物理气相沉积_Ti_Al_N涂层刀具的切削性能.pdf

热处理 2 0 0 6年第 2 1卷第 2期 2 8 物理气相沉积 T i A l N 涂层刀具的切削性能 祝新发 陈顺民 许辉 上海工具厂有限公司 上海 2 0 0 0 9 3 摘 要 涂层已成为提高刀具切削性能的重要手段 对上海工具厂镀膜机制备的 T i A l N 涂层性能分析 发现 其表面硬度达到 3 2 G P a 高于 T i N 的 2 4 G P a 同时 涂层表面生长良好 在试验室进行的 干式切削试验表明 T i A l N 涂层切削过程中磨损小于T i N 涂层 切削寿命高于T i N 涂层 T i A l N 涂层适合高速切削 分析了 T i A l N 涂层适合高速切削的主要原因 关键词 物理气相沉积 涂层 切削性能 高速切削 中图分类号 T G 1 7 4 4 4 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 1 6 9 0 2 0 0 6 0 2 0 0 2 8 0 0 3 PVD Ti Al N Coating and Its Tooling Quality ZHU Xin fa CHEN Shun min XU Hui Shanghai Tool Works Co Ltd Shanghai 200093 Abstract The coating has become an important way to improve on the tooling quality of tool The property of the Ti Al N coating made by the coating machine of Shanghai Tool Works was analyzed It was revealed that the surface hardness of the Ti Al N coating is as high as 32GPa but that of the TiN coating is only as high as 24GPa At the same time the growth of the Ti Al N coating is in a good state The dry cutting testing shows that wear loss of the Ti Al N coating during the cutting will be less than that of the TiN coating and its cutting life is longer compared with the TiN coating The Ti Al N coating is fit for high speed cutting The main reasons why the Ti Al N coating is applicable for high speed cutting were analyzed as well Key Words PVD coating tooling quality high speed cutting 收稿日期 2 0 0 5 0 3 2 0 作者简介 祝新发 1 9 7 5 8 男 安徽潜山人 工学硕士 工程师 主要从事P V D 工具热处理及应 用 材料分析等技术工作 联系电话 0 2 1 6 5 4 8 1 8 6 2 1 前言 T i N 硬质涂层自上世纪7 0 年代在刀具上得到成 功应用 有力地推动了机械加工自动化规模的进 程 然而 目前高速切削 干式切削等新技术对刀 具涂层提出了更高的要求 希望刀具涂层在T i N 涂层 原有较高硬度 约2 4 G P a 低摩擦系数 约0 5 等优良 综合性能的基础上 进一步提高硬度和高温抗氧化 性能 以适应高速切削 干式切削时刀具涂层所经 受的苛刻工况 在T i N 涂层基础上加入其它元素进行 合金化形成多元复合涂层是改善其性能的有效方 法 大量的研究表明 在T i N 涂层中加入部分A l 元素 形成的 T i A l N 涂层 不但可保持T i N 涂层原有的 优异性能 而且还可使涂层的硬度得到明显提高 3 0 G P a 抗氧化温度也可由T i N 涂层的约6 0 0 提高 到约8 0 0 这些性能的提高对涂层刀具的高速切削 和干式切削非常重要 本文研究了离子镀 T i A l N 涂层硬质合金钻头的干式切削性能 2 试验过程 T i A l N 涂层采用上海工具厂离子镀膜机制 备 用于微结构和力学性能表征的高速钢试样和用 于切削性能研究的 8 m m 硬质合金钻头 经精磨 喷砂和在碱液中超声波清洗后 装在真空室内可自 转和公转的工件架上 提供沉积材料的T i A l 合金靶 由直流动态磁控阴极控制 真空室经抽真空到1 0 4 P a 后 将试样加热到4 5 0 并通入A r 气进行离子轰 击 以清除样品表面的氧化物和吸附物 进而导入 N 2气 通过N2气与弧蒸发并大部分电离的T i 粒子 原 子 离子及其团簇 形成反应离子镀 在试样上沉积 成 T i A l N 涂层 涂层的成分 微结构和力学性能分别采用X 射 线能量分散谱仪 E D S 原子力显微镜 A F M 和微力 学探针 N a n o i n d e n t e r 进行表征 在D E C K E L M A H O 7 0 V 试验机床上进行涂层钻头的切削试验 3 试验结果与讨论 试验研究 热处理 2 0 0 6年第 2 1卷第 2期 2 9 3 1 涂层的成分 微结构和力学性能 表1 示出了 T i A l N 的化学组成 涂层中的T i 与 A l 之比T i A l 2 3 1 5 2 7 4 1 接近1 1 而金属元 素和N 的比值 T i A l N 5 0 5 6 4 9 4 4 接近于 1 1 的化学剂量比 表明涂层形成了以部分A l 原子 取代T i 原子的类T i N 化合物 用A F M 对涂层表面的观察 图1 表明 尽管基材 存在一定的粗糙度 涂层仍对基材覆盖良好 涂层 表面存在少量尺寸小于1 的微孔和凸起等生长缺 陷 M i c h a e l M a r k 等的研究 1 表明 这些生长缺陷 不会影响涂层刀具的使用性能 图2 为涂层微力学探针硬度测量的加卸载曲 线 其最大压入载荷为4 0 m N 根据O l i v e r 公式 2 可得到涂层的硬度为3 3 0 G P a 弹性模量4 0 9 G P a 3 