表面殘余應(yīng)力對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀具磨損影響的研究現(xiàn)狀*

□ 朱新宇 □ 冒航宇 □ 張嘉蓓

江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

1 研究背景

涂層刀具作為一種新興刀具近年來(lái)發(fā)展迅速,尤其在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,涂層刀具的應(yīng)用占比達(dá)到80%以上。以鈦合金、高溫合金等材料為加工對(duì)象的涂層硬質(zhì)合金刀具,其性能的提升日益受到人們的關(guān)注。目前,涂層的制備技術(shù)主要包括物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法等[1]。涂層硬質(zhì)合金刀具具有高硬度、強(qiáng)穩(wěn)定性、高熔點(diǎn)、強(qiáng)耐磨性等特點(diǎn)[2]?？萍嫉母咚侔l(fā)展使涂層硬質(zhì)合金刀具可廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等行業(yè)關(guān)鍵零部件材料的加工。對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行表面處理后，刀具表面殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生演變，并會(huì)對(duì)刀具磨損產(chǎn)生影響。筆者對(duì)以上問(wèn)題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹,并對(duì)高性能涂層硬質(zhì)合金刀具的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

2 涂層硬質(zhì)合金刀具表面殘余應(yīng)力演變

2.1 基體表面處理

基體的表面處理工藝主要包括磨削、電火花加工、激光加工、切削、拋光等。 Yang等[3]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),磨削加工在引入損傷薄層的同時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力。與磨削加工相比,拋光條件下產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力小很多。Denkena等[4]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在使用噴丸工藝進(jìn)行預(yù)處理的同時(shí)，金屬基體表面會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。使用不同的噴丸材料，在很大程度上會(huì)影響基體表面殘余壓應(yīng)力的大小。Kumar等[5]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，噴丸強(qiáng)度相比噴丸處理接觸時(shí)間，對(duì)基體殘余壓應(yīng)力的影響較大。楊健等[6]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),采用激光快速成形技術(shù)進(jìn)行基體表面處理,溫度場(chǎng)的不均勻會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,由此會(huì)對(duì)零件的靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響,進(jìn)而縮短刀具壽命。 Kalentics 等[7]基于激光沖擊技術(shù)和激光熔覆技術(shù)， 提出三維激光沖擊技術(shù)。這一技術(shù)可以將金屬基體在激光熔覆制造過(guò)程中所產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力,其處理效果優(yōu)于傳統(tǒng)的激光沖擊技術(shù)。Merkleina等[8]通過(guò)研究指出,使用電火花加工,試件表面先熱后冷，會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,使刀具的使用壽命縮短。綜合以上研究可見(jiàn),不同的基體表面處理工藝,會(huì)產(chǎn)生不同程度的基體殘余應(yīng)力,通過(guò)合適的基體表面處理工藝，可以改善基體的力學(xué)性能。

2.2 基體表面二次處理

在磨削過(guò)程中，較高的機(jī)械載荷和熱載荷會(huì)顯著影響材料的亞表面層,在金屬基體表面產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力梯度,即使對(duì)涂層參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,仍然會(huì)導(dǎo)致物理氣相沉積法涂層失效。通過(guò)再次噴砂處理,如微噴砂、濕法噴砂等,則可以對(duì)基體進(jìn)行改性。引入較大的殘余壓應(yīng)力，可以有效減小磨削過(guò)程中的殘余應(yīng)力梯度,還可以有效改善刀具在磨削加工過(guò)程中所產(chǎn)生的損傷,提高刀具的耐磨性[9]。孫寒驍?shù)萚10]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),二次噴丸強(qiáng)化可以進(jìn)一步增大材料表面的殘余壓應(yīng)力,進(jìn)一步延長(zhǎng)材料的疲勞壽命,并且相較于一次噴丸強(qiáng)化,二次噴丸強(qiáng)化效果更好。 Klunsner等[11]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),電火花加工技術(shù)產(chǎn)生的裂紋可以利用微噴砂工藝去除,并且微噴砂會(huì)將基體中的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。因此,對(duì)刀具進(jìn)行涂層之前,進(jìn)行微噴砂加工可以有效延長(zhǎng)刀具的疲勞壽命，提高耐磨性。Merkleina等[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),金屬基體拋光過(guò)程可以將電火花加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。此外，磨削加工與拋光處理共同作用時(shí),會(huì)使金屬基體表面的殘余壓應(yīng)力有輕微減小。崔偉等[12]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),拋光過(guò)程中如果預(yù)壓量增大、線速度加快，會(huì)導(dǎo)致試件的殘余壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變。因此，在拋光過(guò)程中，要設(shè)置合理的拋光參數(shù)，這樣才可以延長(zhǎng)試件的疲勞壽命。Yang等[13]通過(guò)研究指出,在磨削后進(jìn)行高溫退火，會(huì)使基體的殘余壓應(yīng)力減小,進(jìn)而使試件的強(qiáng)度降低。郭偉等[14]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),580 ℃退火不會(huì)使試件表面殘余壓應(yīng)力大幅減小,試件圓角處由于材料蠕變及熱應(yīng)力共同作用，可以將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。綜合以上研究可見(jiàn),經(jīng)過(guò)表面二次處理,金屬基體表面殘余應(yīng)力有所改變,不同的表面二次處理方式對(duì)金屬基體表面殘余應(yīng)力的影響，有很大程度的不同。

