涂層硬質(zhì)合金刀具加工碳鋼切削性能及磨損機理研究

陳　威， 呂政琳， 高東強， 艾　旭

(陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安　710021)

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涂層硬質(zhì)合金刀具加工碳鋼切削性能及磨損機理研究

陳威， 呂政琳， 高東強， 艾旭

(陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安710021)

摘要：為深入探討涂層硬質(zhì)合金刀具的切削特性及磨損性能，采用確定的進給量和背吃刀量，通過改變切削速度的單因素法對45#鋼進行了干式切削試驗.使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了刀具磨損形貌，通過能譜分析儀(EDS)測定了磨損微區(qū)表面各元素含量，并分析了涂層硬質(zhì)合金刀具的切削性能及主要磨損機理，同時還采用激光顯微鏡(LSM)對工件的表面輪廓及粗糙度進行了分析.結果表明：V=162 m/min是切削45#鋼較為理想的速度，此時工件的加工表面相對較光整、質(zhì)量最好，且測得表面粗糙度為Ra=5.125 um，在三種切削速度下最為理想；刀具以V=162 m/min車削45#鋼時，其主要的失效形式為刀尖及前刀面破損和涂層磨損，磨損機理為擴散磨損、粘結磨損、氧化磨損和疲勞磨損等，且為各磨損機理綜合作用.

關鍵詞：涂層硬質(zhì)合金刀具； 45#鋼； 干切削； 磨損機理

0引言

涂層硬質(zhì)合金刀具因具有高硬度、高韌性、高耐磨性和低熱傳導系數(shù)等優(yōu)點而被廣泛應用于金屬切削領域[1-5].但隨著涂層硬質(zhì)合金刀具在制造業(yè)的廣泛應用，其自身缺點逐漸暴露出來，如切削時會發(fā)生涂層磨損脫落、刀具磨損等現(xiàn)象，嚴重影響了涂層硬質(zhì)合金刀具的切削效率[6-11].因此，研究涂層硬質(zhì)合金刀具切削磨損機理及特征對提高刀具耐用度、降低刀具磨損、改善表面質(zhì)量和精度等具有重要的意義.

于啟勛[12]對比了TiC涂層硬質(zhì)合金刀具與YT15硬質(zhì)合金刀具等車削60Si2Mn鋼的結果，發(fā)現(xiàn)采用涂層刀具時主切削力Fc約減小3%～4%、摩擦因數(shù)明顯降低，故添加涂層利于切削；蔡志海等[13]研究了TiN和TiAlN不同涂層刀具在干式切削條件下車削PCrNi3MoVA鋼時的切削性能，發(fā)現(xiàn)涂層中Al元素的加入有利于形成Al的氧化物，避免切削過程中的進一步氧化，從而有利于刀具切削壽命的提高，但其未對涂層刀具磨損機理進行分析；王社權等[14]研究了TiN涂層硬質(zhì)合金刀具的力學性能和切削性能，發(fā)現(xiàn)含涂層的刀片在切削不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)時的抗沖擊性能和切削性能都提高了10%～15%左右；焦黎等[15]研究了涂層硬質(zhì)合金刀具加工低合金超高強度鋼35CrMnSi時的刀具磨損情況，得出了涂層硬質(zhì)合金刀具能夠?qū)崿F(xiàn)有效高速切削的結論.但在高速切削的同時，前刀面上受到氧化及擴散磨損的作用，呈凹坑狀的月牙洼磨損，而后刀面發(fā)生黏結磨損；王增全[16]和姜增輝[17]研究發(fā)現(xiàn)影響硬質(zhì)合金刀具切削Ti6Al4V時切削壽命的主要原因是：切削過程中受到高壓高溫作用，容易造成涂層與基體的分層開裂，從而導致涂層刀具的過早失效.

綜上所述，涂層硬質(zhì)合金刀具相對于傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具，在改善切削性能方面具有極大優(yōu)勢，但其在切削金屬時仍然會表現(xiàn)出磨損、斷裂等現(xiàn)象而影響加工質(zhì)量和刀具壽命.目前，針對不同涂層的硬質(zhì)合金刀具在切削不同種類材料時，其刀具的切削性能及磨損機理表述尚不統(tǒng)一.因此，為進一步研究涂層硬質(zhì)合金刀具在切削金屬時的切削性能與磨損機理，本文利用涂層硬質(zhì)合金刀具車削優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼(45#鋼)進行試驗，著重分析了切削速度對刀具切削性能的影響，并對刀具磨損機理進行了探討，力圖豐富涂層硬質(zhì)合金刀具切削金屬時的磨損機理，從而為提高刀具使用壽命、優(yōu)化刀具綜合性能等實際應用領域提供參考.

