（机械制造及其自动化专业论文）zrn涂层刀具的切削性能研究.pdf

摘要 摘要 z r n 具有硬度高、熔点高、热稳定性好、耐磨性好等许多刀具材料所应具备 的特点，把其应用于刀具涂层，前景广阔。本文以课题组研制的具有高硬度和高 膜基结合强度的z r n 系列涂层刀具( d z 、g z z 、f z t ) 为研究对象，对其切削性能、 加工过程、磨损性能及机理进行系统的研究。 对z r n 系列涂层刀具的切削性能进行了试验研究，并与无涂层的1 5 刀具 和c n 2 5 涂层刀具进行对比。试验结果表明：在相同切削条件下加- e 4 5 # 钢和4 0 0 r 钢时，z r n 系列涂层刀具的切削力、切削温度均明显低于无涂层的y t l 5 刀具， 而工件表面粗糙度相差较小；其中g z z 涂层刀具的切削力、切削温度最小，其 切削性能最好。 利用有限元方法( f e m ) 对z r n 涂层刀具的切削过程进行建模和仿真，研究了 其切削力、温度场、应力场及与切削速度的关系。研究表明：z r n 涂层刀具切削 力小于y t l 5 刀具；切削初始阶段，z r n 涂层刀具的温度低于y t l 5 刀具，若切 削时间延长，z r n 涂层刀具的基体温度可能会等于或超过y t l 5 刀具温度，涂层 刀具在高速断续切削中涂层热障作用明显；z r n 涂层刀具和无涂层的y t l 5 刀具 的应力变化趋势基本类似，涂层刀具应力略低于y t l 5 刀具，各涂层应力相差较 小。 对z r n 系列涂层刀具的磨损性能及机理进行了试验研究和理论分析，并与 无涂层的y t l 5 刀具和c n 2 5 涂层刀具进行对比。结果表明：加工4 5 # 钢时，刀 具后刀面磨损量由大到小顺序为y t l 5 f z t d z g z z ；加工4 0 c r 钢时，z r n 涂 层刀具后刀面磨损量较c n 2 5 涂层刀具稍小。z r n 涂层刀具前刀面的主要磨损形 式为粘结磨损和涂层剥落，后刀面的主要磨损形式为磨料磨损，三种磨损形式可 能会同时发生，并相互影响。 关键词：z r n 涂层刀具；切削性能；磨损机理 国家自然科学基金( 5 0 6 7 5 1 2 0 ) 和教育部博士点基金( 2 0 0 7 0 4 2 2 0 1 2 ) 资助。 v i i a b s t r a c t a b s t r a c t z r ni sas o r to fm a t e r i a lw i t hv e r yg o o dp e r f o r m a n c e i th a sh i g hh a r d n e s s ，h i g h m e l t i n gp o i n t v e r yg o o ds t a b i l i z a t i o na n dh i g hw e a rr e s i s t a n c e i fw em a k eu s eo fi t 嬲t o o lc o a t e dm a t e r i a l ，i tw i l lh a v eag o o dd e v e l o p m e n t i nt h ea r t i c l e ，t h er e s e a r c h o b j e c ti sz r n c o a t e dt o o l s ( d z ，g z z ，f z t ) t h ec u r i n gp e r f o r m a n c e ，w e a rp r o p e r t i e s a n d m e c h a n i s m s ，c u r i n gp r o c e s so ft h ez r n c o a t e dt o o l sw e r ed e t a i l e ds t u d i e d t h ec u r i n gp e r f o r m a n c eo fz r nc o a t e dt o o l sw a ss t u d i e d ，a n dc o m p a r e d 、) l ，i n l y t l5c e m e n t e dc a r b i d ea n dc n 2 5c o a t e dt 0 0 1 t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec u r i n g f o r c ea n dt e m p e r a t u r eo fc o a t e dt o o l sw e r ea l ls m a l l e rt h a nt h o s eo fy t15u n c o a t e d t o o l si nd r ym a c h i n i n go f4 5 # a n d4 0 c rh a r d e n e ds t e e lw i t ht h es a m ec o n d i t i o n t h e w o r k p i e c es u r f a c er o u g h n e s sh a ds m a l ld i f f e r e n c e t h eg z zc o a t e dt o o lh a dt h e s