氮鋁鉻薄涂層鋸片刀干式高速切削316L不銹鋼的試驗研究

周楠 李必文 顧劍濤 彭弘哲 方童

摘要：貫徹廢物最小化原則、優(yōu)選出適應(yīng)切割取樣干式高速切削工況的長壽命圓鋸刀，是核工業(yè)某熱室的現(xiàn)實需要。以商業(yè)化的1 μm厚CrAIN單涂層圓鋸刀為研究對象，TiCN涂層、M2圓鋸刀為比對參照，研究了高速干切削316L不銹鋼條件下刀具的壽命、失效形式及工件表面Rmax值，以及與涂層和基體的組織結(jié)構(gòu)、性能演變的關(guān)系。結(jié)果表明，M35基CrAIN薄涂層圓鋸刀進行線速度89.53 m/min干切削時，耐用度是M2基TiCN涂層圓鋸刀的2.04倍，涂層和基體均表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫紅硬性、耐磨性和抗氧化性，能較好地滿足熱室刀具壽命長、換刀次數(shù)少、試樣表面質(zhì)量好的要求。M2基TiCN涂層圓鋸刀的凹缺陷、熱穩(wěn)定性決定其不能適應(yīng)400℃以上的高速干切削，其切割出的工件表面質(zhì)量稍好于M2圓鋸刀。

關(guān)鍵詞：圓鋸刀;CrAIN薄涂層;TiCN涂層;高速干切削;熱室

中圖分類號：TG501

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492（ 2022）02-0046-05

0 引言

某核工業(yè)熱室承擔(dān)試驗堆堆工材料的物理化學(xué)性能、機械性能和金相的測試實驗任務(wù)，需要對高放射性核燃料棒或金屬零部件進行切割取樣。無論是受熱室遙操作主從機械手系統(tǒng)工作范圍、負(fù)載能力、復(fù)雜程度的限制，還是遵循切削系統(tǒng)廢物最小化的原則，都必須基于熱室現(xiàn)役臥式銑床的運行狀態(tài)選用長壽命圓形鋸片刀進行干式切削。本文選取與現(xiàn)役M2圓鋸刀150x2x722同規(guī)格的CrAIN薄涂層圓鋸刀進行試驗研究，并與TiCN涂層、M2圓鋸刀比對，考察其高速干切削316L奧氏體不銹鋼的耐磨性、高溫抗氧化性、耐用度與工件表面質(zhì)量，分析磨損機理，為熱室優(yōu)選圓鋸刀提供依據(jù)。

1 高速干切削對比試驗

試驗刀具及工件的安裝方式與熱室一致，切削用量也是基于熱室現(xiàn)役的XA6132型臥式銑床變速操縱機構(gòu)狀態(tài)及遙操作的限制而確定的。高切速必然導(dǎo)致切削熱大幅度增加，干切削必然導(dǎo)致切削溫度大幅度攀升，加上不銹鋼導(dǎo)熱率低、散熱條件不好，刀具面臨耐熱性的嚴(yán)峻考驗。

1.1 試驗材料檢測

試驗采用的CrAIN涂層刀基體為韌性、強度均高于M2且價格相對低廉的含鈷高速鋼M35，其涂層俗稱特A氮鋁鉻涂層，采用多弧離子鍍技術(shù)制備出的厚度僅為1μm，一是為了弱化涂層較厚時易產(chǎn)生的剝落與掀裂現(xiàn)象，二是為了節(jié)省涂層制備的時間和費用;TiCN涂層刀基體為M2，涂層厚度為2.5μm。通常認(rèn)為，CrAIN涂層具有高硬度、高耐磨性、高抗氧化溫度及熱障作用，適用于難加工材料的高速切削;TiCN涂層比TiN涂層硬度高、摩擦因數(shù)低，適用于加工韌性強的材料，但熱穩(wěn)定性和紅硬性較差[2]。

采用的150x2x722規(guī)格CrAIN薄涂層、TiCN涂層圓鋸刀及M2圓鋸刀分別呈如圖1所示的彩色、灰紫色、銀白色，安裝圓臺上并未制出兼具散熱和排屑功能的環(huán)形孔陣。表1所示為其幾何參數(shù)、刀側(cè)表面顯微硬度與基體硬度的實測值，采用機械比較儀還測出刀具厚度均從齒頂?shù)? mm漸次減薄至圓臺外緣處的1.86 mm。工件材料為316 L奧氏體不銹鋼管材，規(guī)格為25x3.5，表面硬度為198 HV。

