TiAlN 涂層與無(wú)涂層刀具高速車削TC4 鈦合金的性能研究*

劉朋和 姜增輝 王琳琳 王曉亮 吳月穎

(①沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159;②一拖(洛陽(yáng))中成機(jī)械有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003;③東方藍(lán)天鈦金科技有限公司，山東 煙臺(tái) 264003)

鈦合金比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、高溫強(qiáng)度高，在300～500 ℃的溫度下，其強(qiáng)度約比鋁合金高10 倍，被廣泛應(yīng)用于航空航天和化工船舶等領(lǐng)域［1-3］。由于它導(dǎo)熱系數(shù)低、切削溫度高、刀具易磨損［4］，使其成為一種典型的難加工材料。目前，鈦合金實(shí)際切削中主要采用硬質(zhì)合金刀具，且涂層與無(wú)涂層刀具均被大量使用，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)這兩種刀具在鈦合金切削過(guò)程中的磨損特性進(jìn)行了研究。牟濤［5］等研究了(Ti，Al)N—TiN 復(fù)合涂層和無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具在不同冷卻條件下銑削Ti -6Al -4V 鈦合金時(shí)的磨損特性，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在干式銑削還是冷卻液銑削下，涂層刀具的磨損均比無(wú)涂層刀具的磨損慢。李友生［6］等采用無(wú)涂層硬質(zhì)合金、TiAlN 涂層硬質(zhì)合金和CBN 三種不同材料的刀具進(jìn)行了高速車削Ti -6Al -4V 鈦合金試驗(yàn)，結(jié)果表明，切削速度為80 m/min 時(shí)，CBN 刀具的壽命最長(zhǎng)，TiAlN 涂層硬質(zhì)合金刀具次之，無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具最差。哈爾濱理工大學(xué)的范依航［7］選擇TiCN 和Al2O3膜的疊層膜涂層、AlTiN 合金和CrAlN 合金交互層積涂層兩種涂層硬質(zhì)合金刀具以及一種無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)比分析了車削Ti-6Al-4V 鈦合金時(shí)的刀具磨損情況，發(fā)現(xiàn)無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損量最小，AlTiN 合金和CrAlN 合金交互層積涂層硬質(zhì)合金刀具次之，TiCN 和Al2O3膜的疊層膜涂層硬質(zhì)合金刀具最差。Che Haron［8］等采用(TiC+Ti/CN +/TiN)涂層和無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行端銑Ti-6242S 鈦合金試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削速度為100 m/min 時(shí)，無(wú)涂層刀具的壽命要更長(zhǎng)一些。

綜上可知，對(duì)于鈦合金切削過(guò)程中涂層是否有利于減小硬質(zhì)合金刀具磨損和提高使用壽命并無(wú)定論。TiAlN 涂層作為一種新型涂層材料，具有硬度高、氧化溫度高、熱硬性好、附著力強(qiáng)、摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱率低等優(yōu)良特性［9］，是一種典型的隔熱涂層，目前廣泛應(yīng)用于高合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金等難加工材料的切削加工，因此，本文選擇TiAlN 涂層硬質(zhì)合金與無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具做干式車削TC4 鈦合金試驗(yàn)，對(duì)比研究TiAlN 涂層對(duì)刀具磨損特性及耐用度的影響，為高速切削鈦合金刀具的選擇及刀具材料的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

(1)加工設(shè)備:車削試驗(yàn)所選用的加工設(shè)備是由沈陽(yáng)第一機(jī)床廠生產(chǎn)的CAK6150 數(shù)控車床。

(2)測(cè)量裝置:試驗(yàn)選用VHX -1000C 型超景深三維顯微系統(tǒng)來(lái)觀察刀具的前刀面和后刀面磨損形態(tài)，并測(cè)量其后刀面的磨損量。