m a l l e s tc u r i n gf o r c e sa n dt e m p e r a t u r e t h eg z zc o a t e dt o o lh a st h eb e s tc u r i n g p e r f o r m a n c e t h ec u r i n gp r o c e s sa n dt h ec u r i n gm o d e lo fz r nc o a t e dt o o l sw e r ee s t a b l i s h e d b yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t h ei n f l u e n c e so fc u r i n gs p e e do nc u r i n gf o r c e ， c u r i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l dw e r es t u d i e d t h er e s a r c hi n d i c a t et h a tt h e c u r i n gf o r c e so fc o a t e dt o o l sw e r es m a l l e rt h a nt h a to fy t l 5u n c o a t e dt o o l s i nt h e i n i t i a ls t a g eo ft h ec u r i n gp r o c e s s ，t h ec u r i n gt e m p e r a t u r eo ft h ec o a t e dt o o l sw a s s m a l l e rt h a nt h a to fy t l5t o o l s b u tt h et h ec u r i n gt e m p e r a t u r eo ft h es u b s t r a t e m a y b ee q u a l st ot h a to fy t l5t o o lo re v e nh i g h e nt h et h e r m a lb a r r i e re f f e c to fc o a t e d t o o lw a se v i d e n ti nt h ei n t e r m i t t e n th i g h - s p e e dc u r i n g a l lt h et o o ls t r e s sh a dt h e s i m i l a rc h a n g e st r e n da n dt h es t r e s so ft h ec o a t e dt o o lv e r ys m a l l e rt h a nt h a to fy t l5 t 0 0 1 t h et h i c k n e s sh a ds m a l ld i f f e r e n c eo nt h es t r e s so ft h ec o a t i n g s t h ew e a rp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i s m so fz r nc o a t e dt o o l sw e r es t u d i e db y e x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c i na d d i t i o n , t h ew e a rp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i s m so fz r n c o a t e dt o o l sw e r ec o m p a r e d 、析ly t l5c e m e n t e dc a r b i d ea n dc n 2 5c o a t e dt 0 0 1 t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h er a t eo ff l a n kw e a ri n d e s c e n d i n g o r d e ri s y t l5 f z t d z g z zw h e nc u r i n g4 5 # h a r d e n e ds t e e l t h eg z z sf l a n kw e a l i s s m a l l e rt h a nt h a to fc n 2 5d u r i n gt h ep r o c e s so f c u r i n g4 0 0 rh a r d e n e ds t e e l d i f f e r e n t m o d e so ft o o lf a i l u r ei n c l u d i n ga b r a s i v ew e a r , a d h e s i v ew e a ra n dc o a t i n gb r e a k a g e w e r