PVD法制備的TiAlN/Al2O3復(fù)合涂層氧化鋁陶瓷刀具切削性能研究*

劉 杰，秦聰祥

(1.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 511483；2.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

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PVD法制備的TiAlN/Al2O3復(fù)合涂層氧化鋁陶瓷刀具切削性能研究*

劉 杰1，秦聰祥2

(1.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 511483；2.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

在刀具表面沉積一層硬質(zhì)、耐磨涂層，可有效提高刀具切削性能。目前刀具涂層的研究主要側(cè)重于氮化物、碳化物等硬質(zhì)涂層(基體為硬質(zhì)合金)，氧化物涂層(基體為陶瓷)仍未有突破性進(jìn)展。文章涉及陶瓷基體表面的氮化物和氧化物涂層制備及切削性能研究。采用陰極電弧蒸發(fā)鍍技術(shù)(PVD-CAE)和PEM輔助PVD工藝在氧化鋁陶瓷刀具表面制備TiAlN硬質(zhì)耐磨涂層(中間層)和Al2O3抗高溫氧化涂層(外層)。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和EDS線掃法分析涂層微觀結(jié)構(gòu)和元素成分變化，通過(guò)顯微硬度計(jì)表征涂層表面硬度。通過(guò)連續(xù)干切削灰鑄鐵試驗(yàn)研究TiAlN/Al2O3涂層的切削壽命、磨損機(jī)理和加工表面質(zhì)量。結(jié)果表明：該復(fù)合涂層具有細(xì)晶致密的微觀結(jié)構(gòu); TiAlN硬質(zhì)層可將刀具表面硬度提升至2781±19HV50g，從而提高了刀具耐磨性；連續(xù)干切削灰鑄鐵試驗(yàn)中，無(wú)涂層氧化鋁刀具發(fā)生崩刃破損，而TiAlN/Al2O3涂層刀具主要發(fā)生磨粒磨損和少量的粘結(jié)磨損，無(wú)崩刃現(xiàn)象；PVD法制備的TiAlN/Al2O3涂層刀具壽命是常規(guī)無(wú)涂層氧化鋁刀具的2倍以上，且加工表面質(zhì)量?jī)?yōu)良而穩(wěn)定。

PVD涂層；TiAlN/Al2O3涂層；氧化鋁刀具；切削性能

0 引言

氧化鋁陶瓷刀具具有高硬度、耐磨和高溫穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。但氧化鋁陶瓷材料的固有脆性大，強(qiáng)度與抗熱震性較差，在切削過(guò)程的振動(dòng)與熱沖擊影響下容易崩刃甚至出現(xiàn)刀體破碎。所以，在氧化鋁陶瓷基體表面通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(CVD)或物理氣相沉積法(PVD)得到一層或多層具有韌性、耐磨的涂層可以有效提高氧化鋁陶瓷刀具的切削性能。其中，CVD法較高的沉積溫度(800℃以上)對(duì)刀具基體有不良影響且制備過(guò)程伴隨環(huán)境污染。而PVD法能制備高性能涂層且對(duì)環(huán)境基本無(wú)污染[1-2]。

L.A. Dobrzański等人[3-5]采用PVD工藝在氧化鋁基體上沉積TiN、TiCN，TiAlN等涂層，發(fā)現(xiàn)PVD硬質(zhì)涂層有較高的硬度和耐磨性，且可改善加工表面質(zhì)量，但PVD涂層的結(jié)合力較弱。隨后，M.Sokovic′ 等人改進(jìn)沉積工藝，采用陰極電弧蒸發(fā)鍍(PVD-CAE)在SiC晶須增韌氧化鋁陶瓷表面沉積多種PVD涂層，提高了涂層與陶瓷基體結(jié)合強(qiáng)度，在切削球墨鑄鐵試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)該涂層可以大大延長(zhǎng)刀具壽命和改善加工質(zhì)量。Xing等人[6]在Al2O3/TiC陶瓷刀具表面使用PVD法制備WS2/Zr涂層，還發(fā)現(xiàn)PVD涂層具有降低切削力、切削溫度和摩擦磨損程度的作用。曾俊杰等[7]采用陰極電弧蒸發(fā)鍍(PVD-CAE)在氧化鋁陶瓷上沉積了TiN、TiSiN涂層并研究切削性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)PVD涂層還能有效阻止氧化鋁刀具崩刃，且其主要磨損機(jī)理是磨粒磨損。

