（机械电子工程专业论文）涂层硬质合金刀具切削性能研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 涂层硬质合会刀具以其高硬度、高耐磨性、良好的化学稳定性和高的通用性等特点， 广泛地应用于金属切削加工领域，是当前世界各国重点研究开发的刀具之一。与国外相 比，国内对涂层硬质合金刀具的研究和使用还有一定的差距，特别是对m t t i c n 和t i a i n 涂层硬质合金刀具切削性能的研究还很少。为了探询国内与国际最先进涂层硬质合金刀 具之间的差距和研究m t t i c n 与t i a l n 涂层硬质合金刀具之间的性能差异，本文以四种 涂层硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢i c r l 8 n i 9 t i 为实验，对此进行了较为深入的研究。 首先，通过切削力实验研究了切削用量对切削力的影响，并对四种刀具的切削力进 行了对比分析。实验结果及分析表明，在采用小进给量、小切削深度切削时，出现了径 向力大于主切削力的现象；随着切削速度的增加，g c 2 0 2 5 和y b c 2 5 1 刀具的切削力先 减小后增大，而g c l 0 2 5 和y b m 2 5 2 刀具的切削力是一直减小的；国外同类型涂层硬质 合金刀具的切削力较小。 其次，依掘表面粗糙度的正交实验，分析了加工参数对奥氏体不锈钢工件表面粗糙 度的影响，结果表明，对加工工件表面粗糙度影响最大的因素是进给量f 而刀片类型、 切削速度v 、切削深度和干湿切削条件对试验结果的影响依次减弱。随后，研究了切削 用量对变形系数的影响和切屑的微观形貌，分析表明：切削速度和进给量对变形系数影 响较大，切削深度的变化对变形系数影响不大；奥氏体不锈钢切屑的微观形态一边是锯 齿形状，另一边是光滑带状，而且锯齿形是不对称豹。 最后，分析了四种涂层硬质合金刀具的寿命及磨损形态，深入研究了涂层硬质合金 刀具的磨损原因，并分析了两种m t - c v d 涂层刀具显微结构的差异。实验结果及分析 显示：p v d 工艺的y b m 2 5 2 刀具寿命显著高于c v d 工艺的y b c 2 5 1 刀具，而国外产 g c 2 0 2 5 和g c l 0 2 5 刀具的切削寿命都显著高于国内产的y b c 2 5 1 和y b m 2 5 2 刀具； g c 2 0 2 5 刀具采用了交替涂覆的多层涂层和富c o 的梯度结构硬质合金基体，而y b c 2 5 1 刀具采用的是传统的多层涂层技术和均质硬质合金基体。 关键词：涂层硬质合金刀具；奥氏体不锈钢；切削力；磨损；表面粗糙度 涂层硬质合金刀具切削性能研究 s t u d y o nc u t t i n gp e r f o r m a n c eo f c o a t e dc e m e n t e dc a r b i d et o o l s a b s t r a e t b e c a u s eo fi t sh i g hh a r d n e s s ，g o o dw e a rr e s i s t a n c e ，e x c e l l e n tt h e r m a ls t a b i l i t ya n d a p p l i c a b i l i t y , t h ec o a t e dc e m e n t e dc a r b i d et o o li sn o ww i d e l yu s e di nm e t a l c u t t i n ga r e aa n d b e c o m i n go n eo ft h em o s ti d e a lc u t t i n gt o o l st or e s e a r c ha n dd e v e l o pa r o u n dt h ew o r l d c o m p a r e dt oo t h e rc o u n t r i e s ，t h er e s e a r c ha b o u tc o a t e dc e m e n t e dc a r b i d ec u t t i n gt o o ls t i l l s t a y sa tar e l a t i v e l yl o wl e v e li nc h i n a , e s p e c i a l l y , t h er e s e a r c ho nc u t t i n gp e r f o r m a n c eo f m t - c v da n dt i a i nc o a t i n gc e m e n t e dc a r b i d ei n s e r t si sr a r et os e ei nt h ec u r r e n tl i t e r a t u r e i n o r d e rt oh a v eab e t t e ru n d e r s t a n d i n ga b o u td i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e s et w ok i n d so f c o a t i n ga n