1.2 干切削試驗方案

（1）刀具裝夾：拆除懸梁、吊架，刀桿懸臂式安裝，刀具與刀桿鍵連接。

（2）工件裝夾：虎鉗夾持，伸出量不超過50 mm。

（3）切削用量：主軸轉(zhuǎn)速n=190 r/min即線速度89.53 m/min，相對于切削規(guī)范和行業(yè)經(jīng)驗值15-35 m/min而言[3]，線速度超出上限155.8%;進給量為f =150 mm/min，即每齒進給量f= 0.011 mm/min，屬于常規(guī)切削范疇。

（4）磨損階段劃分：將銀白色切屑過程定為初期磨損階段，淡黃色一黃色一古銅色切屑演變過程定為穩(wěn)定磨損階段，紫色-深紫色切屑演變過程定為劇烈磨損階段，藍(lán)色一藍(lán)白色切屑演變過程定為急劇磨損階段。

（5）刀具失效判斷：災(zāi)難性失效或主軸憋轉(zhuǎn)、系統(tǒng)顫振、刀具已完全喪失切削能力。

1.3 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

圖2所示為刀具齒高降低量與切削件數(shù)的關(guān)系曲線，圖3所示為工件表面評定長度內(nèi)斷面曲線最大高度Rmax與切削件數(shù)的關(guān)系曲線。將橫坐標(biāo)換算為切削時間，采用TableCurve 2D可將圖2、圖3各二維曲線進行擬合可得到連續(xù)性、保形性好的高精度擬合曲線數(shù)學(xué)模型，如可將CrAIN涂層刀齒高降低量與切削時間的關(guān)系表征為式（1）形式的多項式，用作預(yù)測刀具磨損量;可將CrAIN涂層刀加工的工件表面Rmax與切削時間的關(guān)系表征為式（2）形式的標(biāo)準(zhǔn)多項式，用作預(yù)測工件表面質(zhì)量。

圖4所示為DVM6徠卡三維顯微鏡下3種圓鋸刀刀齒原始與失效狀態(tài)的表面形貌，表2所示為對3種圓鋸刀失效狀態(tài)的具體描述。可見CrAIN涂層刀的明顯優(yōu)勢，而TiCN涂層刀相對于M2刀幾乎無優(yōu)勢可言。后文將對磨損機理進行分析。

2 涂層檢測與分析

2.1 元素分析

圖5所示為CrAIN刀、TiCN刀涂層表面的SEM照片及能譜圖，表3-4所示為CrAIN涂層及TiCN涂層能譜成分分析。需要說明的是，SEM照片示出了采用WS-2005涂層附著力自動劃痕儀進行檢測時留下的劃痕，而能譜圖是檢測劃痕溝槽中白色相的結(jié)果。

SEM照片顯示TiCN刀涂層表面粗糙度應(yīng)好于CrAIN刀，但從JB-4C精密粗糙度測試儀檢測出的表5結(jié)果來看，雖然兩種涂層刀的表面質(zhì)量相對于未涂層刀都有不同程度的改善，薄涂層的CrAIN刀表面質(zhì)量卻出人意料地好于厚涂層TiCN刀。進一步觀察發(fā)現(xiàn)TiCN涂層在垂直于劃痕的方向產(chǎn)生了較多貫穿至基體的微裂縫，涂層表面也存在大顆粒。分析微裂縫這種凹缺陷的存在，以及涂層制備時基體偏壓參數(shù)的不盡合理生成的大顆粒的綜合作用對涂層表面質(zhì)量的提升造成了負(fù)面影響。

將表3與3.5 μm厚涂層CrAIN刀的成分進行比對，發(fā)現(xiàn)薄涂層多檢測出了W、Mo和V的成分，且Cr、Al和N的含量遠(yuǎn)低于厚涂層，F(xiàn)e的含量遠(yuǎn)高于厚涂層，分析1μm厚的涂層溝槽檢測部位尚為靶材原子和基材原子的共混膜層，而不是單純由靶材原子構(gòu)成的膜層。表4在TiCN涂層中檢測出了Cr和Fe的成分，分析2.5 μm厚的涂層溝槽檢測部位尚未完全純化為靶材成分，且在450℃左右的腔室溫度下基材成分可能熱擴散至涂層內(nèi)部。

2.2 涂層的相分析

圖6所示為CrAIN薄涂層和TiCN涂層表面XRD衍射圖，結(jié)合表3分析：CrAIN薄涂層中以金屬鍵結(jié)合、具有面心立方體結(jié)構(gòu)的CrN相在（200）處衍射峰重疊且強度最高，說明晶體沿著（200）晶面擇優(yōu)生長;雖然涂層中Al含量較少，但Al原子會置換部分Cr原子，引起晶格發(fā)生畸變以及晶格常數(shù)變小[4-5]，使CrAIN薄涂層相對于CrN涂層具有更好的綜合性能，且AIN良好的熱穩(wěn)定性還能有效抑制薄涂層中氮的減少。結(jié)合表4分析：由TiN和TiC形成連續(xù)Ti（C，N）固溶體的TiCN三元硬質(zhì)涂層，是在TiN晶格中由C原子占據(jù)部分N原子點陣位置而形成的復(fù)合化合物;隨著C原子的加入，涂層的衍射峰取向由TiN結(jié)構(gòu)取向為主的（111）轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒚iC結(jié)構(gòu)取向為主的（200）以及（111）和（220）;原子半徑大的C原子置換N后，晶格膨脹、晶格常數(shù)變大，且具有抑制TiCN柱狀晶粒形成的作用[6]。