與氧化物涂層相比，由于氮化物涂層具有高硬度、耐磨等優(yōu)點(diǎn)且易于使用PVD技術(shù)，上述大部分研究者對(duì)PVD涂層的研究工作側(cè)重于氮化物硬質(zhì)涂層[8]。但氮化物涂層的高溫抗氧化性能明顯弱于氧化物涂層，不適用于高速、干切削等嚴(yán)苛加工環(huán)境[9]。所以采用PVD工藝在陶瓷表面制備能綜合氮化物耐磨和氧化物抗氧化優(yōu)點(diǎn)的高性能多層復(fù)合涂層，是一種較新的研究方向。本文即利用PVD-CAE工藝在氧化鋁陶瓷基體上沉積TiAlN/Al2O3雙層復(fù)合涂層，使復(fù)合涂層同時(shí)具備耐磨和高溫穩(wěn)定性的優(yōu)異特性，以大幅度提高氧化鋁陶瓷刀具的切削性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)刀具與切削參數(shù)

試驗(yàn)刀具基體采用特固克AB20氧化鋁陶瓷刀具，型號(hào)為RNGN 120700(φ12.7 mm×7.94 mm)。隨后，采用物理氣相沉積(PVD)中的陰極電弧蒸發(fā)鍍(CAE)技術(shù)在刀具表面涂覆一層TiAlN作為耐磨、硬質(zhì)層，再采用PEM設(shè)備輔助PVD工藝在該刀具表面沉積Al2O3涂層。

試驗(yàn)機(jī)床為ETC3650h數(shù)控機(jī)床，機(jī)床主軸功率15kW，最高轉(zhuǎn)速4000rpm。裝夾刀桿編號(hào)為CRGNL2525M1207，刀片安裝角度為：前角γo=-6°，后角αo=6°，主偏角Kr=45°。刀具失效標(biāo)準(zhǔn)為后刀面磨損量VB=0.3 mm。切削用量為：Vc=300m/min，f=0.1 mm/r，ap=0.5 mm。工件材料為HT250灰口鑄鐵，工件尺寸為φ100 mm×150 mm，該鑄鐵的化學(xué)成分與機(jī)械性能如表1所示[10]。

表1 灰鑄鐵HT250的化學(xué)成分及機(jī)械性能

1.2 測(cè)試方法

PVD涂層微觀結(jié)構(gòu)觀察采用Quanta 400場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)，該設(shè)備自帶電子能譜(EDS)可以分析涂層截面上不同方位的元素含量。兩種涂層的表面硬度采用HXD-1000TM/LCD顯微硬度計(jì)分別表征，使用菱形壓頭加載50g的測(cè)量力并保壓15s。刀具切削過(guò)程中的后刀面磨損量VB值，采用OLYMPUS SZ61TR體式顯微鏡測(cè)量。工件表面粗糙度采用便攜式粗糙度儀(TR200型)測(cè)量，每次采集5個(gè)點(diǎn)取平均值。切削試驗(yàn)后采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察刀具切削磨損形貌，并采用EDS能譜輔助分析刀具磨損機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層截面微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

圖1為氧化鋁陶瓷刀具表面TiAlN/Al2O3涂層截面的SEM照片及其上的EDS線掃描元素分析。圖中涂層截面形貌有條明顯的涂層分界線，從Line 1的EDS線掃描元素成分分析可看出：Al2O3涂層作為最外層的化學(xué)屏障層，厚度大約1.1μm；TiAlN涂層作為中間硬質(zhì)、耐磨層，厚度大約2.4μm。TiAlN和Al2O3涂層晶粒細(xì)小均勻，結(jié)構(gòu)致密。且處于中層的TiAlN與外層的Al2O3和基體兩個(gè)界面均貼合緊密，不存在微縫隙，說(shuō)明TiAlN/Al2O3涂層層間和膜基間結(jié)合良好，不易剝落[11]。