eo b s e r v e dw h e nm a c h i n i n gi nt h i ss t u d y a m o n gt h e s ew e a rp a t t e r n s ，a b r a s i v e i x 山东大学硕士论文 w e a rw a sf o u n dt ob et h em a i nm o d eo ff l a n kw e a r , w h i l ea d h e s i v ew e a rw a st h em a i n r a k e f a c ew e a rt y p e ri sc o m m o nt h a ts e v e r a lt o o lw e a rp a t t e r n sm a ya p p e a r s i m u l t a n e o u s l ya tt h es a m et i m ea n d h a v ea ne f f e c to ne a c ho t h e r k e y w o r d s ：z r n ；c o a t e dt o o l s ；c u t t i n gp e r f o r m a n c e ；w e a rm e c h a n i s m s t h i sr e s e a r c hi ss u p p o r t e db yb o t hc h i n an a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 6 7 512 0 ) a n d t h ed o c t o rf o u n d a t i o no f t h em i n i s t r yo fe d u c a t i o n ( 2 0 0 7 0 4 2 2 012 ) x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：i 习勘蓥 e l 期：逊2 基冱 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 身趑导师签名： 第1 章绪论 1 1 课题的提出与意义 第1 章绪论 刀具表面涂层技术是应市场需求发展起来的一种优质表面改性技术，涂层刀 具是在韧性较好的刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物。该技术将刀 具基体与涂层的性能相结合，可使切削刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅 度提高机械加工效率及刀具使用寿命，因此该技术已成为满足现代机械加工高效 率、高寿命、高可靠性要求的关键技术之一。为此，世界各国都十分注重涂层技 术的发展。 涂层技术对刀具的发展起了巨大的促进作用。刀具经过涂层后可大幅度延长 使用寿命。质料显示，西方国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由1 9 7 8 年的2 6 增加到2 0 0 5 年的5 0 - 6 0 ，新型数控机床所用切削刀具中有8 0 左右 使用涂层刀具，而我国还不及2 0 ，涂层刀具将是今后数控加工领域最重要的刀 具品种。另外，随着涂层装备的逐步改进和涂层工艺的成熟，涂层刀具成本正在 逐年下降。因此，近年来机械加工业厂家都认识到涂层刀具是提高切削效率、降 低生产成本的有效途径。因此研究涂层刀具，提高其可用性，推广涂层刀具在我 国的普及应用，对我国制造业具有重大意义。 从上世纪6 0 年代开始，西方国家以改善高速钢的切削性能和使用寿命为目 的，对同处i v 族的t i 、z r 的碳化物和氮化物作为耐磨涂层的性能进行了较为细 致的研究。随着气相沉积技术的发展，采用反应镀的方法沉积氮化物涂层，极大 改善了涂层与基体的结合力，使耐磨硬质材料涂层一举在工程上应用成功，并在 随后的时间里将其应用领域不断扩展。上世纪9 0 年代以来，t i n 涂层以其优良 的耐磨能力和良好的附着力得到了广泛的应用，但t i n 涂层也暴露出了一些问 题，如耐蚀性差、热硬度低等，需进一步加以改善。 t i 和z r 都位于过渡元素第1 v b 族，z r n 涂层与常用的t i n 涂层具有类似的 结构和性质，z r n 涂层具备t i n 涂层的许多优点；而且在许多情况下，以z r n 作为一种成分的n 系复合涂层和多层涂层的机械和摩擦性能要优于t i n 涂层。 山东大学硕士论文 z r n 具有许多优良的物理化学性能，将在1 3 小节中详细叙述。 目前对于z r n 的研究虽然较多，但大部分都集中在对其电传导性能、光学 性能和耐腐蚀性能的研究上，在国内尚未有对z r n 涂层应用于涂层刀具的制备 及其切削加工性能较为全面系统的研究。根据其较好的耐磨性、低摩擦系数、良 好的滑动性能及较好的高温硬度等性能，将其应用于涂层刀具的制备上，发展前 景广阔。 1 2 涂层刀具的研究现状 1 2 1 涂层刀具的种类 根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢 涂层刀具等。