TiN涂层高速钢刀具的磨损特性及规律

一、引言

TiN涂层高速钢刀具多为复杂刀具,在TiN涂层刀具磨损性能试验中,为便于观察,特按复杂刀具的角度设计制作了试验用刀片,将其安装在机夹式刀体上,在无级调速车床上进行耐磨性试验。刀片基体材料为W9Mo3Cr4V,常温硬度64～65HRC。刀片在美国多弧公司MAV-32型离子镀膜机上涂层,膜层厚度为2.4～3.1μm,显微硬度约为2000HV。在一定的切削条件下,用涂层刀具和未涂层刀具分别切削相同的工件,同时测量切削力和切削温度的数值,利用双管立体显微镜、光切法显微镜和扫描电镜等观察刀具各个部位的磨损形貌和磨损尺寸,然后对试验结果进行综合处理和分析。在实验室试验的基础上又进行了大量生产性观测,以验证试验分析的结论。

二、涂层刀具的磨损形态及磨损规律

涂层刀具和未涂层刀具一样,正常磨损发生在三个面上,即前刀面月牙洼磨损、后刀面磨损及副后刀面磨损,其中以前、后刀面磨损为主。

当切削速度较高或切削厚度较大时,月牙洼磨损一般较严重；当切削速度较低或切削厚度较小时,以后刀面磨损为主。图1所示为典型的涂层刀具前、后刀面磨损形貌。从大量的照像观察中可看出涂层刀具磨损的一些特点。涂层刀具月牙洼的中心靠近切削刃,月牙洼边界参差不齐,当月牙洼宽度相等时,涂层刀具月牙洼的深度远大于未涂层刀具。涂层刀具后刀面磨损的主要特点是磨损带表面和切削平面不位于同一平面。涂层刀具在切削过程中产生了负后角磨损带或后刀面月牙洼磨损,观测结果表明,磨损带远离切削刃处的负后角约为14°。

前刀面磨损的扩展及涂层的作用

利用获得的一系列前刀面的磨损图片,绘制出月牙洼扩展曲线。可看出,涂层刀具和未涂层刀具前刀面磨损的产生和扩展情况明显不同。在较高的切削速度下,未涂层刀具在很短时间内即形成很宽的月牙洼；而涂层刀具开始时并不产生明显的月牙洼,只是随着涂层的逐渐磨损,月牙洼才缓慢扩展。涂层刀具的月牙洼边界呈锯齿状扩展。在远离切削刃的一边,涂层刀具月牙洼的底面相对于前刀面较为陡直。对于相同的月牙洼宽度(KB),涂层刀具的月牙洼深度(KT)总是明显大于未涂层刀具。

切削用量:

V＝75m/min,f＝0.11mm/r,ap＝1.25mm

工件材质:

45钢,179HBS；乳化液冷却

结合月牙洼深度(KT)随时间变化的曲线,大量观测可进一步分析涂层的存在对前刀面磨损的影响。由于涂层的存在,前刀面的月牙洼磨损可明显分为四个阶段:第一阶段月牙洼还未形成,在此阶段涂层起着硬隔膜作用,但此阶段时间较短。第二阶段由于前刀面基体材料的软化和涂层的磨损,涂层在某一区域内被磨蚀掉或成块地被切屑带走,在前刀面上很快形成月牙洼。第三阶段为月牙洼的缓慢扩展期,这时涂层起着边界阻碍作用。在此阶段涂层的失效不仅仅是因为机械磨损,而是机械磨损与掀裂的共同作用,月牙洼的边界扩展经历了几个连续的过程:首先涂层在某一部位被掀裂后月牙洼自由扩展,当扩展到涂层边界后,进入边界磨损扩展和疲劳掀裂的准备阶段。由于基体和涂层的磨损速度不同,使边界处变得陡直,切屑流向和涂层面的夹角增大,由于涂层的柱状晶粒垂直于涂层表面,涂层很容易被掀裂。涂层某一部位被掀裂后,磨损又进入了自由扩展期。在第三阶段涂层起着边界阻碍作用,由于连续经过了几个过程,使月牙洼边界呈锯齿状。第四阶段为月牙洼磨损的末期,在此阶段,切屑的流动方向与涂层面的夹角很大(测量表明可达25°～30°),涂层由于很容易被掀裂而丧失了阻碍作用。

从以上分析可看出,前刀面涂层可减缓月牙洼磨损主要是通过边界阻碍作用,而硬隔膜作用是次要的。月牙洼边界扩展的减缓使月牙洼深度扩展减缓。当边界扩展到一定程度后,涂层就丧失了阻碍作用。

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