d t oe s t i m a t et h es h o r t a g eb e t w e e nh o m e m a d ea n di m p o r t e dc o a t e di n s e r t s ，as e r i e so f c o m p a r i s o ne x p e r i m e n t sw i t ht h e1 c r l 8 n i 9 t ia u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lw o r k p i e c ew e r e c a r r i e do u t ，u s i n g4 t y p e so f i n s e r t sh o m ea n da b r o a d f i r s t l y , t h ee f f e c t so fc u t t i n gp a r a m e t e r so nc u t t i n gf o r c e sw e r es t u d i e d ，a n dt h ec u t t i n g f o r c e so ft h ei n s e r t sw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er a d i a lc u t t i n gf o r c ew a s h i g h e rt h a nt h em a i nc u t t i n gf o r c ea tl o w e rf e e d r a t ea n dc u t t i n gd e p t h ；a n dw i t i lt h e i n c r e a s i n go fc u t t i n gs p e e d ，t h ec u t t i n g f o r c e si n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw h e n g c 2 0 2 5a n dy b c 2 5 1i n s e r t sw e r eu s e d w h i l et h ec u t t i n gf o r c e so fg c l 0 2 5a n dy b m 2 5 2 i n s e r t sj u s td e c l i n e da l o n gw i t ht h ec u t t i n gc o u r s e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ec u t t i n gf o r c e so f i m p o r t e di n s e r t sw e r er e l a t i v e l yl o w e rt h a nt h a to fh o m e r n a d eo n e sc o a t e dw i t ht h es a m e m a t e r i a l s s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n to fc u t t i n ga u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，t h e i n f l u e n c eo fc u t t i n gp a r a m e t e r so ns u r f a c er o u g h n e s so ft h ew o r k p i e c ew a sa n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef e e d i n gr a t ew a st h em o s tr e m a r k a b l ei n f l u e n c cf a c t o ra n dt h ee f f e c to f i n s e r tt y p e ，c u t t i n gs p e e d ，c u t t i n gd e p t ha n dc u t t i n gf l u i dd e c l i n e di ns u c c e s s i o n s u b s e q u e n t l y , t h ei n f l u e n c eo fc u t t i n gp a r a m e t e r so nt h ed e f o r m a t i o nr a t ea n dt h em i c r o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c o fc h i p sw e r ea l s oa n a l y z e d i tw a sr e v e a l e dt h a t ，t h ec u t t i n gs p e e da n dt h ef e e dr a t eg r e a t l y a f f e c t e dt h ed e f o r m a t i o nr a t e ，w