根据涂层工艺方法的不同，涂层刀具可分为化学气相沉淀( c v d ) 涂层刀具和物理气相沉淀( p v d ) 涂层刀具，近年来出现了c v d 和p v d 相结合的 涂层方法；硬质合金涂层刀具一般采用化学气相沉淀法，沉积温度在1 0 0 0o c 左 右，高速钢涂层刀具一般采用物理气相沉积法，沉积温度在5 0 0 o c 左右。根据 涂层材料的性质又可分为两大类，即：“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具；“硬”涂层 刀具追求的主要目标是高的硬度和耐磨性，主要优点是硬度高、耐磨性好，典型 的有t i c 、t i n 、t i n c 及t i a l n 涂层【1 2 】，近几年，出现了超硬材料涂层，如金 刚石、立方氮化硼c b n 、氮化碳( d c 3 n 4 ) 等，其显微硬度h v 能够超过5 0g p a ； “软”涂层刀具追求的主要目标是低摩擦系数，也称自润滑刀具，它与工件材料的 摩擦系数很低，可减少粘结，降低切削力和切削温度，典型的有m o s 2 、w s 2 、 t a s 2 和m o s t ( m o s 2 + 金属或化合物) 涂层。最近，由美国学者首先开发了纳米涂 层( n a n o c o a t i n g ) 刀具，这种涂层刀具可采用多种涂层材料的不同组合( 如：金属 金属、金属陶瓷、陶瓷陶瓷等) ，以满足不同的功能和性能要求。设计合理的纳 米涂层可使刀具材料具有优异的抗磨减磨和自润滑功能，适合于高速干切削。 就目前趋势来讲，新涂层的开发已朝着软硬搭配的方向发展，即在耐磨的硬 涂层上再沉积一层减摩的软涂层，以达到减摩而又耐磨的目的。 1 2 2 常用的涂层材料和涂层方式 第1 苹绪论 常用的涂层材料有碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、碳氮化物等，近年来 还发展了聚晶金刚石、立方氮化硼涂层等超硬涂层。涂层材料已由最初的t i c 和 t i n 涂层发展到复合多涂层，如：t i c 、t i n 、t i c t i c n t i n 、t i c a 1 2 0 3 、 t i c a 1 2 0 3 t i n 、t i a i n 、m o s 2 和m o s t 等及其组合。复合多涂层及其相关技术 的出现，使涂层既可提高与基体的结合强度又具有多种材料的综合性能 3 - 6 。现 在最新发展了t i n n b n 、t i n c n x 等多元复合薄膜材料，使涂层刀具的性能有了 很大提高【7 。1 0 】。表1 1 和表1 2 列出了常用的耐磨涂层材料和几种常用的涂层材 料的物理力学性能。 表1 - 1 常用的涂层材料 碳化物t i c 、h f c 、s i c 、z r c 、v c 、b 4 c 等 氮化物t i n 、v n 、t a n 、c r n 、z r n 、b n 、s i 3 n 4 等 氧化物a 1 2 0 3 、s i 0 2 、c r 2 0 3 、t i 0 2 、h i d 2 等 硼化物 t i b 2 、z r b 2 、n b b 2 、t a b 2 、w b 2 等 硫化物 m o s 2 、w s 2 、t a s 2 等 多层涂层t i c t i c n t i n 、t i c a 1 2 0 3 、t i c a 1 2 0 j r i n 等 其他t i c n 、t i a i n 、t i a i c n 、t i z r c n 、t i s i c n 等 表1 2 常用的涂层材料物理力学性能 硬度厚度粘结强度抗氧化温度 涂层 颜色与钢摩擦系数 ( g p a )( p m )( n )( ) m o s 2 绿灰o 5 1 5 0 1 54 0 0 c r n 银亮 1 8l 一40 37 0 0 t i b 2 亮灰色2 82 - 4 o 5 56 07 0 0 t i n 金黄色 1 9 52 - 40 69 04 5 0 t i ( c 舯黄色 2 82 4o 4 56 06 0 0 t i a l n 灰兰色3 62 - 40 7 6 08 5 0 t i a l c n 红紫 2 81 40 2 55 0 0 t i a l n + c 灰色 82 _ 40 26 08 5 0 a 1 1 1 n s i n紫兰4 5 l 一4 0 4 51 1 0 0 选择涂层和基体时，除了应满足涂层硬度高、耐磨性好、稳定性好，基体强 山东大学硕士论文 度、韧性好等各自的要求外，还要求涂层和基体的力学化学性能相匹配，如化学 成分要与涂层材料相匹配，相互之间粘结牢固，其热膨胀系数要与涂层材料相匹 配等要求。因此，为了获得良好的使用性能，对于不同的涂层材料应使用相匹配 的基体。 常用的刀具涂层方式有单涂层、多涂层、梯度涂层、软硬复合涂层、纳米 涂层或具有中间过渡层等方式。 1 2 3 涂层刀具的性能特点 涂层刀具有下列性能特点： ( 1 ) 力学和切削性能好：涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性结合起 来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和 低摩擦系数。