2.3 涂層膜/基結(jié)合強度分析

鑒于涂層的毛孔、裂縫、擦痕等凹缺陷及大顆粒會對劃痕曲線產(chǎn)生干擾，本實驗采用劃痕儀判定膜/基結(jié)合強度時，不但采用了聲發(fā)射圖譜和摩擦力曲線，且結(jié)合劃痕形貌進行了修正，使測試結(jié)果更加準(zhǔn)確可信。圖7、圖8分別為載荷20N、加載速率20 N/min、劃痕長度3 mm、金剛石壓頭半徑0.2 mm時兩種涂層的劃痕曲線和劃痕照片。排除異常位置加載處拐點對劃痕曲線的影響后，綜合評定出CrAIN薄涂層和TiCN涂層膜基結(jié)合力的臨界載荷分別為19.1 N、18.3 N。

3 CrAIN和TiCN涂層刀具干切削磨損機理分析

從高速干切削316 L不銹鋼試驗的結(jié)果來看，CrAIN薄涂層圓鋸刀在使用壽命、加工工件的表面質(zhì)量方面具有絕對的優(yōu)勢，而TiCN涂層圓鋸刀除了加工工件的表面質(zhì)量比M2圓鋸刀有所提升，使用壽命則基本不占優(yōu)勢，不適合316 L不銹鋼的高速干切削。以下從涂層、基體的組織和性能來分析圓鋸刀高速干切削的適應(yīng)性。

CrAIN薄涂層在800℃下的穩(wěn)定相為面心立方CrN相，其本身就具有較高的抗粘性能，而制備時形成的間隙Al會進一步提升涂層的硬度、韌性、熱穩(wěn)定性和抗高溫氧化性，高溫摩擦因素為0.35。隨著高速干切削的持續(xù)進行，涂層在900-1 200℃時的穩(wěn)定相為增加了硬度的Cr，N相，直至1 2000C時涂層硬度才開始降低[8]。圖4反映在高速干切削條件下失效CrAIN圓鋸刀出現(xiàn)了切削塑性材料時常見的粘結(jié)磨損和高溫氧化磨損，但Al、Cr元素能與O，反應(yīng)在涂層表面形成致密的、具有微切削作用的Al2O3、Cr2O3薄層，不但能阻礙0元素向內(nèi)部擴散而抑制涂層進一步氧化，使涂層抗氧化溫度達(dá)到1 100℃，而且起到隔熱作用，降低了刀體溫度，更提升了刀具的耐磨性和紅硬性。

TiCN涂層為面心立方結(jié)構(gòu)，考察摩擦因數(shù)的演變：C原子在初期磨損階段的摩擦過程中會形成的無定型碳轉(zhuǎn)移膜使摩擦因數(shù)低至0.15-0.26，切出的工件表面粗糙度Rmax值小;隨著切削溫度的上升涂層會氧化生成易磨損的TiO2，摩擦因數(shù)急劇增大，至300℃時增大為0.47[10];切削溫度升至500℃時，發(fā)生氧化的C不再具有潤滑減摩作用，耐磨性急劇降低，工件表面質(zhì)量迅速劣化?？疾焱繉拥姆€(wěn)定性：盡管C原子的加入具有細(xì)化晶粒穩(wěn)定組織的作用，但隨著氧化程度加大，涂層平均磨損率逐漸增大;隨著變形量的遞增，組織疏松及裂縫會導(dǎo)致涂層脆性斷裂，出現(xiàn)掀裂和剝落現(xiàn)象，即使膜基結(jié)合力僅略低于CrAIN薄涂層，這種現(xiàn)象也沒能避免，而掀裂和剝落的硬質(zhì)顆粒的磨削作用又會加速涂層的磨損?？疾焱繉拥募t硬性：擇優(yōu)取向（200）而不是原子密排的（111）晶面、組織疏松造成TiCN涂層硬度不夠高，高溫時硬度急劇下降，氧化使得加入的C原子也不能明顯改善涂層的紅硬性。

