涂层刀具摩擦磨损研究

李伟欣;石 磊;牟国忠

摘要:涂层刀具已成为现代刀具的重要标志,涂层刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本,将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种。这里讨论了国内外涂层刀具的种类及切削应用情况,并对涂层刀具的摩擦磨损,发展及应用状况进行了综合评述。

Abstract:Coated tools have become an important symbol of modern tools, it can improve the machining efficiency and machining accuracy, extend tool life, reduce processing costs. It will be the most important species in the future in the field of CNC machining tool. This article discusses the domestic and foreign-coated cutting tool types and applications, and coated tools development and application of friction and wear conditions were reviewed.

关键词:涂层刀具;摩擦;磨损

Key words: coated tools l; friction; wear performance

中图分类号:TG71 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)04-0065-02

0引言

对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一,涂层刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。

涂层刀具力学和切削性能好,涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性结合起来,既保持了基体良好的韧性和较高的强度,又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。涂层刀具的切削速度比未涂层刀具可提高2倍以上,并允许有较高的进给量。根据日本学者过去的调查,涂层剥落和基体变形分别占涂层刀落片破损原因的45%和25%,合计70%[1]。只要能减少这两种损坏,涂层刀片的平均使用寿命就会提高。这两个问题与涂层的金相组织和性能和基体的成分、组织和性能紧密相关,所以改进涂层工艺和完善基体的成分与金相组织,一直是近年来研究的重点。

1涂层材料的性能

涂层刀具的性能决定于涂层材料、基体材料、涂层方式及涂层的厚度。

涂层材料应尽量满足下列要求:高的室温和高温硬度;良好的化学稳定性与基体材料结合牢固;应有渗透性和无气孔;良好的工艺性和低的成本;常用的涂层材料有碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、碳氮化物等,近年来还发展了聚晶金刚石、立方氮化硼和复合涂层。在这些涂层材料中,用的最多的是TiC、TiN、A1203、金刚石以及复合涂层。

TiC耐磨性好[2,3],能有效地提高刀具的抗月牙洼磨损能力,适合于低速切削及磨损严重的场合;TiN涂层具有低的摩擦系数,润滑性能好,能减少切削热和切削力,适合于产生融合和磨损的切削;而TiNC则集中了两种材料的优点。A12O3的高温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比TiC和TiN好,月牙洼磨损率低,适合于高速、大切削热切削;金刚石涂层硬度和热导性高,摩擦系数很低,适合于有色金属合金的高速切削;而复合涂层综合几种涂层材料的特点,目前以双涂层和三涂层组合居多。

2涂层刀具的主要影响因素

涂层刀具材料、涂层与基体以及不同涂层之间的物理匹配程度都会影响界面应力载荷传递及材料性能,其中尤以各层之间的热膨胀系数的匹配程度和弹性模量的差别对材料性能的影响最大。由于热胀失配程度和弹性模量的不同,在材料内部将形成大小及分布不同的残余应力场。从降低残余拉应力,提高材料强度的角度讲,应使基体与涂层的热膨胀系数接近,弹性模量差较小;但从残余应力增韧和微裂纹增韧,提高材料断裂韧性的角度看,存在适当的残余应力是必要的。

改善膜基结合涉及到很多方面,如涂层与基体的化学组成匹配性;涂层与基体的热膨胀系数的差异;涂层与基体间元素的扩散及涂层内应力的影响。涂层的性能好坏关键要处理好两个界面的问题:膜基界面和膜与周围环境介质或对磨面间的界面。

目前增强膜基结合的方法主要有:成膜前进行预溅射清洗以除去不利于涂层与基体结合的杂质;引入中间过渡层,通常选用与基体热膨胀系数相近,化学组成相匹配,晶体结构相似的材料以降低由此产生的内应力;成膜过程中用高能粒子轰击以提高膜基间组分相互扩散能力和膜表面原子的反应活性,降低缺陷的产生。

膜层的厚度涂层的厚度及层数主要取决于工况条件,不一定是层数越多性能愈优[4]。膜层的厚度过大会处于高的应力状态,变脆减少使用寿命。通常单一硬质PVD及CVD涂层的厚度在1～10μm之间,而单一PVD软质涂层的厚度可大于10μm[5];多层涂层的单层厚度一般不超过5μm。涂层表面的粗糙度、表面形貌、表面元素的反应活性等对涂层的摩擦学性能也有较大的影响,这主要应从制备技术、涂层的选择上加以改善。