h i l et h ec u t t i n gd e p t hh a da l li u s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ni t a n d i tw a sf o u n dt h a to n es i d eo ft h ec h i p s m i c r o s c o p i ca p p e a r a n c ew a ss e r r a t e ds t r u c t u r e ；w h i l e t h eo t h e rs i d ew a ss m o o t hb a n d e db u ta s y m m e t r ys t r u c t u r e i nt h ee n d t o o ll i r ea n da b r a s i o no ft h ef o u rt y p e so fi n s e r t s a sw e l la st h e i rw e a r m e c h a n i s m ，w e r ea n a l y z e d a n dt h em i c r o s t r u c t u r ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt w ok i n d so f m t - c v dc o a t e di n s e r t sw e r ea l s os t u d i e d c o n c l u s i o n sw e r e 出a w na sf o l l o w i n gy b m 2 5 2 i n s e r tw h i c hh a sp v dc o a t i n ge n j o y e dam u c hl o n g e rc u t t i n gl i f et h a ny b c 2 5 1 b yc v d i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 m e t h o dc o a t e d ，a n dt h ei m p o r t e di n s e r t sg c 2 0 2 5a n dg c l 0 2 5h a v ear e m a r k a b l el o n g e r c u t t i n g l i f et h a nh o m e m a d ei n s e r t sy b c 2 51a n dy b m 2 5 2 m o r e o v e r , g c 2 0 2 5h a v ea m u l t i l a y e rc o a t i n ga n dt h eg r a d i e n tc e m e n t e dc a r b i d es u b s t r a t er i c hi nc o ，w h i l ey b c 2 5 1 a d o p tt r a d i t i o n a l l ym u l t i l a y e rt e c h n o l o g yo nt h en o r m a lc e m e n t e dc a r b i d es u b s t r a t e ， k e yw o r d s ：c o a t e dc e m e n t e dc a r b i d ec u t t i n gt o o l s ；a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ；c u t t i n gf o r c e ； w e a r ；s u r f a c er o u g h n e s s i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：垄兰差 日期：2 竺丝：z ：z 火连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工 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，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：孑f 经作者签名： 兰。f ：三兰： 导师签名 型z 年l 月二日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 随着机床制造业的发展，数控机床和, h i 中心的加工能力获得极大提高，并不断向 高速度、高效率加工发展，从而对刀具提出了更高的要求【l 】。硬质合金刀具表面涂层技 术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术，有效地解决了刀具材料的硬 度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾，可以更有效地提高切削刀具的使用寿命，使刀具 获得优良的综合机械性能，大幅度提高机械加工效率【2 】，是国内外公认的实现高速切削、 干切削技术的理想刀具材料。 