 Turning experiment configuration

2 結(jié)果與討論

2.1 刀具的壽命、磨損及切削溫度

以后刀面磨損平均值達(dá)到300 μm的標(biāo)準(zhǔn)來衡量，兩種刀具在3種切削速度下的切削壽命如圖3所示。AlCrSiN涂層刀具的切削壽命在3種速度下均超過無涂層刀具，壽命增長率分別為59%、71%、45%，在100 m/min時(shí)壽命增長率最大。說明AlCrSiN涂層有效地保護(hù)了刀具基體。

圖4為AlCrSiN涂層刀具在3種切削速度下的溫度曲線?？梢?，切削速度超過100 m/min后，切削速度對于切削溫度的影響顯著增強(qiáng)，切削速度為150 m/min時(shí)切削溫度超過了700 ℃。

圖3 2種刀具在不同切削速度時(shí)的切削壽命Fig.3 Cutting life of two tools at different cutting speed

圖4 AlCrSiN涂層刀具在3種切削速度時(shí)的切削溫度Fig.4 Cutting temperature of AlCrSiN coated tools at three cutting speeds

圖5 AlCrSiN涂層刀具與無涂層刀具后刀面磨損與切削溫度Fig.5 Flank wear and cutting temperature of AlCrSiN coated and uncoated tools

圖5為兩種刀具在切削速度為100 m/min時(shí)的磨損與切削溫度曲線。從磨損曲線形態(tài)上可明顯看出，AlCrSiN涂層刀具的磨損曲線中間部位出現(xiàn)一處臺階，這是穩(wěn)定磨損階段，屬于耐磨物體磨損的3個(gè)階段之一，介于初期快速磨損和后期的劇烈磨損之間；而無涂層刀具直接由初期磨損進(jìn)入了劇烈磨損。在整個(gè)切削過程中，AlCrSiN涂層刀具的切削溫度明顯低于無涂層刀具。在切削起始時(shí)，二者的溫度分別是340 ℃和382 ℃，溫差也最小為42 ℃，但是隨著切削時(shí)間延長，二者的升溫曲線與其磨損曲線呈現(xiàn)正相關(guān)的發(fā)展，即無涂層刀具的溫度幾乎線性上升；而AlCrSiN涂層刀具在穩(wěn)定磨損階段維持了幾乎不變的溫度，只是到了劇烈磨損后，溫度緩慢上升到最高的456 ℃，而此時(shí)無涂層刀具的溫度已達(dá)到630 ℃，此時(shí)的溫差也達(dá)到了最大的174 ℃。涂層刀具的切削溫度較低與刀具在涂層保護(hù)下可以長久保持鋒利有關(guān)，也與涂層表面摩擦系數(shù)低有關(guān)。

圖6為兩種刀具在切削速度為100 m/min時(shí)后刀面磨損形貌演變過程，可以看出，無涂層刀具后刀面磨損速度要快于AlCrSiN。在切削2.4 min后，AlCrSiN涂層刀具的磨損帶寬度僅有141 μm，而無涂層刀具切削1.4 min后，已達(dá)到186 μm。從圖6還可以看出AlCrSiN涂層刀具的另外兩個(gè)優(yōu)勢，一是切屑粘結(jié)比較輕微，而無涂層刀片幾乎每一個(gè)時(shí)刻在前刀面都存在比較嚴(yán)重切屑粘結(jié)。眾所周知，切屑的粘結(jié)與切削溫度有密切的正相關(guān)關(guān)系。說明無涂層刀具的切削溫度明顯高于AlCrSiN涂層刀具。二是切削熱的影響區(qū)域更小。這是因?yàn)锳lCrSiN涂層本身切削溫度低，且比硬質(zhì)合金有更低的熱導(dǎo)率(AlCrSiN的熱導(dǎo)率500 ℃大約為4.5 W/(m·K)，硬質(zhì)合金在42～75 W/(m·K)[11])，使切削熱不易從切削刃傳遞到其他部位，另外涂層優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和抗氧化性也保護(hù)了涂層自身和其下的基體。

圖6 AlCrSiN涂層刀具與無涂層刀具后刀面磨損演變與熱影響區(qū)Fig.6 Flank wear evolution and heat-affected zone of AlCrSiN coated and uncoated tools

圖7為刀具磨損前后形態(tài)變化引起的熱力變化，第一變形區(qū)(First Deformation Zone, FDZ)的熱量由切屑的塑性變形功轉(zhuǎn)化而來，第二和第三變形區(qū)(Second Deformation Zone and Third Deformation Zone, SDZ和TDZ)熱量主要是由摩擦產(chǎn)生。當(dāng)?shù)毒咦冣g后，切屑在斷離前的塑性變形增大，尤其是靠近刃口的切屑，可以說是被“擠下來”而不是切下來的。整個(gè)FDZ區(qū)由原先的剪切為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟泻蛿D壓共存，F(xiàn)DZ區(qū)擴(kuò)大，因此由切屑變形功轉(zhuǎn)化而來的熱量也在增加；位于后刀面上的TDZ區(qū)受到后刀面逐漸磨平的影響，摩擦也越來越大，摩擦熱也在增加。對于無涂層刀具來說，因?yàn)樽冣g的速度快，這兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的熱量就多。再由摩擦系數(shù)的影響，AlCrSiN與TC4之間的摩擦系數(shù)低至0.12[12]，遠(yuǎn)低于硬質(zhì)合金與TC4之間的0.35[13]，這是AlCrSiN涂層刀具溫度較低的另外一個(gè)原因。