表2列出了無(wú)涂層和TiAlN/Al2O3涂層的硬度表征結(jié)果，可見(jiàn)PVD法沉積的硬質(zhì)涂層可顯著提高氧化鋁刀具硬度，作為硬質(zhì)、耐磨中間層的TiAlN涂層可將刀具表面硬度提高40%，從而有效增加刀具耐磨性。而充當(dāng)TiAlN耐磨層化學(xué)屏障角色的Al2O3涂層，其硬度也比氧化鋁基體高10%左右。涂層的顯微硬度與涂層材質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，同等材質(zhì)下，致密細(xì)晶結(jié)構(gòu)的硬度更高[12-13]。

2.2 刀具壽命與磨損

用上述PVD法制備的TiAlN/Al2O3復(fù)合涂層氧化鋁陶瓷刀具干車(chē)削灰鑄鐵，與無(wú)涂層氧化鋁陶瓷刀具對(duì)比，研究該P(yáng)VD涂層氧化鋁刀具的磨損情況。圖2為切削試驗(yàn)中TiAlN/Al2O3涂層和無(wú)涂層氧化鋁陶瓷刀具切削灰鑄鐵的磨損曲線。PVD涂層氧化鋁刀具在正常切削時(shí)，其刀具磨損量隨切削時(shí)間變化均呈線性變化，這表明TiAlN/Al2O3涂層在切削過(guò)程中未出現(xiàn)剝落，并且其磨損機(jī)理未發(fā)生本質(zhì)性改變。無(wú)涂層氧化鋁刀具高速干車(chē)削灰鑄鐵10min后發(fā)生刀具破損，刀具形體破壞而無(wú)法繼續(xù)使用，而TiAlN/Al2O3涂層刀具干切削灰鑄鐵20min之后仍能繼續(xù)正常使用，所以其壽命至少是無(wú)涂層氧化鋁刀具的兩倍以上。這是因?yàn)槎鄬訌?fù)合結(jié)構(gòu)的PVD涂層有緩沖和減弱切削微沖擊作用，在一定程度上增加了刀具表面韌性，可以有效防止氧化鋁刀具發(fā)生崩刃和破損；并且涂層中TiAlN作為硬質(zhì)耐磨層具有更高表面硬度，從而大幅度地提高該種刀具的切削壽命[14-15]。

表2 氧化鋁陶瓷刀具及其上PVD涂層的物理性能

圖1 TiAlN-Al2O3涂層的截面形貌和EDS線掃描分析

圖2 TiAlN/Al2O3涂層和無(wú)涂層氧化鋁陶瓷刀具切削磨損曲線

干切削灰鑄鐵試驗(yàn)后，分別采用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)表征和分析試驗(yàn)刀具的磨損形貌與磨損機(jī)理。圖3為無(wú)涂層氧化鋁刀具切削過(guò)后的后刀面磨損形貌?？梢?jiàn)無(wú)涂層氧化刀具在連續(xù)干切削灰鑄鐵過(guò)程發(fā)生崩刃破損，刀體已碎裂成兩塊。切削初期，無(wú)涂層氧化鋁刀具切削刃上出現(xiàn)微崩刃，使得刀具基體強(qiáng)度下降進(jìn)而切削沖擊的破壞作用加劇。而后隨著切削試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，微崩刃附近大塊刀具材料發(fā)生崩裂，最終導(dǎo)致刀具整體碎裂。這與切削刀具材質(zhì)與被切削工件材料特性有關(guān)，灰鑄鐵的材料特性使其在切削加工工程中會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生密集的機(jī)械沖擊和熱沖擊，而延綿不斷微沖擊容易導(dǎo)致強(qiáng)度低的氧化鋁陶瓷刀具崩刃、碎裂。綜上所述，因切削過(guò)程中存在的低壽命和安全問(wèn)題，無(wú)涂層氧化鋁刀具不適合于干切削灰鑄鐵。