1試驗材料與方法

45#鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其抗拉強度σb>600MPa、硬度為229HB.車削試驗在型號為C6132A1的車床上進行，采用外圓干車削的方式.刀具采用硬質(zhì)合金涂層刀具，刀桿基體材料為WC-TiC-Co、型號為TY15的硬質(zhì)合金，配合MTGNR/L1616H16型號的壓緊式刀桿進行試驗，具體如圖1所示.裝夾刀具的幾何角度為：前角γ0=-6 °、后角α0=7 °、主偏角kr=91 °、刃傾角λs=-6 °、刀尖圓弧半徑rε=0.8mm.

圖1　試驗用刀桿

在C6132A1型車床上，本試驗將要切削一根直徑50mm長200mm的45號鋼.在正式加工之前，先用普通刀具將該碳鋼車削至Φ46mm(由于碳鋼表面氧化層比較厚，所以切削深度選為2mm)，采取這一步驟的原因是為以后的研究切屑做準備，排除了氧化層對切屑的影響；另一方面，這樣做還可以減少刀具的磨損，以便于今后研究刀具的磨損情況時更有說服力.

通過運用改變切削速度的單因素法對優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼進行干車削試驗.車削長度為50mm，切削參數(shù)為：V1=80m/min、V2=115m/min、V3=162m/min，進給量f=0.1mm/r，背吃刀量ap=1mm.同時，利用無涂層的硬質(zhì)合金TY15刀具切削45#鋼進行參照試驗，選擇相同的進給量和背吃刀量，考慮到硬質(zhì)合金刀具不適宜高速切削，故選用低速度V=80m/min進行加工.

試驗步驟為：(1)將直徑50mm、長200mm的45號鋼預切削至Φ46mm；(2)采用線切割將式樣切為厚10mm、高10mm的拱形狀；(3)將試樣放入丙酮溶液清洗，除去試樣表面的油污和切削液等雜質(zhì)；(4)裝入干燥密封的紙袋中，等待進行切削試驗；(5)根據(jù)不同切削速度進行切削試驗，每種速度重復三次，收集切削后的工件及切屑；(6)隨后采用JEOLJSM-6360LV掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析(EDS)等，對刀具磨損形態(tài)進行觀察以及對物質(zhì)組成進行定性分析，同時采用激光顯微鏡(LSM)對工件的表面輪廓及粗糙度進行分析.

2結果與討論

2.1工件表面質(zhì)量分析

2.1.1涂層對工件表面質(zhì)量的影響

掃描電子顯微鏡觀察表明，在切削條件均為V=80m/min、切削深度ap=1mm、進給量f=0.2mm/r的情況下，使用涂層硬質(zhì)合金與未涂層的硬質(zhì)合金刀具切削工件表面時，表現(xiàn)出了不同的形貌特征，如圖2所示.圖2(a)、(b)分別表示硬質(zhì)合金刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具車削45#鋼后的工件表面SEM圖.可以看出，圖2(a)表面不平整明顯，犁溝不規(guī)整，各處高度變化明顯較大，測得硬質(zhì)合金刀具切削后的取樣表面突脊最大高度達到120.8um；而圖2(b)犁溝平整，各處高度變化較小且取樣表面突脊最大高度僅有57.6um，體現(xiàn)出了涂層刀具在切削典型材料(如45#鋼)時其切削性能亦會有所改善，這符合國外學者關于涂層刀具較未涂層刀具具有更小的切削力與摩擦因數(shù)的結論[18].

(a)硬質(zhì)合金刀具工件表面

(b)涂層硬質(zhì)合金刀具工件表面圖2　硬質(zhì)合金刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具切削45#鋼時的工件表面LSM圖

2.1.2 切削速度對工件表面質(zhì)量的影響

采用單因素法進行切削試驗，得到涂層硬質(zhì)合金刀具在不同切削速度下的工件表面形貌的激光顯微鏡三維圖(如圖3所示)，以及工件表面質(zhì)量分析參數(shù)(如表1所示)和粗糙度(如圖4所示).