因此，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具可提高2 倍以上，并允许 有较高的进给量。与未涂层刀具相比，涂层刀具的寿命可提高2 5 倍。 ( 2 ) 通用性强：涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以 代替数种无涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具管 理，降低刀具和设备成本。 ( 3 ) 涂层刀具寿命与涂层厚度有关：若以后刀面磨损为基准，随涂层厚度的 增加刀具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和，刀具寿命不再明显增加；但如 果以前刀面月牙洼深度为刀具寿命的基准，则刀具寿命与涂层厚度成正比，未发 现饱和现象。涂层太厚时易引起剥离；涂层太薄时，则耐磨性能差，不能有效地 保护基体，不同的涂层物质有其最佳涂层厚度。 ( 4 ) 重磨性：涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长、 刀具成本相对较高，主要用于刚性较高的数控机床。 ( 5 ) 涂层材料：不同涂层材料的刀具，切削性能不一样。低速切削时t i c 占 有优势；高速切削时t i n 较合适；t i a l n 、t i c n 、t t a i c n 、h f n 和舢2 0 3 涂层的 热化学稳定性比t i n 更高，适合在更高的切削速度下工作【1 1 。 1 2 4 涂层刀具的切削机理 关于涂层硬质合金刀具的综合优越切削性能，从切削机理上进行归纳分析， 具有以下原因： 4 第1 章绪论 ( 1 ) 涂层的耐磨屏障作用常用作涂层材料的物质都具有硬度高、导热系 数小、耐热性好、形成自由能低等特点。涂层材料的硬度高，可在刀屑、刀工 界面起到应力屏障作用，避免切屑或工件上的硬质点直接与刀具表面发生摩擦磨 损作用。涂层的导热系数小，可防止切削热大量传入刀体，从而起到热屏障保护 作用，而涂层本身的耐热性好，可保证刀具在较高温度下切削。涂层材料的自由 能低，则化学性质稳定，不易分解和扩散，且可有效防止环境介质对刀面的化学 侵蚀作用，从而起到化学扩散屏障的作用，因此涂层不仅可以使刀具表面抗磨粒 磨损、化学磨损的能力大大增强，而且对刀具基体也起到有效的保护作用。 ( 2 ) 涂层与基体的匹配作用涂层刀具的基体是保持刀具的整体强度、支 撑涂层材料及形成刀具刃形和槽型的基础。因此，虽然基体材料不与工件和切屑 接触，但它对刀具整体性能( 如强度、刚度) 起到很重要的间接作用，为了保证涂 层与基体之间的良好匹配，应从它们的强度、硬度、弹性模量、热膨胀系数乃至 结晶组织结构等多方面综合的考虑它们的相互作用关系。为此，新型涂层硬质合 金牌号大都采用特制的基体【l l 】。 ( 3 ) 堤岸作用在后涂型刀具上，当刃口处的涂层被磨掉或剥落而使基体 裸露后，在磨损区域边界上的涂层有如堤防，限制了边界附近裸露基体的表面物 质随切屑的流动，同时限制了磨损区域的扩大，称作堤岸作用。由于前刃面无涂 层，使得刀具的抗月牙洼磨损及弹塑性变形的能力小于全涂型刀具，但优于不涂 层刀具【1 2 1 。 1 3z r n 涂层的研究现状 1 3 1z r n 材料的物理力学性能 z r n 呈金黄色，分子量= 1 0 5 2 3 ，含z r 约8 6 6 9 ，含n 约1 3 3 1 ，晶体结 构为面心立方晶格，晶格常数4 5 9a ；室温时电阻率为1 6 0 微欧厘米；比热随 温度的变化而变化，在2 0 0 时约为2 0 0c a l g k ；其它物理机械性能详见表1 - 4 。 z r n 是一种难熔硬质化合物，做成硬质薄膜，有很好的摩擦性能，在保护基 体材料韧性不变的情况下有相当高的表面硬度及优良的结合性。颜色呈金黄色， 它分解温度高，化学稳定性好，所以具有良好的耐高温、耐腐蚀、耐摩擦及抗紫 山东大学硕士论文 外线辐射等性能，是良好的高温结构材料、装饰材料、超硬工具材料及表面保护 材料。 表1 4z r n 的物理力学性能 弹性模量熔点密度热膨胀系数导热系数硬度 性能泊松比 ( g p a ) ( )( k g m 3 )( 1 0 6 k )( w m k )( c p a ) z r n 5 l o2 9 8 27 3 2 07 20 1 61 6 7 32 8 3 2 1 3 2z r n 涂层的制备方法和应用领域 z r n 涂层的制备方法主要是物理气相沉积法( p v d ) ，具体讲，目前主要有以 下几种方法，即磁控溅射沉积( m a g n e t r o ns p u t t e r i n gd e p o s i t i o n ) 、脉冲激光沉积 ( p l d ) 、微弧氧化沉积( m i c r o a r co x i d a t i o nd e p o s i t i o n ) 、电子束物理气相沉积 ( e b - p v d ) 、磁过滤真空电弧沉积( m a g n e t i cf i l t e rv a c u u mc a t h o d i ca r cd e p o s i t i o n ) 及离子辅助沉积( i a d ) 。