圖4為T(mén)iAlN/Al2O3涂層氧化鋁刀具切削灰鑄鐵后的磨損形貌，可見(jiàn)其切削刃完整，無(wú)崩刃情況，這說(shuō)明TiAlN/Al2O3涂層可在切削過(guò)程中起緩沖、減震的作用，使氧化鋁刀具切削刃形狀保持完好形態(tài)，從而有效保護(hù)刀具基體。PVD涂層氧化刀具的后刀面磨損表面較光滑，主要存在眾多劃痕和少量白色粘結(jié)物。刀具表面上的劃痕是磨粒磨損的典型形貌，切削加工時(shí)，工件材料中碳化物等硬質(zhì)點(diǎn)與刀具表面相互擠壓、劃擦?xí)r會(huì)在刀具表面產(chǎn)生細(xì)小密集的劃痕形貌。為了研究涂層氧化鋁刀具磨損表面上的白色粘結(jié)物形成緣由，對(duì)粘結(jié)物進(jìn)行EDS能譜分析。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)粘結(jié)物存在大量Fe、C工件元素和Ti、Al、O等涂層元素，這說(shuō)明可能是因?yàn)門(mén)iAlN涂層在切削高溫下氧化失效并與工件材料粘合而導(dǎo)致的粘結(jié)形貌。TiAlN涂層抗高溫氧化溫度只有700℃，容易在陶瓷刀具干式切削高溫場(chǎng)合下失效并導(dǎo)致較嚴(yán)重的粘結(jié)磨損[13，16]。而本試驗(yàn)中的Al2O3外層穩(wěn)定地發(fā)揮抗高溫氧化的性能，與TiAlN硬質(zhì)層高耐磨性互補(bǔ)，減少因硬質(zhì)層抗氧化性不足而引致的粘結(jié)磨損情形，從而有效提高刀具的使用性能。試驗(yàn)表明TiAlN/Al2O3涂層氧化鋁刀具在高速干切削灰鑄鐵中主要發(fā)生磨粒磨損和少量的粘結(jié)磨損。

圖3 無(wú)涂層氧化鋁刀具破損形貌

圖4 TiAlN/ Al2O3涂層氧化鋁刀具磨損形貌和EDS分析

2.3 表面加工質(zhì)量

圖5為T(mén)iAlN/Al2O3涂層和無(wú)涂層氧化鋁刀具干車(chē)削灰鑄鐵過(guò)程中已加工表面粗糙度(刀具加工質(zhì)量)變化曲線。從圖中可看出，兩種刀具的加工質(zhì)量均隨著切削時(shí)間的增加而降低。無(wú)涂層氧化鋁刀具干車(chē)削灰鑄鐵的表面質(zhì)量在前5min變化不大，隨后迅速變差。與無(wú)涂層刀具相比，TiAlN/Al2O3涂層刀具的加工質(zhì)量更加穩(wěn)定而優(yōu)良，只是隨著刀具磨損的增加而略微變差，其加工質(zhì)量穩(wěn)定在1.3μm以內(nèi)。這與兩種刀具材料的磨損進(jìn)程密切相關(guān)。無(wú)涂層氧化鋁刀具切削灰鑄鐵5min后出現(xiàn)崩刃，而后在崩刃位置發(fā)生部分刀體材料缺損。殘缺不全的刀具表面所加工出的工件表面質(zhì)量變差，并隨著切削中刀具崩刃情況加重而加劇[17]。涂層氧化鋁刀具中因有TiAlN/Al2O3涂層對(duì)刀具基體的保護(hù)作用，在切削過(guò)程中未出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，仍能較完好保存刀具切削刃形狀，故涂層刀具的加工質(zhì)量較為穩(wěn)定。但隨著切削加工持續(xù)進(jìn)行，刀具-工件間接觸溫度急劇上升，高溫使得涂層失效并與工件材料產(chǎn)生的粘結(jié)物一起硬焊在磨損表面，導(dǎo)致局部刀具表面的平整性變差，從而使刀具擠壓剪切出的工件表面質(zhì)量變差[18]。所以TiAlN/Al2O3涂層氧化鋁刀具干切削灰鑄鐵的加工質(zhì)量在切削后期隨粘結(jié)形貌增多而變差，其表面粗糙度從最初的0.7μm緩慢上升至1.3μm左右。