1 1 涂层硬质合金刀具 1 1 1国内外硬质合金刀具涂层技术的发展 硬质合金刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积( c v d ) 技术和物理气相沉积 ( p v d ) 两大类，下面分别叙述： ( 1 ) 化学气相沉积技术的发展 化学气相沉积( c v d ) 技术是硬质合金领域的一个重要技术突破，它借助一种或几种 含有涂层元素的化合物或单质气体在放置有基材的反应室里的气相作用或在基材表面 的化学反应而形成涂层，常见的c v d 技术是以含有c n 的有机物乙氰( c h 3 c n ) 作为 主要反应气体，与t i c l 4 、h 2 、1 , 1 2 在7 0 0 9 0 0 下产生分解、化学反应生成t i c n p j 。 2 0 世纪6 0 年代以来，c v d 技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。8 0 年代末，k r u p p w i d i a 开发的低温化学气相沉积( p c v d ) 技术达到了实用水平，其工艺处 理温度已降至4 5 0 。6 5 0 ，有效控制了t i 相的产生，可用于螺丝刀具、铣刀、模具的t i n 、 t i c n 、t i c 等涂层，但迄今为止，p c v d 工艺在刀具涂层领域的应用并不广泛。9 0 年代 中期，中温化学气相沉积( m t - c v d ) 新技术的出现使c v d 技术发生了革命性的变革。 采用m t - c v d 技术可以获得致密纤维状结晶形态的涂层，这种涂层结构具有极高的耐 磨性、抗热震性和韧性，可适于在高温、高速、大负荷、干切削条件下使用，其使用寿 命可以比普通涂层硬质合金刀片提高一倍左右。 我国从2 0 世纪7 0 年代初开始研究c v d 涂层技术，由于该项技术专用性较强，国 内从事研究的单位不多。8 0 年代中期，我国c v d 刀具涂层技术的开发达到实用化水平， 工艺技术水平与当时的国际水平相当，但在随后的十多年里发展较为缓慢。我国的低温 化学气相沉积( p c v d ) 技术的研究始于9 0 年代初，p c v d 技术主要用于模具涂层，目前 在切削刀具领域的应用也十分有限。9 0 年代末期，我国开始中温化学气相沉积( m t - c v d ) 技术的研发工作。 涂层硬质合金刀具切削性能研究 ( 2 ) p v d 技术的发展 p v d 技术出现于2 0 世纪7 0 年代末，由于其工艺处理温度可以控制在5 0 0 。c 以下， 因此可作为最终处理工艺用于高速钢类工具的涂层。由于采用p v d 技术可以大幅度提 高高速钢工具的切削性能，所以该技术自8 0 年代以来得到了迅速推广。工业发达国家 自9 0 年代初就丌始致力于硬质合金刀具p v d 涂层技术的研究，9 0 年代中期取得了突破 性进展，p v d 涂层技术已普遍应用于硬质合金铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝 锥、可转位铣刀片、异型刀具、焊接刀具等的涂层处理。 我国p v d 涂层技术的研发工作开始于8 0 年代初期，8 0 年代中期研制成功中小型空 心阴极离子镀膜机，并开发了高速钢刀具t i n 涂层工艺技术。9 0 年代末国内成功开发 出硬质合会t i n t i c n t i n 多元复合涂层工艺技术并达到实用水平。但与国际发展水平 相比，我国硬质合会刀具p v d 涂层技术仍落后十年左右。目前国外刀具p v d 涂层技术 已发展到第四代，而国内尚处于第二代水平，且仍以单层t i n 涂层为主f 2 】。 1 1 2 涂层硬质合金刀具的种类 涂层硬质合会刀具有多种分类方法，按照涂层方法不同，可分为化学气相沉积 ( c v d ) 涂层刀具和物理气相沉积( p v d ) 涂层刀具，根据涂层材料的性质，又可分为 “硬”涂层刀具和“软”涂层刀具两大类【4 1 。近些年来在涂层结构上有突破性发展，相 同的涂层成分、不同的结构形式，可以导致涂层刀具使用效果的截然不同，因此认识了 解涂层薄膜的结构形式，对于涂层技术的实际应用有着现实意义，下面重点介绍涂层结 构分类法睁l 。 ( 1 ) 单涂层 涂层由某一种化合物或固溶体薄膜构成，理论上讲在薄膜的纵向生长方向上涂层成 分是恒定的，这种结构的涂层可称之为普通涂层。联系涂层技术的发展历程，过去相当 长的时期内一直采用这种技术，其中包含众所周知t i c 、t i n 、t i c n 、t i a l n 等。随着 市场要求的不断提高，人们也愈加认识到这种涂层的局限性，无论是显微硬度、高温性 能、薄膜韧性等都难于大幅度提高，但这种涂层在市场中仍占有一定比例。 ( 2 ) 多层涂层 多层涂层由多种性能各异的薄膜叠加而成，每层膜化学组分基本恒定。常用的多层 涂层硬质合金为t i c t i n ，t i c t i c n t i n ，t i c n a 1 2 0 a - t i n ，t i a i n t i n 等。与单层涂层 相比，多层涂层可有效地改善涂层组织状况，抑制粗大晶粒组织的生长，此种涂层应用 最为广泛。 ( 3 ) 纳米多层涂层 这种结构的涂层与多层涂层类似，只是各层薄膜的尺寸为纳米数量级，又可称为超 大连理工大学硕士学位论文 显微结构( 见图1 1 ) 。