涂层刀具的磨损机制

　　【编者按】TiN涂层应用于高速钢金属切削刀具以来，PVD涂层已成为刀具磨损防护的标准手段，本文阐述了涂层刀具的磨损机制。【参阅未涂层刀具的磨损机制】

　　自从上世纪70年代末期TiN涂层应用于高速钢金属切削刀具以来，PVD涂层已成为刀具磨损防护的标准手段，而如今的涂层中心可以为高速钢刀具提供各种类型的陶瓷薄涂层。厚度为1－10μm的PVD薄涂层主要以两种方式来保护刀具切削刃：①作为抵御磨料磨损和轻微粘结磨损的保护层；②通过减少刀具与工件材料之间的摩擦，尤其是切屑与前刀面之间的摩擦，来降低刀具温度。

　　这种涂层将很高的硬度（高耐磨性）和与金属材料相对较低的化学反应活性（低可溶度）结合在一起，而后者可防止作为粘结磨损先决条件的熔焊机制的产生。因此，如今的大多数常用PVD涂层都是通过疲劳和不连续的剥离/脱落而失效，而不是通过缓慢的逐渐磨损被去除。一旦表面涂层被去除，涂层刀具的磨损机理就变得与未涂层刀具相同，而且由于涂层刀具通常采用的切削参数更严苛，因此其磨损程度也更剧烈。

　　（1）由于基体制备不良造成涂层脱落

　　高速钢刀具基体制备不良主要可能有两种情况：在粗磨/精磨加工时，基体表面温度超过了奥氏体化温度，从而形成了脆性较大的未回火马氏体表面层；或导致基体表面过于粗糙。

　　高速钢作为PVD涂层基体时，磨削高温形成的未回火马氏体脆性表面层将使涂层的附着力降低。高速钢刀具的PVD涂层具有数量级为1－5GPa的内部压应力。通常，沉积在高速钢上的TiN涂层具有大约4GPa的横向残余压应力。这种压应力有利于增强涂层内部的结合力，但却对涂层与基体的粘附性具有不利影响。过高的压应力加上粗糙的基体表面，可能会导致在没有任何外部载荷的情况下，涂层自行脱离。其原因是，涂层中的横向压应力加上粗糙的基体，将会在整个涂层/基体界面上产生拉应力。如果该系统受到外部载荷的作用，涂层就很容易沿着拉应力最大的区域（即沿着刀具上粗糙的垄沟）发生脱落。这些垄沟是磨削工艺过于粗放或磨削参数选择不当造成的。

　　由基体表面形貌引起涂层失效的另一个例子也表明，在涂层中形成的裂纹可能会蔓延到高速钢材料的表层以下。通过疲劳效应，这些裂纹随后可能会引起切削刃崩刃和严重的刃口破裂。

　　（2）由于基体热软化造成的涂层脱落

　　一旦高速钢基体材料达到了会发生过度软化的温度水平，就无法承受接触压力和涂层的脆性断裂。涂层下方较暗的酸蚀断面明暗对比表明因过度回火而发生了热软化。然后，这种涂层断裂和个别碎片又被分解为更细小的碎片。

　　切削刃磨损的分布与演变

　　以上描述的磨损机制最终将会导致刀具的磨损超过磨钝判别标准（或者是给定的后刀面、前刀面磨损宽度，或者是某种程度的刃口变钝）。

　　以TiN涂层滚刀刀齿上一个大月牙洼的形成过程（被加工材料为碳钢）为例，这种最终会制约刀具寿命的磨损发生在前刀面上。最初，滚刀刀齿遭受程度有限的崩刃。与此同时，发生在前刀面的刀具材料热软化（邻近涂层处较暗的明暗对比揭示出过度回火的迹象）降低了涂层的承载能力，使涂层因破裂和脆性断裂而失效。一旦涂层被去除，就会因为剧烈的粘结磨损，在失去保护的高速钢刀齿上迅速形成一个大月牙洼。

　　初始阶段的磨损往往会通过轻微破裂（崩刃）使刀尖变钝，随之而来的是以磨料磨损和粘结磨损为主的线性稳态磨损机制。渐进式的刀尖变钝是切削刃温度持续升高的原因之一，最终，通过刃口破裂或严重的塑性变形，达到加速磨损状态。

　　提高刀具表面的平滑性和刃口的锋利性可以延长刀具寿命。涂层的应用进一步强化了这种作用。然而，通过涂层来提高耐磨性，往往是为了提高生产率，而不是为了获得更长的刀具寿命。

　　通常，刀具会遭受两种或多种磨损机制的共同作用，但要判断哪一种磨损机制起主导作用可能相当困难。

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