分析可知，在速度V1=80m/min時，圖3(a)中工件表面顏色變化較大，犁溝深度較深，結合三維圖上的二維輪廓曲線可看出該速度下表面輪廓曲線波動范圍差較大，最高點與最低點相差較多，達50.7um；在速度V2=115m/min時，圖3(b)中工件表面犁溝深度較深，二維表面輪廓曲線波動適中，最高點與最低點相差32.0um；在速度V3=162m/min時，圖3(c)中工件表面顏色基本一致，二維曲線波動較平穩(wěn)，最高點與最低點相差最小為27.4um，其粗糙度27.4um也是三種速度下最小的，且可看出工件表面在刀具進給方向呈現(xiàn)統(tǒng)一高度.

表1　三種速度下切削45#鋼表面質(zhì)量分析參數(shù)

通過上述分析，可得出涂層硬質(zhì)合金在相同的切削參數(shù)下，其切削性能要優(yōu)于未覆涂層的硬質(zhì)合金.通過對涂層硬質(zhì)合金刀具在V=80m/min、V=115m/min、V=162m/min等三種速度下的切削試驗進行對比,可發(fā)現(xiàn)切削速度對于工件表面質(zhì)量的影響很大，在進給量f和背吃刀量ap選定之后，可在保證刀具合理耐用度的條件下，通過選擇適合的切削速度能最大程度地保證工件的表面粗糙度.

結合工件三維表面形貌圖和各速度下表面質(zhì)量參數(shù)，可以看出在V=162m/min時，無論是從工件表面輪廓曲線波動還是從表面粗糙度上來看，其切削性能都優(yōu)于其它兩種速度.所以，可假設該涂層刀具在高速條件下加工碳鋼效果最好，這也符合涂層硬質(zhì)合金刀具的最佳切削速度要比普通硬質(zhì)合金刀具高出20%～70%的理論依據(jù)[19].

(a)速度80 m/min時的工件表面

(b)速度115 m/min時的工件表面

(c)速度162 m/min時的工件表面圖3　三種速度下切削45#鋼時的表面LSM圖

圖4　三種速度下切削45#鋼時的表面粗糙度

2.2涂層刀具磨損情況分析

2.2.1涂層刀具磨損失效現(xiàn)象觀察

涂層硬質(zhì)合金刀具在工業(yè)中被廣泛應用于高速切削，而在高速切削下，溫度、壓力都會大幅度提升，高溫高壓又會使刀具磨損加劇、涂層材料擴散作用加強，此時易于觀察涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損形象.因此,選擇切削速度V=162m/min時的刀具進行觀察，使用掃描電子顯微鏡觀察刀具的磨損形貌.由圖5(a)分析可知，涂層刀具的刀尖受損嚴重，發(fā)生了脆性破損，前刀面及主切削刃有涂層磨損，并且出現(xiàn)了微崩刃和月牙洼現(xiàn)象；圖5(b)為(a)圖中區(qū)域A局部放大400倍的背散射圖(BES)，可知刀具斷面的成分與表面成分明顯不同，脆性破損的地方不僅有涂層，還有刀具的基體.

(a)涂層刀具的刀尖SEM圖

(b)圖5(a)中A局部放大400倍的背散射圖圖5　刀具磨損區(qū)域的SEM圖

在刀具出現(xiàn)磨損后，將影響到工件的表面質(zhì)量.如圖6所示，刀具表面磨損對45#鋼工件表面造成了擦傷，在BES圖像下可以清楚地觀察到平整的工件表面出現(xiàn)凹坑，其發(fā)展方向與切削方向相同，并且工件表面產(chǎn)生了一道道的犁溝，說明刀具發(fā)生的微崩刃、不均勻磨損或者涂層破損等對工件的加工表面也造成了一定的影響.

圖6　45#鋼表面的BES圖

2.2.2涂層刀具磨損機理分析

圖7和表2分別為涂層硬質(zhì)合金刀具切削45#鋼時刀具磨損的SEM照片及EDS分析結果.結合表2對圖7(a)方塊區(qū)域中的材料進行能譜分析，涂層表面有Ti、Al、N、Fe、O、Mo等元素，可推測該市購的涂層硬質(zhì)合金刀具涂層材料為TiAlN復合涂層刀具.通過對失效刀具表面的縱截面上刀具基體與涂層交界處的線掃描分析，可以來實現(xiàn)對刀具磨損機理的研究.

