表面残余应力对涂层硬质合金刀具磨损影响的研究现状*

□ 朱新宇 □ 冒航宇 □ 张嘉蓓

江苏大学 机械工程学院 江苏镇江 212013

1 研究背景

涂层刀具作为一种新兴刀具近年来发展迅速,尤其在工业发达国家,涂层刀具的应用占比达到80%以上。以钛合金、高温合金等材料为加工对象的涂层硬质合金刀具,其性能的提升日益受到人们的关注。目前,涂层的制备技术主要包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法等[1]。涂层硬质合金刀具具有高硬度、强稳定性、高熔点、强耐磨性等特点[2]。科技的高速发展使涂层硬质合金刀具可广泛应用于航空、航天、汽车等行业关键零部件材料的加工。对涂层硬质合金刀具进行表面处理后，刀具表面残余应力会发生演变，并会对刀具磨损产生影响。笔者对以上问题的研究现状进行介绍,并对高性能涂层硬质合金刀具的未来发展进行展望。

2 涂层硬质合金刀具表面残余应力演变

2.1 基体表面处理

基体的表面处理工艺主要包括磨削、电火花加工、激光加工、切削、抛光等。 Yang等[3]通过研究发现,磨削加工在引入损伤薄层的同时,会产生较大的残余压应力。与磨削加工相比,抛光条件下产生的残余压应力小很多。Denkena等[4]通过研究发现，在使用喷丸工艺进行预处理的同时，金属基体表面会产生残余压应力。使用不同的喷丸材料，在很大程度上会影响基体表面残余压应力的大小。Kumar等[5]通过研究发现，喷丸强度相比喷丸处理接触时间，对基体残余压应力的影响较大。杨健等[6]通过研究发现,采用激光快速成形技术进行基体表面处理,温度场的不均匀会产生残余拉应力,由此会对零件的静载强度、疲劳强度、断裂韧性等力学性能产生一定影响,进而缩短刀具寿命。 Kalentics 等[7]基于激光冲击技术和激光熔覆技术， 提出三维激光冲击技术。这一技术可以将金属基体在激光熔覆制造过程中所产生的残余拉应力转变为残余压应力,其处理效果优于传统的激光冲击技术。Merkleina等[8]通过研究指出,使用电火花加工,试件表面先热后冷，会产生残余拉应力,使刀具的使用寿命缩短。综合以上研究可见,不同的基体表面处理工艺,会产生不同程度的基体残余应力,通过合适的基体表面处理工艺，可以改善基体的力学性能。

2.2 基体表面二次处理

在磨削过程中，较高的机械载荷和热载荷会显著影响材料的亚表面层,在金属基体表面产生较大的残余应力梯度,即使对涂层参数进行优化,仍然会导致物理气相沉积法涂层失效。通过再次喷砂处理,如微喷砂、湿法喷砂等,则可以对基体进行改性。引入较大的残余压应力，可以有效减小磨削过程中的残余应力梯度,还可以有效改善刀具在磨削加工过程中所产生的损伤,提高刀具的耐磨性[9]。孙寒骁等[10]通过研究发现,二次喷丸强化可以进一步增大材料表面的残余压应力,进一步延长材料的疲劳寿命,并且相较于一次喷丸强化,二次喷丸强化效果更好。 Klunsner等[11]通过研究发现,电火花加工技术产生的裂纹可以利用微喷砂工艺去除,并且微喷砂会将基体中的残余拉应力转变为残余压应力。因此,对刀具进行涂层之前,进行微喷砂加工可以有效延长刀具的疲劳寿命，提高耐磨性。Merkleina等[8]通过研究发现,金属基体抛光过程可以将电火花加工过程中产生的残余拉应力转变为残余压应力。此外，磨削加工与抛光处理共同作用时,会使金属基体表面的残余压应力有轻微减小。崔伟等[12]通过研究发现,抛光过程中如果预压量增大、线速度加快，会导致试件的残余压应力向拉应力转变。因此，在抛光过程中，要设置合理的抛光参数，这样才可以延长试件的疲劳寿命。Yang等[13]通过研究指出,在磨削后进行高温退火，会使基体的残余压应力减小,进而使试件的强度降低。郭伟等[14]通过研究发现,580 ℃退火不会使试件表面残余压应力大幅减小,试件圆角处由于材料蠕变及热应力共同作用，可以将残余拉应力转变为残余压应力。综合以上研究可见,经过表面二次处理,金属基体表面残余应力有所改变,不同的表面二次处理方式对金属基体表面残余应力的影响，有很大程度的不同。