理论研究证实在纳米调制周期内( 几纳米至几十纳米) ，与传统的单 层膜或普通多层膜相比，此类薄膜具有超硬度、超模量效应，其显微硬度超过4 0 g p a 是可以预期的，并且在相当高的温度下，薄膜仍可保留非常高的硬度。因此这类膜具有 良好的市场应用前景，其典型代表为a 1 n t i n 、a i n t i n c r n 涂层等。 ( 4 ) 纳米复合结构涂层 以( n c t i t 。a 1 。n ) ( a s i 3 n 4 ) 纳米复合相结构薄膜为例( 见图1 2 ) ，在强等离子体作用 下，纳米t i a i n 晶体被镶嵌在非晶态的s i 3 n 4 体内，当t i a i n 晶体尺寸小于1 0 n m 时， 位错增殖源难于启动，而非晶态相又可阻止晶体位错的迁移，即使在较高的应力下，位 错也不能穿越非晶念晶界。这种结构薄膜的硬度可以达到5 0 g p a 以上，并可保持相当优 异的韧性，且当温度达到9 0 0 1 1 0 0 时，其显微硬度仍可保持在3 0 g p a 以上；此外 这种薄膜同时可获得优异的表面质量，因此工业应用前景广阔 6 1 。 i 墨i1 1 纳米晶多层膜 f i g 1 1 t h en a n o - c r y s t a l l i n em u l t i - l a y e r 图1 2 纳米晶复合膜 f 皓1 2 t h en a n o - e r y s t a l l i n em i x e dl a y e r ( 5 ) 超硬涂层 金刚石涂层是新型刀具涂层材料之一。它利用低压化学气相沉积技术在硬质合金基 体上生长出一层由多晶组成的金刚石膜，金刚石膜具有优良的力学、热学、电学和光学 性能，其硬度达1 0 0g p a ，它主要用于n t 硅铝合金和铜合金等有色金属、玻璃纤维等 工程材料及硬质合会等材料6 l ，刀具寿命是普通硬质合金刀具的5 0 1 0 0 剧l 。由于金刚 石膜层存在热稳定性差的缺点，在使用上有一定局限性。故近年来以s p 2 结构为主的类 金刚石涂层d l c ( 也称为类石墨涂层) 亦开始了商业应用。d l c 硬度可达到2 0 - - 4 0g p a ， 但不存在与黑色会属起触媒效应的问题，其摩擦系数低又有很好的抗湿性，可用于加工 钢铁材料，假以时r ，这种新型的类金刚石涂层将会在切削领域得到广泛的应用i s 。 1 1 3 硬质合金刀具涂层的性能特点 不同涂层材料的刀具，其性能特点也是不同的，下面对应用最为广泛的m t - t i c n 涂层硬质合金刀具切削性能研究 涂层、a 1 2 0 3 涂层和t i a i n 涂层的性能特点进行论述。 ( 1 ) m t - t i c n 涂层 中温t i c n 涂层是采用中温化学气相沉积( m t - c v d ) 技术获得的，用c n 原子团的 有机化合物如c h 3 c n 、( c h 3 ) 3 n 、c h 3 ( n h ) 2 c h 3 、h c n 等为主要反应气体与t i c l 4 、h 2 、 n 2 在7 0 0 9 0 0 。c 温度下产生分解、化合反应，生成t i c n ，这种新型涂层组织结构致密 且呈柱状结晶【9 j ，如图1 3 所示，h t - t i c n 和m t - t i c n 涂层的显微结构形貌图。 m t - t i c n 涂层的外观颜色为深灰色或有金属光泽的灰色，其显微硬度 h v o0 5 = 2 5 0 0 0 3 0 0 0 0 n m m 2 ，与h t - t i c n 涂层相比较具有更好的耐磨性。对在8 0 0 以 上温度沉积于硬质合会基片上的m t - t i c n 涂层进行划痕试验，测得其附着力大于5 k g 。 在硬质合金基体上，m t o t i c n 涂层的残余应力为压应力，对于硬质合金基体，m t - t i c n 涂层的应力远小于h t - t i c n 涂层。由于m t - t i c n 涂层的成分和沉积速度与基体材料无 关，因此m t - c v d 工艺更适合于在易脱碳的基体材料上涂层( 如c o 含量高的w c c o 硬 质合会1 ，涂层与基体界面间不会发生脱碳反应，不会生成脆性1 1 一相i l o j 。 ( a ) h t - c v d 的t i c n 涂层( b ) m t - c v d 的t i c n 涂层 ( a ) t i c nc o a tm a d eb yh t - c v d( b ) t i c nc o a tm a d eb ym t - c v d 图1 3t i c n 涂层示意图 f i g 1 3 t h es k e t c hm a po f t i c nc o a t ( 2 ) a 1 2 0 3 涂层 化学气相沉积的a 1 2 0 3 涂层刀具的切削性能高于t i n 和t i c 涂层刀具，且切削速度 愈高，刀具耐用度提高的幅度也愈大。在高速范围切削钢件时，a 1 2 0 3 涂层在高温下硬 度降低幅度较t i c 涂层小，a 1 2 0 3 具有更好的化学稳定性和高温抗氧化能力，因此具有 更好的抗月牙洼磨损、抗后刀面磨损和抗刃口热塑性变形的能力，在高温下有较高的耐 用度。 