2.3 涂層

涂層硬質(zhì)合金刀具可以通過(guò)改變涂層的結(jié)構(gòu)來(lái)改善刀具的力學(xué)性能,如梯度涂層、多層涂層等。將刀具的涂層設(shè)計(jì)成漸變式或多層式，均可以在很大程度上延長(zhǎng)刀具的使用壽命[15]。硬質(zhì)涂層中的殘余壓應(yīng)力有兩個(gè)作用：一是較大的殘余壓應(yīng)力使薄膜粘結(jié)性能下降,使涂層與基體脫離；二是較大的殘余壓應(yīng)力有助于提高刀具的綜合力學(xué)性能[16]。Denkena[17]等通過(guò)研究表明,在采用物理氣相沉積法制備涂層的過(guò)程中，會(huì)在金屬基體表面誘導(dǎo)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力?？椎萝姷萚18]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),沉積溫度升高、沉積速度加快均會(huì)促進(jìn)涂層表面殘余壓應(yīng)力增大,并且將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。Li等[19]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),在應(yīng)用物理氣相沉積法制備涂層時(shí),隨著反應(yīng)氣體比例的提升,涂層的殘余拉應(yīng)力有減小的趨勢(shì)。邱龍時(shí)等[16]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),采用物理氣相沉積法制備刀具涂層過(guò)程中，工作氣壓降低及基體偏壓升高均有助于增大涂層的殘余壓應(yīng)力，而隨著涂層厚度的增大,涂層平均殘余壓應(yīng)力減小。因此,在金屬基體涂層的過(guò)程中,對(duì)涂層進(jìn)行合適的參數(shù)設(shè)置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),有利于提高刀具的綜合力學(xué)性能。

2.4 涂層表面處理

微噴砂表面涂層后處理技術(shù)是利用磨料顆粒沖擊涂層,增大涂層殘余壓應(yīng)力,提高涂層力學(xué)性能的高效、低成本性能提升方法[20-21]，影響噴砂后處理的工藝參數(shù)主要包括噴砂壓力、噴砂時(shí)間、磨料形狀等。隨著噴砂壓力的增大與噴砂時(shí)間的增加,表面涂層的強(qiáng)度會(huì)提高,殘余壓應(yīng)力會(huì)相應(yīng)增大[22]。涂層經(jīng)過(guò)微噴砂處理后,物理氣相沉積法獲得的TiAlN涂層表面及金屬基體均引入殘余壓應(yīng)力,涂層的脆硬性、疲勞壽命、表面硬度及耐磨性得以改善。采用Al2O3磨粒進(jìn)行微噴砂處理時(shí),殘余應(yīng)力增大效果更加明顯。增大微噴砂壓力在提高薄膜硬度的同時(shí),會(huì)提高薄膜的脆性,導(dǎo)致刀具的疲勞壽命縮短。對(duì)于干式微噴砂,僅在低壓及合適的磨粒條件下才可以延長(zhǎng)刀具的疲勞壽命。而采用濕式微噴砂,粗銳的磨?？梢匝娱L(zhǎng)刀具的疲勞壽命。相比而言，濕式微噴砂對(duì)于延長(zhǎng)刀具壽命更加有效[23]。徐培利等[24]對(duì)比干式微噴砂與濕式微噴砂兩種不同微噴砂處理工藝,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)微噴砂后處理,刀具的殘余壓應(yīng)力明顯增大,涂層疲勞失效等問(wèn)題得到緩解,并且在相同條件下,濕式微噴砂相比干式微噴砂，對(duì)于延長(zhǎng)涂層刀具壽命更加有效,對(duì)環(huán)境的污染更小。劉燦宇[25]應(yīng)用濕式噴砂對(duì)化學(xué)氣相沉積法涂層進(jìn)行表面后處理,發(fā)現(xiàn)微噴砂后處理工藝可以明顯提高涂層硬質(zhì)合金刀具殘余壓應(yīng)力水平,使刀具壽命得以延長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)球狀ZrO2磨料微噴砂處理60 s后,Al2O3/TiCN涂層刀具壽命得到明顯延長(zhǎng)。綜合以上研究可見(jiàn),與金屬基體表面處理相類似,對(duì)涂層進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?通過(guò)改變涂層的殘余應(yīng)力,可以在一定程度上提高涂層的力學(xué)性能。