1.2 工件材料及刀具

(1)工件材料:試驗(yàn)所選用的TC4 鈦合金化學(xué)成分如表1 所示。

表1 TC4 的化學(xué)成分

(2)刀具型號(hào)及幾何參數(shù):如圖1 所示，試驗(yàn)選用刀片型號(hào)為 CNMG120408 -QM，刀桿型號(hào)為MCLNR2525M12。安裝后的刀具幾何參數(shù)為:前角γo=6 °，后角αo=7 °，主偏角κr=95°，副偏角κr′=4°，副后角αo′=7 °，刃傾角λs=-5.5°，刀尖圓弧半徑r=0.8 mm。

2 試驗(yàn)刀片材料及微觀結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)選用山特維克可樂(lè)滿公司生產(chǎn)的牌號(hào)分別為GC1105 與H13A 的兩種車削刀片，由于其型號(hào)均為CNMG120408-QM，兩種刀片外形尺寸完全相同，僅材料不同。GC1105 為TiAlN 硬質(zhì)合金涂層刀片，H13A為無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀片，兩種刀片的特性如表2 所示。

表2 試驗(yàn)用刀片特性

由表2 可知，這兩種刀片都為細(xì)晶粒硬質(zhì)合金基體，GC1105 刀片表面通過(guò)PVD 方法覆蓋了一層TiAlN涂層。為了解該涂層的特點(diǎn)，制備了試樣，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與分析。將刀片放到載玻片上，把牙托粉和自凝牙托水按照一定的比例調(diào)好倒入硬塑模具中做鑲嵌試樣，然后將試樣在金剛石砂輪上進(jìn)行粗磨，采用金剛石研磨膏在PG -2C 型拋光機(jī)上拋光，在拋光過(guò)程中要用4XBE 型倒置金相顯微鏡觀察刀片的拋光面，待觀察到拋光面沒(méi)有刮痕時(shí)，完成試樣制備。

如圖2 所示為通過(guò)試樣觀察到的GC1105 刀片上TiAlN 涂層在超景深顯微鏡下的形貌照片。圖中可明顯觀察到研磨拋光后刀片表面殘留涂層及刀片基體與牙托粉之間的涂層截面。

為仔細(xì)觀測(cè)涂層厚度，在掃描電鏡下對(duì)試樣進(jìn)行了觀察。圖3 為GC1105 刀片鑲嵌試樣的SEM 照片，刀片基體與牙托粉之間可明顯觀察到厚度大約為10 μm的TiAlN 涂層。

硬質(zhì)合金刀片基體的晶粒尺寸對(duì)其使用性能有重要影響，為觀測(cè)兩種刀片基體的晶粒尺寸，分別制備金相試樣，將研磨拋光完全的試樣通過(guò)由10% K3Fe(CN)6+10% NaOH 水溶液制備的腐蝕劑做腐蝕處理，在超景深顯微鏡下對(duì)其微觀組織進(jìn)行了金相分析。如圖4 所示分別為GC1105 和H13A 基體的顯微組織金相照片，可以看到兩種刀片基體中主要成分為WC顆粒與Co，其中灰白色顆粒狀物體為WC 顆粒，其周圍被腐蝕掉顯示為黑色的部分為Co。兩種刀片基體中WC 顆粒的晶粒大小基本相當(dāng)，除少數(shù)大尺寸顆粒外，大部分WC 顆粒小于1 μm，兩種刀片均為細(xì)晶硬質(zhì)合金基體。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)選擇在干切削條件下進(jìn)行兩種刀片磨損的對(duì)比分析。切削參數(shù)為:切削速度v=95 m/min，切削深度ap=0.5 mm，進(jìn)給量f=0.2 mm/r。

3.1 刀具磨損形態(tài)