第一代a 1 2 0 3 涂层切削刀具中，涂层常常是由a - a 1 2 0 3 和k - a 1 2 0 3 的混合物组成， 导致不均匀的涂层形貌，严重降低涂层性锹1 1 1 。过去的1 0 年里，在控制a - a 1 2 0 3 晶体成 大连理工大学硕士学位论文 核和细颗粒微观结构方面取得了很大进步。早期的a m 2 0 3 涂层( 图1 4 a ) 出现热裂纹并且 易碎，最近通过调节晶核表面的化学作用就可能完全控制并使a a 1 2 0 3 相成核，形成由 细颗粒a a 2 0 3 组成的涂层，避免了转化裂纹( 图1 4 b ) ，与早先技术得到的a - a 1 2 0 3 涂层 相比，表现出优异的韧性。 ( a ) 早期的a - a 1 2 0 3 涂层 ( b ) 现代的a - a 1 2 0 3 涂层 ( a ) e a r l y n - a 1 2 0 3 c o a t ( b ) m o d e m a - a 1 2 0 3 c o a t 图1 4 a - a 1 2 0 3 的微观结构 f i g 1 4 t h em i c r o c o s m i cc h a r a c t e r o f a - a 1 2 0 3 图1 5a 1 2 0 3 的p v d 涂层 f i g 1 5a 1 2 0 3c o a tb yp v d a 1 2 0 3 涂层的绝缘特性使物理气相沉积( p v d ) t 艺相当难于控制，且沉积速度很低， 如何能通过p v d 的方法制备a 1 2 0 3 涂层一直是刀具涂层业所关心的问题。在2 0 0 7 年中 国国际机床展览会上，w a l t e r a g 公司推出的t i g e r - t e e 系列铣削刀片( 图1 5 ) 就采用了这 一新的p v d 涂层技术。新的a h 0 3p v d 涂层采用了所谓的“t 模式沉积”复合涂层技 术( 基体+ t i a i n + a 1 2 0 3 ) ，具有沉积温度低，可使硬质合金刀片刃口获得较高韧性的优点， 特别是在铣削不锈钢或难加工材料时，与传统的p v d 涂层相比，其性能提高了2 钭1 2 1 。 ( 3 ) t i a l n 涂层 涂层硬质合金刀具切削性能研究 自1 9 8 5 年k n o t e k 等 1 3 , 1 4 】首次发表了关于t i a l n 涂层的研究成果后，人们便对其 优异的抗高温氧化能力和良好的使用性能表示了极大的关注，已经用多种p v d 方法成 功制备了t i a i n 膜。由于t i a i n 涂层的制备方法不尽相同，已见报道的t i a l n 涂层的 性能也有差异。 t i a i n 涂层颜色为紫黑色，晶体结构为细柱状面心立方结构，品格常数为4 1 7 a ， 其硬度为2 8 0 0 3 5 0 0 h v ，t i a l n 较高的耐磨性主要是由于其较低的摩擦系数以及与f e 极低的化学亲和力，红硬性好，在1 4 5 0 1 6 5 0 f 切削温度下不降低硬度【”1 。加工高合金 钢、不锈钢、钛合会、镍合金时，比t i n 涂层刀具寿命提高3 4 倍。在t i a i n 涂层中 有较高的a l 浓度，切削加工时涂层表面会生成一层极薄的非晶态a 1 2 0 3 ，从而形成硬 质惰性保护膜，是目前国内外高速切削加工中最为推崇的超硬涂层刀具【1 6 】。 1 1 4 涂层硬质合金刀具的应用现状 涂层硬质合会刀具已广泛地应用于车削、铣削、钻削、镗削、切断与切槽和螺纹切 削等切削领域，几乎可以高效地切削任何材料。据日本住友公司调查，经涂层后的刀具 寿命延长2 3 倍的占3 6 ，3 倍以上的占3 0 ，提高加工效率( 包括切削速度和进给速度) 的占1 9 。此外，它的通用性广，一种牌号的涂层硬质合金刀具常可胜任几个等级未涂 层刀片的切削工作，从而可简化刀具管理。瑞典山特维克可乐满公司切削刀具材料发展 部主任a n d e r st h e l i n 认为：“当今切削刀具材料，涂层刀具居于统治地位，没有别的已 知材料可以与之抗衡”。据统计，在一些工业发达国家，涂层刀具的使用量已占到刀具 总数的6 0 - - 7 0 ，美国在数控机床上使用的刀具8 0 0 一8 5 都是涂层刀具，瑞典和德国 车削用涂层刀片已占7 0 以上。在日本的硬质合金和陶瓷刀片生产总产量中，涂层刀片 所占比例超过4 0 。涂层刀具将是今后机械加工领域中的重要刀具品种，也是刀具技 术的一个重要发展方向1 1 7 q 9 。 1 2 奥氏体不锈钢的切却j j j n 工 1 2 1奥氏体不锈钢的应用及切削加工特点 奥氏体不锈钢具有强度高、耐热、耐腐蚀、适应温度范围宽、价格相对低廉等优点， 目前已广泛应用于航空航天、建筑业、化工行业、食品工业、医疗器械和海洋装置等众 多领域2 0 1 ，本实验选用的奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 是其中的典型代表。奥氏体不锈钢 1 c r l s n i 9 t i 与4 5 # 钢相比，其相对切削性为o 4 ，是一种难切削材料，在切削加工中具有 显著的特点【2 1 。2 5 1 。 ( i ) 加工硬化严重 大连理工大学硕士学位论文 奥氏体不锈钢的加工硬化现象严重，如1 c d 8 n i 9 t i 不锈钢硬化后的强度可达 1 4 7 0 - 1 9 6 0 m p a ，加工硬化层深度可达切削深度的l 3 或更大；硬化层的硬度比原来的提 高1 4 - 2 2 倍。