圖7為失效刀具前刀面最大磨損處垂直于刀具基體與粘結層交界處的SEM照片(如圖7(a)所示)及其上三條實線處的EDS線掃描分析結果(如圖7(b)所示).刀具在切削工件初期，實際接觸為其上微凸體之間的接觸.45#鋼在調(diào)質(zhì)熱處理后屬于亞共析鋼，其中Si、Mn、Ni等合金元素會溶于亞共析鋼中的鐵素體，形成高硬度、高強度的固溶體，表現(xiàn)為工件上的硬質(zhì)點，這些硬質(zhì)點極易對刀具造成刮擦，甚至造成刀具上涂層和基體的剝落，如圖7(a)所示，而刀具的磨損則與剝落同時發(fā)生;從圖7(b)中可以觀察到刀具表面剝落后發(fā)生的擴散現(xiàn)象.由1號實線上TiK元素的擴散曲線的原子數(shù)百分數(shù)分布情況可以看出,涂層中的Ti元素向刀具基體中發(fā)生了擴散;從3號實線上FeK元素的擴散曲線可以看出,來自于切屑中的Fe元素含量在逐漸向刀具基體中擴散.

(a)刀具磨損表面的SEM圖

(b)刀具磨損表面的EDS線掃描結果圖7　刀具磨損表面的SEM圖和EDS線掃描結果

元素電子伏/KeV計量質(zhì)量/%原子量/%NK0.39292.655.476.52OK0.52587.340.732.02AlK1.486325.2610.4615.20TiK4.508638.4773.2468.43FeK6.37523.315.114.06NiK7.47122.864.993.77Total100.00100.00

在較高切削速度情況下，刀具切削處承受高溫高壓，擴散現(xiàn)象愈發(fā)明顯，除了切屑和涂層中的元素擴散到刀具基體外，刀具上的元素也會因溫度而擴散到工件中.表3為圖8中1、2、3區(qū)域的點的能譜分析結果.可以看出,工件切削表面與破損內(nèi)部成分大體相同，都為45#鋼的主要成分.而位于破損處邊沿的3點，其成分與1、2點明顯不同，出現(xiàn)了O、Al、Na、Si等元素，猜測其多來自于刀具中的擴散作用，其中C含量明顯增加，可能為涂層硬質(zhì)合金刀具中的C元素在高溫下擴散造成，若硬質(zhì)合金刀具中C元素擴散嚴重，則會造成刀具“貧碳”，從而使刀具硬度降低，磨損愈發(fā)嚴重[20].

圖8　45#鋼表面破損處的SEM圖

元素點1質(zhì)量/%原子量/%點2質(zhì)量/%原子量/%點3質(zhì)量/%原子量/%CK5.6821.894.1716.8431.0765.34OK————1.602.52NaK————1.291.41AlK————0.360.33SiK————0.820.74SK————0.340.27ClK————0.460.33KK————0.440.28FeK94.3278.1195.8383.1663.6228.77

粘結磨損往往伴隨著擴散現(xiàn)象同時發(fā)生[21].涂層硬質(zhì)合金刀具前刀面上的月牙洼最深處的溫度最高，故其元素的擴散速度也高，該處又容易發(fā)生粘結，形成的粘結層又會因為刀具元素擴散導致的硬度降低而剝落，粘結層的剝落造成了粘結磨損的進一步發(fā)生，與此同時，刀具中的元素不斷地向新形成的粘結層擴散.

圖9為刀具月牙洼處粘結層放大2 000倍時的形貌.可以清楚地看到,剝落后的新鮮表面正在形成新的粘結層.因此，涂層硬質(zhì)合金刀具在高速切削下產(chǎn)生高溫高壓，使刀具基體、刀具涂層和工件之間的元素因切屑與前刀面、工件與后刀面之間的接觸面發(fā)生相互擴散，直接改變了材料的化學成分，導致涂層刀具的硬度及韌性受到影響，加快粘結與剝離.其發(fā)生的擴散與粘結同步進行，并且相互影響、相互強化.

圖9　刀具月牙洼處的粘結層

涂層硬質(zhì)合金刀具高速切削時，在高溫環(huán)境下，刀具材料中的一些元素與空氣中的O元素發(fā)生化學反應，生成質(zhì)軟而疏松的氧化產(chǎn)物，使刀具材料中的硬質(zhì)相顆粒易于被切屑或工件摩擦破壞掉并粘走，從而造成了刀具的氧化磨損[22-25].從表2涂層刀具磨損處及表3工件加工表面等的EDS分析結果可以看出，均出現(xiàn)了O元素，表明空氣中的氧滲入摩擦面間與刀具和工件表面的元素發(fā)生了氧化反應.這是因為在V=162m/min條件下，磨損區(qū)的高溫增加了各元素的活性，加快了摩擦表面的氧化反應，直接導致刀具組成的改變，破壞了其強度和韌性，加速刀具的磨損.此外，由不同速度下產(chǎn)生的切屑的形態(tài)(如圖10所示)亦可以看出：速度的提高造成了切削溫度的升高，表現(xiàn)在切屑形態(tài)上是其表面顏色越來越暗，原因可能是氧化膜逐漸生成.