比對涂層圓鋸刀的M35和M2基體，M35即W6M05Cr4V2Co5，其常溫抗彎強度crbb=3 000 MPa，低于M2即W6M05Cr4V2的3500-4 000 MPa，有基于此，以M35作基體的CrAIN刀的刀尖角應(yīng)大于以M2作基體的TiCN刀，但從切割316L不銹鋼的實際效果來看，CrAIN刀的較小刀尖角在初期磨損階段的抗彎強度是足夠的，可以認(rèn)為CrAIN刀的幾何參數(shù)設(shè)計是滿足強度要求的。M35的沖擊韌性相對M2較低.因此將其硬度控制在67.5 HRC而不是68-70 HRC的高硬度區(qū)間較好地保證了符合工程實際的沖擊韌性要求。M35熱處理回火時Co通過促進硬質(zhì)相WC和MoC從馬氏體中析出增強了彌散硬化效果，600℃以上高溫切削時導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容遞增幅度遠(yuǎn)大于M2，同時Co又起到促進奧氏體中碳化物溶解保證熱穩(wěn)定性、抑制熱疲勞裂紋的作用，故高速干切削時M35較M2硬度高出7 HRC左右、切削刃溫度降低約30-75 ℃[12]，且未出現(xiàn)刃口崩碎現(xiàn)象，即使在涂層實效的磨損階段仍顯示出優(yōu)越的耐磨性和耐用度。

4 結(jié)束語

本文基于核工業(yè)熱室的工作環(huán)境及現(xiàn)實需要，試驗研究了兩種涂層圓鋸刀和M2圓鋸刀高速干切削316L不銹鋼的刀具壽命、磨損量、失效形式及工件表面質(zhì)量，分析了刀具幾何參數(shù)、涂層和基體的組織結(jié)構(gòu)及高溫性能演變對試驗結(jié)果的影響因素，得出以下結(jié)論：以M35作基體的單CrAIN薄涂層圓鋸刀具有非常優(yōu)越的紅硬性、耐磨性和高溫抗氧化性，使用壽命是M2基TiCN涂層圓鋸刀的2.04倍，滿足了熱室對切割取樣刀具的長壽命、少換刀、工件表面質(zhì)量好的要求;制成厚度為2 mm的M35圓鋸刀薄刃基體在高速斷續(xù)干切削中沒有脆性破壞征兆，綜合表現(xiàn)遠(yuǎn)好于M2基體;缺乏冷卻和潤滑的M2基TiCN涂層圓鋸刀在高速干切削條件下涂層會很快失效，壽命相對于M2刀幾乎沒有優(yōu)勢，雖然切割出的工件表面質(zhì)量較好但性價比較差。

參考文獻：

[1]周意漾，李必文，顧劍濤，等.4種鋸片銑刀高速干切削316L不銹鋼的適應(yīng)性研究[J].機械工程師，2020（4）：14-16.

[2] ZHANG G J，LI B，JIANG B L，et al.Microstructure and Tribo-logical Properties of TiN. TiC and Ti（C，N）Thin Films Preparedby Closed-field Unbalanced Magnetron Sputtering Ion Plating[J].Applied Surface Science. 2009. 255（21）：8788-8793.

[3]諸全興，侯慧人.金屬切削手冊[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.2011.

[4]張欽英，陳顥，任興潤，等.Al靶濺射功率對CrAIN涂層組織結(jié)構(gòu)及摩擦性能的影響[J].有色金屬科學(xué)與工程，2017，8（5）：109-114.

[5]付英英，李紅軒，吉利，等.CrN和CrAIN薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及在不同介質(zhì)中的摩擦學(xué)性能[J].中國表面工程，2012，25（6）：34-41.

[6]馬勝利，馬大衍，王昕，等.脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積TiN和TiCN薄膜摩擦磨損特性研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2003（3）：179-182.

[7] Akeem Yusuf Adesina. ZuhairM Gasem.Abdul Samad Moham-med. Comparative Investigation and Characterization of theScratch and Wear Resistance Behavior of TiN. CrN. AITiN andCrAIN Cathodic Arc PVD Coatings[J]. Arabian Joumal for Sci-ence and Engineering，2019，44（12）.

[8]肖新生，杜日異，田君，等，影響CrAIN薄膜高溫抗氧化性的重要因素[C]//廣東省真空學(xué)會2010年年會暨廣東省真空與低碳技術(shù)交流會。2010.

[9]譚培林，周志明，涂堅，等，多弧離子鍍CrAIN涂層對50BA鋼硬度和耐磨性的影響[J].熱加工工藝，2021（12）：1-4.

[10]許俊華，曹峻，喻利花.磁控濺射制備TiCN復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)與性能[J].中國有色金屬學(xué)報，2012，22（11）：3123-3128.

[11]齊文艷，李田，傅恩偉，等.TiCN涂層的制備及其性能的研究[J].陶瓷學(xué)報，2020，41（3）：384-389.

[12]王金雙.M35高速鋼熱處理工藝研究[J].金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004（1）：17-19.