圖5 TiAlN/Al2O3涂層和無(wú)涂層氧化鋁陶瓷刀具加工表面質(zhì)量變化曲線

3 結(jié)論

(1)采用PVD法在氧化鋁刀具上沉積了中間TiAlN耐磨硬質(zhì)層和Al2O3抗高溫氧化層，兩層涂層均具有細(xì)晶致密的微觀結(jié)構(gòu)。涂層能有效提高刀具表面硬度，且中間TiAlN耐磨硬質(zhì)層對(duì)刀具硬度的提升效果最佳。

(2)高速干切削灰鑄鐵試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，無(wú)涂層氧化鋁刀具不適合切削灰鑄鐵，加工時(shí)會(huì)發(fā)生崩刃破損；而TiAlN/Al2O3涂層氧化鋁刀具主要發(fā)生磨粒磨損和少量的粘結(jié)磨損，刀具使用壽命至少是前者的兩倍。

(3)無(wú)涂層氧化鋁刀具切削灰鑄鐵的加工質(zhì)量由于刀具崩刃而迅速變差；而TiAlN/Al2O3涂層氧化鋁刀具得益于涂層對(duì)基體的保護(hù)作用，在切削過(guò)程中無(wú)崩刃現(xiàn)象，其加工表面質(zhì)量更加穩(wěn)定而優(yōu)越。

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(編輯 李秀敏)

Cutting Performance of Alumina Ceramic Cutting Tools Coated with TiAlN/Al2O3Composite Coatings Produced by PVD

LIU Jie1, QIN Cong-xiang2

(1.School of Electromechanical Engineering, Guangzhou Panyu Polytechnic, Guangzhou 511483, China; 2.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255000, China)

An layer of hard, wear-resistant coating on the tool surface can effectively improve the cutting performance of the tool. At present, the research on tool coating mainly focuses on hard coatings such as nitrides, carbides and so on (the matrix is carbide). The oxide coating (the matrix is ceramic) has not yet made breakthrough progress. This paper deals with the preparation of nitride and oxide coatings on the surface of ceramic substrates and their cutting performance. Hard TiAlN antiwear coating (inner layer) and Al2O3anti-high temperature coating (outer layer) were prepared by the PVD-CAE and PEM-assisted PVD, respectively. The changes in microstructural and elemental composition of the coating were analyzed by SEM and EDS. The tool life of TiAlN/Al2O3coating, wear mechanism, and quality of the finished surface were studied by the continuous dry cutting of gray cast iron. The results show that this coating has a dense microstructure containing fine grains; the hard TiAlN coating improved the hardness of the cutting tools to 2781 ± 19HV50g. During the continuous dry cutting of gray cast iron, the main failure mode of uncoated tools is tipping damage, while the main failure mode of the TiAlN/Al2O3coated tools is abrasive wear and some adhesive wear; This coating tool life is 2 times more than that of conventional uncoated tool. and the finished surface has a good quality and stability.

PVD coating; TiAlN/Al2O3coating; alumina cutting tools; cutting perform

1001-2265(2017)06-0122-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.031

2016-09-27；

2016-11-18

廣州市屬高校科技計(jì)劃項(xiàng)目(1201421141)

劉杰(1974—)，男，內(nèi)蒙古包頭人，廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)加工工具與高技術(shù)陶瓷，(E-mail)liujie9118@163.com。

TH162;TG506

A