3涂层刀具的磨损破损特性

在使用新型高性能涂层刀具时,可能出现达不到预期的切削效果,这是由许多因素造成的,例如涂层设备、工艺及涂层技术、质量和性能等[6],有关涂层质量方面问题在进行多元多层复合涂层前,需要重点探索和解决多层金属元素之间的最佳配合、膜层的先后次序及其不同的厚度,合理控制涂层的工艺参数及应力问题。并要对涂层膜进行拍样检测,测定膜层厚度、分布均匀性、结合力、耐磨性和硬度等物理机械性能;有关刀具基体质量方面问题,在高质量刀具基体上进行高质量涂层,才能有高性能涂层刀具。确保刀具基体的质量,应重视及控制刀具坯料的成分、含量及刀具的精加工工艺、热处理后的基体组织和硬度。

在较高的切削速度下,未涂层刀具会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。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。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。

刀具后刀面的磨损对刀具耐用度和工件加工表面质量有着重要影响。未涂层刀具的后刀面磨损带是一实际后角为0°的小平面;涂层刀具后刀面磨损带的截面形状随着切削时间的变化而变化,磨损带形状由带负后角的小斜面变成类似前刀面的月牙洼形状。涂层刀具的初期磨损量特别小,在正常磨损阶段的磨损也极其缓慢,这使涂层刀具能在较长时间内保持刀刃锋利。在试验条件下,未涂层刀具在磨损宽度约为0.3mm时产生剧烈磨损,而涂层刀具在后面磨损为0.1～0.2mm时磨损速度加快,此时的磨损速度与未涂层刀具相近,说明此时涂层的作用已不明显。

涂层高速钢刀具前、后刀面的磨损与未涂层刀具明显不同。涂层刀具前刀面月牙洼窄而深,边界呈锯齿状。涂层刀具后刀面在磨损过程中出现了负倒棱和后刀面月牙洼;涂层的硬隔膜作用时间是短暂的。在正常磨损阶段,涂层起着边界阻碍作用。在剧烈磨损阶段,涂层以掀裂的方式失效并基本丧失作用;涂层能明显减缓刀具磨损速度,提高刀具耐用度。使用涂层刀具时应合理选择工艺参数。

采用不同沉积工艺得到的TiN涂层高速钢的物相主次不同;涂层宏观残余应力呈压应力状态,应力状态主要与膜/基材料的热力学性能的差别有关;不同沉积工艺得到的TiN涂层高速钢的晶粒度约0.1μm,其对涂层的耐磨性影响不大,微观残余应力对耐磨性起了很大作用;有的TiN涂层的点阵参数偏大,这主要是由涂层的微观残余应力和原子置换引起的[7]。

4结语

涂层刀具在使用过程中的磨损形式主要表现为中速时的磨粒磨损和粘着磨损,高速时的扩散磨损和粘着磨损,最后失效形式多为刀刃微区剥离,其机理是涂层中、涂层间和基体内部的裂纹产生和扩展。涂层与基体以及层与层之间存在明显的界面,是薄膜内应力的起源,导致涂层的剥落与破损。

多层涂层的基础研究刚刚起步,缺乏一定的系统性,未形成公认的理论和设计指南。关于多层涂层在摩擦学领域的研究,近些年也大多集中在硬质涂层尤其是Ⅳ、Ⅴ族元素与C、N、B等元素构成的化合物上[8,9],如TiN/TiC、Ti/Ti(CN)/TiN等体系,对于超硬涂层如c-BN、DLC与常见润滑涂层如PTFE、WS2、石墨等的多层复合研究相对较少。今后,对自润滑刀具材料的主要研究方向包括[10]:新型自润滑刀具材料的研制、自润滑膜的形成机理及其在磨损过程中的变化规律、影响自润滑膜形成及特性的主要因素、自润滑膜的组织与性能对自润滑刀具耐磨性能的影响、自润滑刀具的切削性能等。

参考文献:

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