2 涂层的切削性能 进行 T i A l N 涂层的刀具为 8 m m 整体硬质合金 钻头 钻间切削刃直刃设计 进行切削试验时 刀 具材料相同 设计规格相同 在试验过程中 进行 了 T i A l N 涂层和T i N 涂层两种不同涂层刀具的切 削性能比较 3 2 1 试验条件 规范及切削参数 切削试验机床型号为 D E C K E L M A H O 7 0 V 用 K i s t l e r 测力仪进行切削过程中的受力测定 整个试验是在无冷却 无润滑的情况下进行钻 头的干式钻削 被切削试块材料为4 5 钢 调质处 理 硬度为2 1 0 H B 2 5 0 H B 试块的尺寸为7 8 m m 1 0 2 m m 4 0 m m 钻削过程中孔深1 8 m m 孔间距为 4 m m 试验过程中各切削参数如表2 所示 加工过程 中 试件安装牢固 机床无震动 刀具失效判断依据为钻尖后刀面磨损达0 2 5 m m 0 3 0 m m 或切削刃破损 视具体情况而定 3 2 2 切削寿命比较 切削过程中两种刀具的切削寿命比较如图3 所 示 从图3 可见 T i N 涂层刀具总共钻削6 1 孔 其 中 以3 1 8 4 r m i n 钻削5 1 孔 以4 0 0 0 r m i n 钻削1 0 孔后 就失效 而 T i A l N 涂层刀具总共钻削1 1 0 孔 其 中 以3 1 8 4 r m i n 钻削5 0 孔 以4 0 0 0 r m i n 5 0 0 0 r m i n 6 0 0 0 r m i n 各钻削2 0 孔后失效 通过比较可看出 T i A l N 涂层刀具的切削寿命大大高于T i N 涂层刀 具 并且 T i A l N 涂层刀具能够经受5 0 0 0 r m i n 6 0 0 0 r m i n 的高速切削 而T i N 涂层刀具在4 0 0 0 r m i n 的转速下就失效 3 2 3 磨损情况比较 切削过程中两种刀具的切削磨损情况比较如图 4所示 从图4 可以分析出 切削过程中 涂层刀具一 开始磨损急剧 然后趋于平缓 然后又急剧增大 T i A l N 涂层的硬质合金钻头在切削过程中的耐磨 性明显优于T i N 涂层的硬质合金钻头 T i N 涂层刀具 表1 T i A l N 涂层成分构成 T a b l e 1 T h e c o m p o n e n t o f T i A l N c o a t i n g 元素w t A t N2 7 2 64 9 4 4 A l2 9 1 02 7 4 1 T i4 3 6 42 3 1 5 合计 1 0 0 1 0 0 图1 T i A l N 涂层的表面生长形貌 F i g 1 G r o w t h a p p e a r a n c e o f T i A l N c o a t i n g s u r f a c e 图2 涂层硬度测试曲线 F i g 2 H a r d n e s s t e s t c u r v e o f T i A l N c o a t i n g 表2 切削参数一览表 T a b l e 2 L i s t o f c u t t i n g p a r a m e t e r 切削参数 切削速度转速进给量 进给速度 切削深度 m m i n r m i n m m r m m m i n m m 数 值18 03 1 8 40 26 3 6 81 8 数 值21 0 0 4 84 0 0 00 28 0 0 01 8 数 值31 2 5 6 05 0 0 00 21 0 0 0 01 8 数 值41 5 0 7 26 0 0 00 21 2 0 0 01 8 热处理 2 0 0 6年第 2 1卷第 2期 3 0 图3 不同涂层的试验切削寿命比较 F i g 3 T h e c u t t i n g l i f e o f c u t t e r s w i t h d i f f e r e n t c o a t i n g 图4 切削过程中前刀面的磨损曲线 F i g 4 T h e w e a r i n g o f c u t t i n g e d g e o f C u t t e r s w i t h d i f f e r e n t c a t i n g s d u r i n g c u t t i n g 剧而失效 3 3 讨论 以上结果表明 T i A l N 涂层在干式钻削中性 能比T i N 涂层有明显的提高 其原因不仅在于 T i A l N 涂层的常温硬度明显高于T i N 涂层 更在于A l 的加入 明显地提高了涂层的高温抗氧化能力 在现有的高 速切削条件下 切削温度随切削速度的增加将急剧 上升 这样 就对涂层的抗高温性能提出了更高的 要求 已有的研究表明 3 在高速切削的条件下 T i A l N 涂层中的A l N 在氧的作用下形成致密A l 2O3表 面层 从而能有效地阻止涂层进一步发生氧化 使 涂层的高温抗氧化能力得以提高 4 结论 1 T i A l N 涂层硬度达到3 3 0 G P a 高于T i N 涂层的2 4 G P a 2 在干式切削条件下 T i A l N 涂层刀具抗 磨损性能明显优于T i N 涂层 切削寿命大大高于T i N 涂 层 3 切削过程中 T i A l N 涂层适合高速切削 而T i N 涂层不适合高速切削 T i A l N 涂层的抗高 温氧化性能优于T i N 参 考 文 献 1 M i c h a e l M a c k S u r f a c e T e c h n o l o g y M G e r m a n y v e r l a g m o d e r n e i n d u s t r i e A G C O 1 9 9 0 1 3 1 5 2 o l i v e r W C P h a r r G M J o u r n a l o f M a t e r i a l s R e s e a r c h J 1 9 9 2 7 1 5 6 4 1 5 8 0 3 S P a l D e y S C D e e v i S i n g l e l a y e r a n d m u l t i p l a y e r w e a r r e s i s t a n t c o a t i n g o f T i A l N J M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g A 3 4 2