在以上制备工艺中，电弧离子镀以其较高的膜层致密度、 较好的附着强度、耐久性、离化率高及沉积速度快等优点得到了广泛的应用【1 3 7 1 。 因此本课题所用的刀具是采用电弧离子镀工艺与脉冲偏压、离子束辅助沉积相结 合制备的z r n 涂层刀具。 z r n 以其优良的性能得到较为广泛的应用。由于硬度耐磨性较高，在汽车发 动机活塞、航空发动机涡轮叶片上镀制一层z r n 薄膜【1 8 】，可以使其耐磨性大幅 提高，延长使用寿命；由于其优良的电传导性能，在电子工业中可作为电接触层； 由于其优良的耐腐蚀性能和高温耐冲刷性能，z r n 涂层可应用到钛合金表面涂层 和核工业领域；由于其漂亮的金黄色、在可见光的红外端接近紫外光、有高的反 射系数，在珠宝行业中用来做装饰膜；由于其低摩擦系数和良好的滑动性能，作 为复合层，应用于摩擦学中。 1 3 3z r n 涂层的研究现状 从上世纪6 0 年代开始，西方国家以改善高速钢的切削性能和使用寿命为目 的，对同处族的t i 、z r 的碳化物和氮化物作为耐磨涂层的性能进行了较为细 致的研究。随着气相沉积技术的发展，采用反应镀的方法沉积氮化物涂层，极大 改善了涂层与基体的结合力，使耐磨硬质材料涂层一举在工程上应用成功，并在 随后的时间里将其应用领域不断扩展。上世纪8 0 年代初，国外在涂层耐磨性能 第1 章绪论 的研究上逐渐取得了一些研究成果，研究表明【1 9 1 ：z r n 涂层的显微硬度值高达约 4 0 0m p a ( o 2 5n 载荷) ，有极好的附着力，划痕实验临界载荷可达8 0n ；耐磨试 验显示镀了t i n 涂层和z r n 涂层的钻头用于合金钢板时比普通钻头有所提高。 采用t i 合金板时后者比前者的寿命还要高出1 倍多。采用扫描电镜对涂层的微 观结构分析，结果显示整个涂层都是非常致密的，无任何晶间孔隙存在，涂层厚 度均匀一致，其差值不超过5 。上世纪8 0 年代末国内外工作者对z r n 优良的 耐蚀性能产生了很大兴趣，并同广泛使用的t i n 进行了比较。结果表明z r n 涂 层不但有很强的抗高浓度强酸的能力，而且还有优良的抗磨、减摩性能。对z r n 和t i n 进行的腐蚀实验表明z r n 比t i n 更耐蚀。 以色列的v n z h i t o m i r s k y 等 2 0 1 人研究了用多弧离子镀，以i s o k 2 5 硬质合 金材料为基体的z r n 和z r n 基t i n 亿r n 、z r n f r i n 涂层，发现z r n 属n a c l 型结 构，其微观结构主要是( 1 1 1 ) 晶向的柱状晶粒结构，尽管在膜基结合面处偶然会 有其它取向结构的晶粒出现。哥伦比亚的d f a r i a s 等【2 l 】人以不锈钢为基体，涂 制了t i n 、z r n 和t i n z r n 涂层，并通过横向力显微镜发现z r n 比t i n 有更低 的摩擦系数。k a c r u s s ，t z h e l e v a 2 2 等利用阴极电弧沉积工艺在t i 基体上制 备z r n 涂层刀具，硬度达到2 7 6 5g p a ，厚度为4 5p m ，并指出z r n 涂层与基体 之间的高残余应力来源于高的基体负偏压和高能量z r 离子的轰击，并受基体材 料的物理性能影响较大，添加过渡层可以降低残余应力。c j t a v e r e s ，l r e b o u t a , s u l r i c h a 2 3 之q 等用直流反应磁控溅射工艺制备了t i n z r n 复合多层涂层，硬度 达到2 0 2 6g p a ，结合力达到3 0 8 5n ，并指出涂层界面之间的粗糙度、涂层的 调制周期对多层涂层性能产生很大的影响。c h e n g s 1 l ic h e n 2 7 对用直流反应磁控 溅射方法制备z r n 涂层时偏压对涂层性能的影响进行了研究，指出正偏压可提 高涂层的硬度和弹性模量，而负偏压可提高涂层大硬度和致密度。j i eg u 、g a r y b z r b e r 等【2 8 】将z r n 涂层应用于高速切削刀具，通过切削试验表明z r n 涂层能有 效降低刀具的磨损，提高工件的切削质量。 1 9 9 7 年，武汉大学教授吴大伟【2 9 】等研究了直流反应磁控法沉积z r n 涂层， 控制生长工艺，在硅片上获得了z r n ( 1 1 1 ) 晶向的外延膜，涂层分析认为存在压n 和z r 2 n 。胡莉莉【3 0 】等采用直流溅射法在玻璃基体上沉积了z r n 涂层，发现了氮 气分量对z r n 涂层的晶面取向有重要影响，当n 2 分量为1 2 2 4 的范围内， 涂层结晶为氯化钠简单立方晶格，垂直于基体平面沿( 1 1 1 ) 优化取向生长。当n 2 7 山东大学硕十论文 分量大于2 5 的范围内，涂层结晶为不定形结构。刘天伟【3 1 1 利用微波b c r 等离 子体辅助法在4 5 # 钢上制备了z r n 薄膜，发现随着氮气流量的增加，薄膜的结构 由单一的z r n 向z r n 和z r n x 的复合结构转变。黄美东、李成畦j 3 2 - 3 3 1 等也对z 树 进行了研究，研究表明涂层性能受工艺参数的影响较大，在一定范围内，随偏压 的增大，涂层的硬度呈现增大的趋势。许兰萍| 3 4 1 研究发现z r n 涂层具有优良的 抗磨、减摩性能，较好的耐蚀性。