(a)速度80 m/min下產(chǎn)生的切屑

(b)速度115 m/min下產(chǎn)生的切屑

(c)速度162 m/min下產(chǎn)生的切屑圖10　三種速度下產(chǎn)生的切屑

切削時產(chǎn)生的高溫，不僅會加快氧化磨損，而且還可能造成熱應力疲勞，再加上交變機械應力產(chǎn)生的接觸疲勞作用，從而在刀具切削刃部分就容易造成疲勞磨損.在高速車削時，刀具快速地切入和離開工件表面，被加工區(qū)域所受的載荷突然增加和消失，刀具上所受的拉應力和壓應力迅速交替,可造成刀-屑或刀-工件接觸區(qū)的接觸疲勞；此外，在刀具切入加工表面時,會產(chǎn)生平行于切削刃方向的熱應力，在刀具離開加工表面時熱應力釋放，熱應力疲勞就產(chǎn)生在刀具不斷地切入和切出過程中.接觸疲勞可造成平行于前刀面的橫向裂紋，而熱疲勞可造成垂直于前刀面的縱向裂紋，這些裂紋的產(chǎn)生亦會加劇刀具涂層剝落或脆性破損等失效，如圖5所示.

綜上可知，刀具磨損是在上述機理的共同作用下完成的.在刀具切削刃區(qū)域，由于切削力和切削熱的共同影響，發(fā)生在該區(qū)域的擴散作用、粘結磨損、氧化磨損與疲勞磨損等的綜合作用，導致了切削刃附近前刀面與后刀面磨損明顯，易產(chǎn)生月牙洼和脆性破損等失效形式.

3結論

(1)在給定進給量和背吃刀量的條件下，采用涂層硬質(zhì)合金刀具切削45#鋼，當切削速度V=162m/min時，工件加工表面較V=80m/min和V=115m/min下更光整，且測得其表面粗糙度較為理想為Ra=5.125um.

依此做出速度趨勢預測，認為切削速度在V=160m/min之后為涂層刀具加工的最佳速度，同時考慮工件表面加工質(zhì)量的需要，可選擇涂層刀具最佳切削速度宜在160～200m/min之間.

(2)涂層硬質(zhì)合金刀具在V=162m/min時，車削45#鋼時刀具的主要失效形式為刀尖及前刀面破損和涂層磨損.刀具磨損機理為粘結磨損、氧化磨損和疲勞磨損為主，且為各磨損機理的綜合作用所致.

可以看出，涂層硬質(zhì)合金刀具在提高切削性能的同時，并未避免刀具在切削時產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象.因此，尋找在切削時可產(chǎn)生自潤滑作用的刀具材料才能從根本上提高切削性能.

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coatedcarbidetoolsincuttingofcarbonsteel

CHENWei，LVZheng-lin，GAODong-qiang，AIXu

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，ShaanxiUniversityofScience&Technology，Xi′an710021，China)

Abstract:In order to further explore the cutting mechanism and wear mechanism of the coated carbide tools,this test was carried out by using single factor method only to change the cutting speed with the determined amount of feed and cutting depth to study on characteristics of coated carbide tools for machining 45# steel.Scanning electron microscopy (SEM) was employed to observe morphological features of worn surfaces produced by various wear mechanisms，and chemical composition in some worn areas of tool was analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS),at the same time with laser microscope (LSM) analysis of workpiece surface profile and roughness.Results imply that the processing surface of 45# steel workpiece was relatively smooth when the cutting speed was 162 m/min, and the best surface roughness under three cutting speed has been measured,it was Ra=5.125 um.Main failure forms of the tools when cutting 45# were blade and knife surface damage and coating wear at V=162 m/min.Meanwhile,wear mechanisms were diffusion wear and adhesion wear,oxidative wear and fatigue wear,and the comprehensive function for the wear mechanisms.

Key words:coated cemented carbide cutting tools; 45# steel; dry machining; wear mechanism

中圖分類號：TH117.1

文獻標志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)05-0146-07

作者簡介:陳威(1981-)，女，吉林榆樹人，講師，博士，研究方向：陶瓷摩擦學

基金項目：國家自然科學基金項目(51405278)； 陜西省教育廳專項科研計劃項目(14JK1082)； 陜西科技大學博士科研啟動基金項目(BJ11-01)

收稿日期:*2015-07-30