圖7 刀具磨損前后形態(tài)變化引起的熱力變化Fig.7 Heat and force changes caused by tool shape changes before and after tool wear

2.2 刀具的切削力

切削力是衡量刀具和工件之間切削難易程度的重要指標(biāo)，與刀具壽命及工件加工質(zhì)量有密切關(guān)系。圖8為兩種刀具切削鈦合金時(shí)測得的三向切削力(軸向力Fx，徑向力Fy，切向力Fz)以及計(jì)算得到的切削合力Fr和摩擦系數(shù)μ。其中切削合力和摩擦系數(shù)分別由式(1)和(2)給出。

其中，刀具前角γ0取-6°的弧度值。

圖8 兩種刀具在各切削速度下的切削力與摩擦系數(shù)Fig.8 The cutting force and friction coefficient of the two tools at various cutting speeds

從圖8可以看出如下結(jié)果。第一，從共同特征上看，與其他工件材料顯著不同的是，切削鈦合金時(shí)，徑向切削力Fy(也稱吃刀抗力))明顯高于另外兩個(gè)方向的力，尤其是超過主切削力Fz。這與鈦合金低的彈性模量有關(guān)[14]，鈦合金彈性模量在110～130 GPa，僅為鋼數(shù)值的一半。所以彈性變形大，切削過程中由于彈性回復(fù)，使得刀具后刀面與工件之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓，造成徑向切削力明顯偏大。第二，對比兩種刀具的切削力，發(fā)現(xiàn)AlCrSiN涂層刀具各向切削力明顯低于無涂層刀具。如圖8(a)和(b)，同樣在100 m/min的切削速度下，從切削合力上看，無涂層刀具最大值為445 N，AlCrSiN涂層刀具最大值僅為369 N，這與AlCrSiN涂層的高溫穩(wěn)定性、抗氧化性以及在高溫下仍能保持較低的摩擦系數(shù)有直接關(guān)系。第三，觀察圖8(a)、(b)和(d)，發(fā)現(xiàn)除了切向力Fz外，F(xiàn)x和Fy都是先增大后減小，圖8(b)更加顯著。但是在圖8(c)中未見上述變化。這是因?yàn)?，首先，切削力逐漸增大與刀尖變鈍以及后刀面磨損有直接關(guān)系，剛進(jìn)入切削的新刀具，雖然鋒利，但磨損也快，即刀具的快速磨損階段(圖5的開始階段)，這個(gè)階段的切削力是逐漸增大的。這一點(diǎn)仍然可由圖7中刀尖變鈍后，切屑塑性變形增大，擠壓作用增強(qiáng)得到解釋。再來分析切削力的下降過程，兩種刀具的切削力在某個(gè)時(shí)刻都出現(xiàn)了下降，但AlCrSiN涂層刀具的切削力的下降比無涂層刀具更加顯著。既然刀具繼續(xù)變鈍引起的切削力變大的因素依然存在，那是什么因素引起切削力的下降呢，那就是刀具表面的氧化物起到了自潤滑作用，從而在綜合效果上抵消并降低了切削力。根據(jù)BASU S N[15]和JIANXIN D[16]的研究，溫度達(dá)到600 ℃甚至更低，硬質(zhì)合金中的WC和Co依據(jù)式(3)和(4)生成WO3和Co3O4，這兩種氧化物具有潤滑作用從而降低摩擦系數(shù)。

對切削速度為100 m/min的AlCrSiN涂層刀具前刀面做XPS分析，結(jié)果如圖9所示。圖9中O 1s、Cr 2p、Si 2p、Al 2p所對應(yīng)峰位可確認(rèn)為Al2O3[17-18]、Cr2O3[19]和SiO2[20]的峰位。Al2O3和Cr2O3是致密的氧化物，可以阻止O向涂層內(nèi)部擴(kuò)散從而提高涂層的抗氧化性；SiO2本身屬于具有潤滑作用的玻璃相[21]，再加上其很容易與空氣中的水形成Si(OH)4，如式(5)所示。Si(OH)4也是一種優(yōu)良的潤滑劑[22]。

圖9 AlCrSiN涂層刀具前刀面氧化生成物的XPS譜(切削速度100 m/min)Fig.9 XPS spectra of oxidation products on the rake face of AlCrSiN coated tools