刘丽红【3 5 】研究发现真空度和基体偏压对z r n 涂层的显微硬度和膜基结合力有重要影响。 1 4 涂层刀具的切削性能研究 研究刀具的最终目的是用于切削加工工件，提高加工效率和表面质量。对于 一种新的涂层刀具，研究其切削常用工件材料和难加工材料时的各项性能，如切 削力、切削温度、表面粗糙度、刀具寿命及磨损破损机理等是非常重要的，这样 不仅可以找出其合适加工的工件材料和切削参数，也对涂层刀具的进一步改进有 着重要的参考价值。 目前最常用的涂层有t i c 、t i n 、t i c n 及t i a l n 等涂层，它们都具有硬度较 高、摩擦系数小、化学性能稳定等特点。 0 20 40 60 81 2 背吃刀量口p ( 删 1 1 ) 图1 - 1 切向力f z 随切削深度的变化对比f f = o 3m m r ，i , = 1 3 5n d m i n ) 图1 1 为三种刀具切向力f z 随背吃刀量的变化对比，一种是z p 2 5 硬质合金 刀具，另两种是以z p 2 5 为基体、采用p v d 法镀制的t i n 和t i c n 涂层刀具，刀 8 0 0 0 o 0 0 0 o 0 o o o 8 6 4 2 l ， ( n i r 暹零 第1 章绪论 具型号为d n m g l 5 0 6 0 8 2 5 ，刀具角度见表1 5 。工件材料为4 2 c r m o ，调质处理， 硬度h r c3 4 ，所用机床为c a 6 1 4 0 t 3 6 1 。 表1 5 刀具工作时的几何角度 前角主后角副后角主偏角副偏角刃倾角刀尖圆弧半径 y o o , oa ，o1 白thr 。 1 2 03 03 09 0 。3 5 07 00 8 m m 有图可见，涂层刀具和未涂层刀具随背吃刀量的变化趋势基本类似，即随背 吃刀量的增大而线性增大，但涂层硬质合金刀具的切削力要小于未涂层刀具。 图1 2 为t i n 涂层硬质合金刀具与y t l 5 普通硬质合金刀具在同一条件下的 后刀面磨损随切削时间的关系对比。工件材料为典型的难加工材料奥氏体高锰 钢，尺寸为0 6 5 x 3 0 0 ，主要合金成分为：1 0 5 1 0 9 c ，1 2 2 1 2 6 m n ， 0 7 o 9 s i ：所用机床为c 6 2 0 3 普通车床，干切削。由图可见切削奥氏体高 锰钢时，t i n 硬质合金涂层刀具的耐磨性明显优于普通的硬质合金刀具p 。 1 22 54 05 06 5 t ( m i n ) 图1 - 2 不同刀具后刀面磨损随切削时间的变化x 寸t g ( r - - o 3m m r ，v = 4 2m r a i n ，a p = 0 5m m ) 表1 6 不同铣刀铣削槽的总长度( m m ) 主轴转速( r m i n ) 6 0 0l1 8 01 5 0 01 8 0 0 无涂层铣刀 8 0 51 0 3 91 7 4 11 2 9 6 t i n 涂层铣刀 8 6 7 24 0 6 41 3 0 9 01 4 7 4 7 相对寿命1 0 7 73 9 l 7 5 2l1 3 8 9 6 5 4 3 2 1 o o o o o o o 雪蜀u j a 八 山东大学硕士论文 表1 - 6 为t i n 涂层铣刀和无涂层铣刀在同一条件下的铣削槽的总长度对比， 进给量为0 1 3m m r ，铣削深度为2i t l n l ，干切削。工件材料为4 0 c r 钢，调质处 理后硬度为h r c3 6 4 0 ，所用机床型号为x k 5 0 3 2 数控立式升降台铣床。由表可 看出，有t i n 涂层的铣刀的寿命约是无涂层铣刀的3 至1 1 倍，且涂层硬质合金 铣刀要在适当的切削速度下才能更好的发挥刀具的寿命【3 8 】。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题的研究对象为d z 型( z r n + 硬质合金基体) 、g z z 型( z r n z r + 硬质合金 基体) 和f z t 型( z r n t i n z r + 硬质合金基体) - _ - - 种z r n 涂层刀具。 本课题的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析试验参数( 切削速度、背吃刀量等) 对z r n 系列涂层硬质合金刀具的 切削力、切削温度和表面粗糙度的影响，并与无涂层的y t l 5 硬质合金刀具和 c n 2 5 涂层刀具作对比研究，找出其规律，并建立经验公式。 ( 2 ) 利用有限元分析软件对z r n 涂层刀具的切削过程进行模拟仿真，得出切 削温度、切削力及刀具应力等参数，并与无涂层的y t l 5 刀具做对比分析。 ( 3 ) 分析z r n 系列涂层硬质合金刀具切削4 5 # 和4 0 c r 淬火钢时的磨损特征及 机理，并与无涂层的y t l 5 刀具和c n 2 5 涂层刀具作对比研究，得到z r n 系列涂 层硬质合金刀具的磨损、破损特征及机理。 1 0 第2 章z r n 涂层刀具切削性能的试验研究 第2 章z r n 涂层刀具切削性能的试验研究 刀具的切削性能是检验刀具性能的重要方式。