3 表面殘余應(yīng)力對(duì)刀具磨損的影響

王海洋等[26]通過(guò)研究指出，TiN涂層厚度為2.0 μm時(shí),涂層殘余應(yīng)力最大,涂層硬度最低，TiN涂層基體呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，且隨涂層厚度的增大而減小。TiAlN涂層基體主要呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力,并且會(huì)隨涂層厚度的增大而增大。TiAlN涂層殘余壓應(yīng)力增大，會(huì)明顯提高涂層的力學(xué)性能,進(jìn)而延長(zhǎng)涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命。但若殘余壓應(yīng)力過(guò)于增大,則會(huì)使涂層的脆性提高,進(jìn)而加劇涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損程度[27]。Denkena等[17]對(duì)物理氣相沉積法TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具分別進(jìn)行磨削和拉絲處理后,進(jìn)行車削試驗(yàn),確認(rèn)對(duì)相同形狀因數(shù)的刀具進(jìn)行處理時(shí),磨削后的刀具耐磨損效果更好。原因在于采用磨削處理相較于拉絲處理,基體的殘余壓應(yīng)力更大,耐磨損效果更好。刀具磨損情況如圖1所示。

▲圖1 刀具磨損情況

涂層硬質(zhì)合金刀具亞表面殘余應(yīng)力分布會(huì)對(duì)切削過(guò)程中產(chǎn)生的較高殘余拉應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償,進(jìn)而提高涂層硬質(zhì)合金刀具的耐磨損性能。劉建華[28]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),涂層中殘余拉應(yīng)力是導(dǎo)致涂層厚度方向產(chǎn)生微裂紋的主要原因,而殘余壓應(yīng)力則會(huì)促進(jìn)微裂紋在界面方向的拓展延伸。當(dāng)涂層硬質(zhì)合金刀具導(dǎo)熱系數(shù)整體提高時(shí),會(huì)減小刀具的熱應(yīng)力梯度,進(jìn)而提高刀具抵抗熱磨損的能力。Gonzalo等[29]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),ZrCN和TiN 涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損情況與涂層殘余應(yīng)力有直接關(guān)系,涂層殘余壓應(yīng)力越大,涂層硬質(zhì)合金刀具的側(cè)面磨損情況越嚴(yán)重,刀具的使用壽命就越短。Breidenstein等[30]對(duì)AISI 4140 和 Ti-6Al-4V兩種不同基體的涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削試驗(yàn),結(jié)果表明涂層殘余應(yīng)力狀態(tài)與刀具磨損情況有相關(guān)性,尤其與磨損類型密切相關(guān)。提高刀具表面及基體物理氣相沉積法TiAlN涂層的殘余壓應(yīng)力水平,刀具抵抗牙洼磨損、后刀面磨損及崩刃的能力相應(yīng)提高。基體附近殘余應(yīng)力為較高的殘余壓應(yīng)力水平時(shí),刀具抵抗崩刃的能力更強(qiáng)。在切削過(guò)程中,刀具與試件長(zhǎng)時(shí)間接觸會(huì)使刀具失效,主要存在熱疲勞與磨損兩種損傷機(jī)制。Teppernegg等[31]通過(guò)研究指出,涂層硬質(zhì)合金刀具在銑削全過(guò)程，以及直至以磨損為主要損傷機(jī)制的失效,始終存在殘余壓應(yīng)力。在以熱疲勞損傷為主的涂層硬質(zhì)合金刀具中,初始狀態(tài)的殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。劉燦宇[25]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),化學(xué)氣相沉積法涂層硬質(zhì)合金刀具涂層內(nèi)分布?xì)堄嗬瓚?yīng)力,通過(guò)濕式微噴砂處理可將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力,較高的殘余壓應(yīng)力水平可以抑制涂層硬質(zhì)合金刀具萌生或擴(kuò)展微裂紋,進(jìn)而增強(qiáng)涂層的耐磨性。因此,涂層硬質(zhì)合金刀具表面殘余應(yīng)力為殘余壓應(yīng)力時(shí)，能夠適當(dāng)提高刀具的耐磨損性能。當(dāng)殘余壓應(yīng)力過(guò)大或者刀具表面殘余應(yīng)力為殘余拉應(yīng)力時(shí),會(huì)降低刀具的耐磨損性能。

4 展望

涂層硬質(zhì)合金刀具相較于未涂層硬質(zhì)合金刀具,可以明顯減小切削加工過(guò)程中的磨損,顯著提高切削效率，延長(zhǎng)自身使用壽命[32-33]。當(dāng)前,涂層硬質(zhì)合金刀具在汽車、航空、航天等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的加工中得到廣泛應(yīng)用。雖然國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了大量研究，并取得較多成果,但其耐磨損性能仍有待進(jìn)一步提高。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀具表面處理后應(yīng)力分布狀況、力學(xué)性能，以及刀具磨損對(duì)刀具表面殘余應(yīng)力分布影響等方面進(jìn)行相關(guān)研究,而對(duì)于涂層硬質(zhì)合金刀具表面殘余應(yīng)力分布對(duì)刀具磨損性能影響的研究則相對(duì)較少,因此有必要進(jìn)行更加深入的研究。相信在不久的將來(lái),隨著研究的深入,低成本、高壽命的涂層硬質(zhì)合金刀具將得到廣泛應(yīng)用。