綜上所述，由于切削過程中的高溫，兩種刀具各自生成了具潤滑作用的產(chǎn)物從而降低了刀具和工件之間的摩擦，所以共同表現(xiàn)出切削力下降的現(xiàn)象。由于AlCrSiN涂層的保護(hù)作用，刀具溫度上升緩慢，延緩了氧化潤滑物的生成，所以切削力出現(xiàn)下降的時(shí)間為5.8 min，晚于無涂層刀具的2.8 min。而圖8(c)為60 m/min的切削速度，由于切削過程中刀具溫度低，未產(chǎn)生足夠質(zhì)量和數(shù)量的潤滑氧化物，導(dǎo)致切削力沒有出現(xiàn)下降。

2.3 刀具斷屑性分析

切屑的形態(tài)可以反映刀具切削過程中的磨損狀況。圖10中的切屑為AlCrSiN涂層刀具和無涂層刀具在100 m/min的切削速度下分別切削7 min后獲得的。首先觀察切屑的幾何尺寸，如圖10(b)、(c)、(e)、(f)，無涂層刀具對應(yīng)的切屑尺寸明顯小于AlCrSiN涂層刀具的切屑，這是由于無涂層刀具的切削部位磨損比較快，其幾何外形迅速消減，斷離下來的切屑尺寸相應(yīng)減少，正如前文刀具磨損模型圖7(b)所示。其次，對比兩種切屑的顏色，如圖10(a)、(d)，AlCrSiN涂層刀具的切屑顏色仍保持鈦合金的亮銀色，但無涂層刀具的切屑出現(xiàn)灼燒后的紫紅色，說明無涂層刀具的切削溫度明顯高于AlCrSiN涂層刀具。最后，對比兩種切屑的自由表面，如圖10(b)、(e)，發(fā)現(xiàn)無涂層刀具的切屑鋸齒間距明顯小于AlCrSiN涂層刀具，也說明無涂層刀具的切削溫度要明顯高于AlCrSiN涂層刀具，這是因?yàn)楦叩臏囟?，降低了絕熱剪切帶中鋸齒形成的應(yīng)力閾值，也即提高了鋸齒出現(xiàn)的頻率。對比兩種切屑的背面，切屑背面是與刀具直接接觸的面，可以反映刀具表面的磨損程度，無涂層刀具背面更加粗糙，說明其比AlCrSiN涂層刀具磨損更加嚴(yán)重。

圖10 AlCrSiN涂層刀具和無涂層刀具分別切削7分鐘后的切屑形貌Fig.10 Chip morphology of AlCrSiN coated and uncoated tool after cutting for 7 minutes

2.4 工件的粗糙度分析

由于刀具的后刀面與工件的已加工面直接接觸，所以工件的粗糙度與刀具后刀面的磨損狀況直接相關(guān)。圖11為切削速度為100 m/min時(shí)刀具后刀面磨損量與粗糙度的關(guān)系曲線。這兩條粗糙度曲線的共同特征呈現(xiàn)“U”型。起始值比較大，后逐漸降低，然后再上升。粗糙度中后期的趨勢是隨著后刀面的磨損量增加而增加的。值得注意的是，除了起始階段以外，AlCrSiN涂層對應(yīng)工件的粗糙度值總是低于無涂層刀具的。如前所述，這是因?yàn)锳lCrSiN涂層刀具在涂層保護(hù)下，磨損較慢，能夠長久保持刀具的鋒利所致。但也正因涂層刀具磨損較慢，刀尖鋒利，造成切削起始階段粗糙度反而不如無涂層刀具，原因是鋒利的刀尖與工件接觸面積小，理論上是線接觸。從二維狀態(tài)看是點(diǎn)接觸，如圖7(a)所示。所以，加工系統(tǒng)的振動較大，自然會增大表面粗糙度；另外重要的一點(diǎn)，后刀面磨損慢，后刀面上的修光面出現(xiàn)得較晚，修光作用沒有，粗糙度也會較大，如圖7(b)所示。

圖11 AlCrSiN涂層刀具與無涂層刀具后刀面磨損與工件表面粗糙度Fig.11 Flank wear and surface roughness of AlCrSiN coated and uncoated tools

3 結(jié)論

(1) 高速干切削Ti-6Al-4V鈦合金時(shí)，AlCrSiN涂層刀具的切削壽命超過無涂層刀具。切削力、切削溫度和工件表面粗糙度三項(xiàng)指標(biāo)均低于無涂層刀具。說明AlCrSiN涂層能夠有效地保護(hù)基體從而維持刀具的鋒利度。

(2) AlCrSiN涂層刀具和無涂層刀具在切削過程中均出現(xiàn)切削力先上升后下降的現(xiàn)象，但AlCrSiN涂層下降更顯著，這與二者高溫下產(chǎn)生的潤滑氧化物有關(guān)，但AlCrSiN的潤滑更加有效。

(3) 不管有無涂層，切削溫度和工件粗糙度都與后刀面磨損量有正相關(guān)關(guān)系(粗糙度除開始階段外)。但溫度的增加還與前刀面第一變形區(qū)塑性變形增加從而熱量增加有關(guān)。