这样就大大增加了切削时的摩擦、磨损和切削力，易使刀具磨损，并影 响工件的表面粗糙度。 ( 2 ) 切削力大 不锈钢的抗拉强度和硬度一般与中碳钢接近，但其高温强度和高温硬度比中碳钢要 高，一般钢材切削时，随着切削温度的升高其强度会明显降低( 如4 5 # 钢在5 0 0 。c 时， 其ob = 6 8 m p a ) ，切屑易被切离，而1 c d s n i 9 t i 在7 0 0 时仍不能降低其机械性能( 5 0 0 时的ob = 5 0 0 m p a ) ，故切屑不易被切离，切削过程中切削力大，刀具易磨损；不锈钢 的延伸率大，超过4 5 # 钢的1 5 倍以上，切削时塑性变形大，晶格严重扭曲，加工硬化 亦严重，所有这些因素都会使切削力增大。 ( 3 ) 切削温度高 虽然1 c d 8 n i 9 t i 的抗拉强度和硬度都不高，但其塑性和韧性好，综合性能很好，它 的延伸率、断面收缩率和冲击值都较高，1 c r l s n i 9 t i 的延伸率是4 0 ，切屑不易被切离、 卷曲和折断，切屑变形所消耗的功增多，如切除一定体积的1 c r l 8 n i 9 t i 所消耗的能量 比切除相同体积的低碳钢约高5 0 ，并且不锈钢的导热系数较低，大部分能量转化为热 能，使切削温度升高。大量的切削热大都集中在切削区和刀屑接触面上，散热条件差， 致使刀具的温度升高，加剧刀具磨损。在相同的条件下，ic d8 n i 9 t i 的切削温度比4 5 # 钢高2 0 0 左右。 ( 4 ) 切屑不易折断、易粘结 不锈钢的塑性、韧性都很好，车削时切屑不易断屑，使操作不顺利，切屑还可能会 擦伤己加工工件表面。 ( 5 ) 刀具易磨损 切削奥氏体不锈钢时切屑与前刀面的接触长度约为碳钢的6 5 7 0 ，在切削刃附近 造成应力集中，易使刀具发生崩刃，而且切削热也集中在切削刃附近，使切削温度升高， 刀具磨损加快，高的切削温度可使刀具和切屑间产生粘结、扩散，使刀具产生粘结磨损 和扩散磨损，严重的加工硬化及不锈钢中的许多微细的碳化物( 如t i c ) 颗粒，会进一 步加剧刀具的磨损。 ( 6 ) 表面质量和精度不易保证 低速切削奥氏体不锈钢时容易产生积屑瘤，且当前角较小时，切屑呈挤裂状，切削 速度的方向也有变形，这些都会使工件表面粗糙度值增大。而且由于切削温度很高，材 料的导热性又很差，工件极易产生热变形，精度不易保证。 涂层硬质合金刀具切削性能研究 1 2 2 常用的刀具材料 加工奥氏体不锈钢存在切削力大、加工硬化严重、难断屑、刀具磨损快等特点，生 产中常选用硬质合会、会属陶瓷、陶瓷和涂层硬质合金等刀具材料。 硬质合余刀具材料通常推荐使用y g 3 x 、y g 8 、y w l 、y w 2 a 、y w 3 等，这些 材料有较高的硬度( 7 4 h r c 8 2 h r c ) 、耐磨性和耐热性( 约8 5 0 c 1 0 0 0 c ) ，较高的强 度、韧性和导热系数，刀具的耐用度一般平均可比高速钢车刀提高1 0 1 5 倍【2 6 1 。 近年来t i c n 基会属陶瓷材料发展较快，其高温下的硬度和横向断裂强度更高，抗 氧化性能和高温抗蠕变能力更好并逐渐取代t i c 基金属陶瓷刀具，金属陶瓷刀具更适用 于不锈钢的精车、半精车f 2 ”。 陶瓷刀具与硬质合会刀具相比，虽然强度和韧性差，热导率低，承受冲击负荷的能 力差，但具有很高的硬度和耐磨性，良好的高温性能和化学稳定性，而且低的摩擦系数， 特别是良好的红硬性，即在1 0 0 0 的高温下仍能进行切削。因此，陶瓷刀具常适用于不 锈钢的高速切削【2 引。 随着涂层硬质合会刀具新技术的不断应用和成本的降低，而且涂层硬质合金刀具具 有表面硬度高、红硬性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性， 切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3 5 倍以上，提高切削速度2 0 - 7 0 ，提高加工精 度o 5 l 级，降低刀具消耗费用2 0 - 5 0 ，涂层硬质合金刀具已成为目前车削、铣削、 钻削加工奥氏体不锈钢的首选刀具材料。 1 3 本课题的研究现状 1 3 1涂层硬质合金刀具的千切削研究 涂层技术已成为干式切削加工的有效途径。涂层在干切削中主要起到以下两方面的 作用：一方面，它具有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，减弱了刀具基体的 热作用；另一方面，它能有效地改善切削过程的摩擦和粘附作用，降低切削热的生成p j 。 图仕捷等1 3 0 1 采用t i a i n 涂层硬质合金刀具干切削高合金不锈钢y 1 2 c r l 7 1 6 c r l 7 n i 3 的实验中发现：在含硫合金材料y 1 2 c r l 7 的加工中，各种冷却润滑方式之间刀具后刀 面磨痕宽度没有明显区别。而对于材料1 6 c r l 7 n i 3 ，近干切削的磨损值最小。因为在高 合金不锈钢1 6 c r l 7 n i 3 中起润滑作用的硫含量很低，所以刀具在车削中承受的机械和热 载荷非常高，因而减少刀具和工件之间的摩擦变得非常重要。