圖5 為干切削條件下的刀具磨損形態(tài)。圖5a 為GC1105 涂層刀片的前、后刀面磨損形態(tài)，在刀具的前刀面上可以看到比較明顯的月牙洼磨損。由于鈦合金的變形系數(shù)小，切削過(guò)程中的切屑與刀具前刀面的接觸面積較小，使作用于刀具接觸面上的局部壓力與溫度升高，刀具前刀面在切屑劇烈的擠壓與摩擦作用下極易產(chǎn)生月牙洼磨損。在刀具的后刀面上可以明顯觀察到工件材料中硬質(zhì)點(diǎn)在刀具上劃擦產(chǎn)生的犁溝，同時(shí)可見(jiàn)由于高溫引起的粘結(jié)磨損。由于鈦合金在切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的變形和回彈，使得刀具后刀面與工件的接觸面積和壓力很大，在高溫條件下工件材料易于與后刀面粘結(jié)，粘結(jié)物在劇烈的摩擦作用下發(fā)生脫落，造成刀具的粘結(jié)磨損。如圖5b 為H13A 刀片的前、后刀面磨損形態(tài)，其前刀面磨損同樣為月牙洼磨損，后刀面上主要為磨粒磨損，并伴有輕微粘結(jié)磨損，在切削路程大于GC1105 涂層刀片的條件下，后刀面磨損程度較輕。

3.2 刀具耐用度對(duì)比

圖6 為干切削條件下的刀具磨損曲線，可以看出，在切削初始階段這兩種刀片的后刀面磨損量均不大，磨損量增大較平緩，在切削路程為1 050 m 之前，H13A 刀片的磨損量稍大于GC1105 刀片，當(dāng)切削路程大于1 000 m 時(shí)GC1105 刀片首先進(jìn)入急劇磨損階段，在切削路程為1 430 m 時(shí)其后刀面磨損量超過(guò)0.55 mm。H13A 刀片的正常磨損階段要稍長(zhǎng)一些，在切削路程達(dá)到1 300 m 時(shí)刀具才進(jìn)入急劇磨損階段，而當(dāng)切削路程為1 570 m 時(shí)，其磨損量還未達(dá)到0.55 mm。

綜上所述，在切削速度為95 m/min 時(shí)干式車削TC4 鈦合金，無(wú)涂層的H13A 刀片比TiAlN 涂層的GC1105 刀片耐用度好一些。

3.3 刀具耐用度差異分析

對(duì)比圖6 兩種刀片的磨損曲線，在95 m/min 的速度下干式車削TC4 鈦合金，在切削初始階段GC1105刀片磨損稍小一些，隨著切削路程增加，刀具磨損增大，GC1105 刀片磨損速率增大，其磨損程度超過(guò)了H13A 刀片，其原因主要有以下幾個(gè)方面。

在切削初始階段，刀具比較鋒利，切削區(qū)產(chǎn)熱較少，切削溫度相對(duì)較低，GC1105 刀片在切削區(qū)的涂層還比較完整，可以有效地保護(hù)刀具基體，延緩其磨損速度。因此，切削初始階段GC1105 刀片磨損小于H13A刀片。

隨著切削過(guò)程的進(jìn)行，刀具逐漸變鈍，切削區(qū)產(chǎn)熱大幅增加。在GC1105 刀片的切削區(qū)上，一方面，由于TiAlN 涂層的隔熱作用切削熱難以從刀具有效傳出，另一方面，鈦合金的導(dǎo)熱能力也很差，切削熱從工件也無(wú)法有效傳出，致使切削區(qū)的散熱受阻，溫度急劇升高。較高的切削溫度導(dǎo)致TiAlN 涂層快速失效，并加劇了粘結(jié)磨損、磨粒磨損的發(fā)生。因此，切削后期GC1105 刀片磨損速率增大，且磨損量超過(guò)H13A 刀片。

4 結(jié)語(yǔ)

在切削速度為95 m/min 時(shí)研究了干切削條件下高速車削TC4 鈦合金時(shí)TiAlN 涂層和無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具的使用性能，得到以下結(jié)論:

(1)采用較高的速度干式車削TC4 鈦合金，TiAlN涂層和無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具的主要磨損形式均為高溫條件下刀具材料軟化引起的粘結(jié)磨損和磨粒磨損。

(2)磨損初期TiAlN 涂層對(duì)刀具有一定保護(hù)作用，磨損增大后涂層反而加劇刀具的磨損。

(3)單純的TiAlN 類隔熱涂層對(duì)提高干式高速車削鈦合金刀具性能的作用并不明顯，隔熱涂層在導(dǎo)熱性能較差材料的高速切削中反而會(huì)加劇刀具的磨損。

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