从第一章可知z r n 涂层刀具 具有较好的物理和力学性能，但从研究刀具的最终目的看，对其进行实际的切削 试验、总结其加工规律极其重要。本章通过试切削验研究z r n 涂层刀具应用于 难加工材料时的各项性能，包括切削力、切削温度及表面粗糙度，并与无涂层的 y t l 5 硬质合金刀具和c n 2 5 涂层刀具进行对比，总结其加工规律，找出合适的 切削参数。 2 1 试验条件 机床：c a 6 1 4 0 型普通车床。 刀具：自制z r n 系列涂层刀具、c n 2 5 涂层刀具和y t l 5 硬质合金刀具，刀 具型号为4 1 6 0 5 a 可转位车刀。刀具的主要成分和性能见表2 1 、2 - 2 ，刀具几何 角度见表2 3 ，自制z r n 涂层刀具实物照片见图2 1 ，涂层刀具结构示意图见图 2 2 ，横截面照片见图2 - 3 。 表2 1 试验刀具的主要成分和性能 刀具名称基体涂层成分 硬度( g p a )结合力( 厚度( 岬) d zz r n2 86 54 2 g z zy t l 5z 订“z r2 77 2 65 4 f z t z 撼r 砥n l 办 2 6 6 7 3 53 c n 2 5y w 2t i c 门n c n 门r i n 2 7 7 04 9 y t l 5y t l 5 无 1 6 5 表2 - 2y t l 5 硬质合金材料性能 化学成分抗弯强度断裂韧度密度 热膨胀 ( w t 煳( g p a )( m p am 1 尼)( k g m 3 ) 系数 导热系数 ( 1 0 击k ) ( w m k ) w c + 1 5 t i c + 6 c o1 1 51 2 01 1 5 0 06 5 l3 3 4 7 表2 - 3 刀具几何角度 i 儿何参数前角后角 主偏角 刃倾角倒棱角倒棱宽刀尖圆弧半径 人小 15 08 。7 5 。4 。0 0o2 m m05 m m ( a ) d z( b ) g z z( c ) f z t 幽2 一lz r n 涂层刀具实物照片 团一邑! 垦璺 匪习悭s u b s t r = a t c 匿j ( b ) d z 图2 2 涂层刀具结构示意图 ( c ) g z z ( a ) d z( b ) g z z 幽2 - 3z r n 涂层刀具横截面s e m 照片 第2 章z r n 涂层刀贝切削性能的试验研究 工件材料：4 5 # 钢，硬度分别为h r c4 0 - 4 2 和h r c3 4 3 7 ；4 0 c r 钢，硬度分 别为h r c4 5 5 0 和h r c3 9 4 3 ；长度及直径均分别为4 0 0m m ，1 0 0m m ，棒料。 试验设备：切削力的测量采用重庆迪佳科技公司的车铣磨通用测力仪完成， 本仪器包括压电式测力仪，d j c l 1 型三向力电荷高精度线性放大器和数据采集 系统三部分，连接装置如图2 - 4 、2 - 5 所示。 图2 4 测力仪的连接 图2 5 测力试验现场照片 工件表面羊h 糙度r 。由时代t r 2 0 0 于持式粗糙度仪测得，如图2 - 6 所示。 测量工件表面粗糙度时，将传感器放在工件被测表面上，由仪器内部的驱动 机构带动传感器沿被测表面做等速滑行，传感器通过内置的锐利触针感受被测表 面的粗糙度，此时工件被测表面的粗糙度引起触针产生位移，该位移使传感器电 感线圈的电感量发生变化，从而在项敏整流器的输出端产生与被测表面粗糙度成 比例的模拟信号，该信号进过放大及电平转换之后进入数据采集系统，d s p 芯片 将采集的数据进行数字滤波和参数计算，测量结果在液晶显示器上读出。 图2 - 6 测量粗糙度r 。试验现场照片 幽2 7t h 5 1 0 4 红外热像仪的连接 图2 8 测温试验现场照片 第2 章z r n 涂层刀具切削性能的试验研究 切削温度由n e c 的t h 5 1 0 4 红外热像仪测得。t h 5 1 0 4 红外热像仪是一种便 携式，非触摸式的高灵敏度红外热像仪，它能对被测物辐射的红外能量进行光学 扫描，并将光学扫描所得到的温度信号转换成二维的数据信号，进而得到温度分 布图。从探测器反馈的模拟信号进入控制器，在l c d 监测器上显示彩色或黑白 的温度分布图。连接装置及现场照片如图2 7 ，2 8 所示。 刀具后刀面磨损量b ) 由j c d 2 型读数显微镜测得。 2 2 切削力的试验研究 2 2 1 切削力 图2 - 9 ( a ) 、( c ) 分别为z r n 涂层刀具与y t l 5 刀具切削4 5 # 钢( h r c4 0 - 4 2 ) 善 芷 霎 祀 尽 斗h 1 6 0 1 3 0 1 0 0 7 0 4 0 喜6 。 詹 暴4 0 6 01 1 01 6 02 1 02 6 03 1 03 6 0 速度v ( m r a i n ) ( a ) 6 011 01 6 02 1 0 2 6 0 3 1 0 3 6 0 速度，( m r a i n ) ( b ) 6 01 1 01 6 02 1 02 6 0 3 1 03 6 0 速度v ( m m i n ) ( c ) 图2 - 9 切削4 5 # 钢( h r c4 m 4 2 ) 时切削力随切削速度的变化( r - - - o 1m m r ，q 旷司4m m ) o o o o o 筋 加 ：2 m 5 一z兽迥 山东大学硕士论文 时主切削力f z 、径向