微量润滑加工中润滑油雾 通过压缩空气直接喷射在切削刃上，较好地克服了刀刃与材料接触面之间的压力，渗透 到切削区，从而起到更好的润滑效果，极大地减少刀具和工件之间的摩擦。湿式加工中， 乳化剂的使用会增加磨损，因而其冷却作用对切削材料磨损的影响也被弱化。而且工件 大连理工大学硕士学位论文 表面粗糙度几乎不受冷却润滑形式的影响，通过选择适当的切削参数、切削材料以及涂 层，可以获得比传统湿式加工更小的刀具磨损和更好的表面加工质量。 1 3 2 涂层硬质合金刀具的磨损研究 随着涂层刀具使用范围的日益广泛，学术界也对涂层刀具的磨损破损形式及机理进 行了大量的研究。 t s a n n r o n gl i n 3 1 1 采用p v d 沉积t i n 涂层的商业硬质合金刀具s e m n l 2 0 3 a z 铣削 不锈钢时发现：刀刃破损是涂层刀具主要的破损形式。j u k k ap a r o 等【3 2 1 在用基体材料为 p 1 5 k 1 5 、c v d 沉积t i n 和a 1 2 0 3 涂层的硬质合金刀具车削x 5c r m n n1 81 8 不锈钢试 验中发现：刀具主要失效形式是刀尖和切削刃的破损，并指出这是由于高的应力和切削 力作用在切削刃处以及积屑瘤的产生引起的。mn o r d i n 等1 3 3 1 在用基体材料为 w c c 0 1 0 、p v d 沉积多层t i n t a n 的刀具铣削a i s l 3 1 6 不锈钢的试验中发现：刀具磨 损是由机械磨损和化学磨损综合作用的结果。刀具主要失效形式是切削刃的破损，原因 是梳状裂纹和机械裂纹的形成和长大。tis e l i n d e r 掣3 4 1 在用基体材料为w c c 0 9 、p v d 沉积超晶格t i n t a n 和t i n n b n 涂层刀具与其它刀具铣削奥氏体不锈钢 a i s i s a e 3 0 3 3 0 4 的对比试验中发现：含c o l l 的基体未发生切削刃破损，其失效形式 为后刀面磨损；含c 0 9 的基体都发生了刀刃破损。高永明等p 5 1 在用基体材料分别为 m 2 0 、k 2 0 和z 2 0 ，p v d 涂层分别采用t t n 、t i ( c ，n ) 和( t i ，a 1 ) n ，c v d 涂层分别采用t i c 、 t i ( c ，n ) 、a 1 2 0 3 一t i n 多层复合涂层刀具车削和铣削含c r l 9 0 、n i 9 的奥氏体不锈钢 s u s 3 0 4 试验时得出：涂层硬质合金刀具的耐用度主要是取决于后刀面边界磨损而不是 主切削刃后刀面的平均磨损量；在铣削加工中切削刃发生磨损和缺损，一般是由于刃口 热裂纹的扩散传播所致。 1 3 3 基体材料的研究 毕泗庆等【36 l 学者指出，在切削加工不锈钢材料时，对刀具基体材料有着基本的要求： 有足够高的硬度和强度，尤其是高温硬度和强度；与涂层的结合力要较大；韧性基体或 表面微观韧性好的基体更适合用于不锈钢的加工。 在常用硬质合金1 37 】中，通过添加少量( 0 5 3 ) 的碳化物( 如t a c 、n b c 、t i c 等) ，可明显提高硬质合金的硬度和耐磨性而不降低其韧性，而且还可改进合金的高温 性能，增强其抗粘结和抗扩散磨损的能力。t i c 的硬度、耐热性、粘结温度、抗氧化温 度和抗扩散磨损能力比w c 高，添加t i c 可以提高合金的这些性能，但也会降低合金的强 度和韧性。添女n t a c 和n b c 可提高合金硬度及高温硬度、抗粘结能力、抗氧化能力和抗 扩散能力。除此之外，r l c 还可提高合金抗弯强度，增加刀刃强度，加强刀刃抗碎裂和 涂层硬质合金刀具切削性能研究 抗破损的能力。在w c t i c c o 合金中添加适量的t a c ，在保证原有的耐热性和耐磨性的 同时，还能提高合会的韧性。 tis e l i n d e 等p 引在切削不锈钢试验中发现：几种c o 含量为9 的基体都发生了切削刃 破损，而含c o t1 的基体却未发生切削刃破损，因此适当提高基体的含c o 量可以降低刀 刃的破损。山特维克公司1 3 9 l 开发的不锈钢加工用g c 2 0 3 5 7 j 片，其基体就采用了富钴材 料。其原因是随着含c o 量的增加，硬质合金基体的韧性和强度也增加【37 1 。但提高c o 含 量通常会降低基体的硬度，降低刀具耐磨性。 颗粒超细化也是一种既能提高基体硬度又能提高基体强度的方法。超细颗粒硬质 合金硬度一般为9 0 9 3 h r a ( 比一般硬质合金要高1 5 2 h r a ) ，且高温硬度也有提高； 其抗弯强度为2 0 0 0 3 5 0 0 m p a ，比一般硬质合金高6 0 0 - 8 0 0 m p a ；其韧性好抗崩刃，即 使在低速或断续切削等加工条件下使用，切削刃也不易产生崩刃或破损。超细晶粒的 w c 粒度一般为0 2 1 o “m ，大部分在o 5 r t m 以下，是普通硬质合金w c 粒度的几分之 一到几十分之一【4 2 1 。此外，基体材料颗粒微小化还会增大与涂层的结合面积，提高了 粘结强度，增加裂纹扩展的晶界阻力，从而也能够提高材料的抗破损能力。 1 4 本课题的研究任务 目前，大多数已发表的论文都集中在涂层硬质合金刀具的制造工艺及t i n 、t i c n 、 a 1 2 0 3 等单一涂层刀具性能