2.3 涂层

涂层硬质合金刀具可以通过改变涂层的结构来改善刀具的力学性能,如梯度涂层、多层涂层等。将刀具的涂层设计成渐变式或多层式，均可以在很大程度上延长刀具的使用寿命[15]。硬质涂层中的残余压应力有两个作用：一是较大的残余压应力使薄膜粘结性能下降,使涂层与基体脱离；二是较大的残余压应力有助于提高刀具的综合力学性能[16]。Denkena[17]等通过研究表明,在采用物理气相沉积法制备涂层的过程中，会在金属基体表面诱导产生残余压应力。孔德军等[18]通过研究发现,沉积温度升高、沉积速度加快均会促进涂层表面残余压应力增大,并且将残余拉应力转变为残余压应力。Li等[19]通过研究发现,在应用物理气相沉积法制备涂层时,随着反应气体比例的提升,涂层的残余拉应力有减小的趋势。邱龙时等[16]通过研究发现,采用物理气相沉积法制备刀具涂层过程中，工作气压降低及基体偏压升高均有助于增大涂层的残余压应力，而随着涂层厚度的增大,涂层平均残余压应力减小。因此,在金属基体涂层的过程中,对涂层进行合适的参数设置及结构设计,有利于提高刀具的综合力学性能。

2.4 涂层表面处理

微喷砂表面涂层后处理技术是利用磨料颗粒冲击涂层,增大涂层残余压应力,提高涂层力学性能的高效、低成本性能提升方法[20-21]，影响喷砂后处理的工艺参数主要包括喷砂压力、喷砂时间、磨料形状等。随着喷砂压力的增大与喷砂时间的增加,表面涂层的强度会提高,残余压应力会相应增大[22]。涂层经过微喷砂处理后,物理气相沉积法获得的TiAlN涂层表面及金属基体均引入残余压应力,涂层的脆硬性、疲劳寿命、表面硬度及耐磨性得以改善。采用Al2O3磨粒进行微喷砂处理时,残余应力增大效果更加明显。增大微喷砂压力在提高薄膜硬度的同时,会提高薄膜的脆性,导致刀具的疲劳寿命缩短。对于干式微喷砂,仅在低压及合适的磨粒条件下才可以延长刀具的疲劳寿命。而采用湿式微喷砂,粗锐的磨粒可以延长刀具的疲劳寿命。相比而言，湿式微喷砂对于延长刀具寿命更加有效[23]。徐培利等[24]对比干式微喷砂与湿式微喷砂两种不同微喷砂处理工艺,发现经过微喷砂后处理,刀具的残余压应力明显增大,涂层疲劳失效等问题得到缓解,并且在相同条件下,湿式微喷砂相比干式微喷砂，对于延长涂层刀具寿命更加有效,对环境的污染更小。刘灿宇[25]应用湿式喷砂对化学气相沉积法涂层进行表面后处理,发现微喷砂后处理工艺可以明显提高涂层硬质合金刀具残余压应力水平,使刀具寿命得以延长。经过球状ZrO2磨料微喷砂处理60 s后,Al2O3/TiCN涂层刀具寿命得到明显延长。综合以上研究可见,与金属基体表面处理相类似,对涂层进行适当的表面处理,通过改变涂层的残余应力,可以在一定程度上提高涂层的力学性能。

3 表面残余应力对刀具磨损的影响

王海洋等[26]通过研究指出，TiN涂层厚度为2.0 μm时,涂层残余应力最大,涂层硬度最低，TiN涂层基体呈现残余压应力，且随涂层厚度的增大而减小。TiAlN涂层基体主要呈现残余拉应力,并且会随涂层厚度的增大而增大。TiAlN涂层残余压应力增大，会明显提高涂层的力学性能,进而延长涂层硬质合金刀具的使用寿命。但若残余压应力过于增大,则会使涂层的脆性提高,进而加剧涂层硬质合金刀具的磨损程度[27]。Denkena等[17]对物理气相沉积法TiAlN涂层硬质合金刀具分别进行磨削和拉丝处理后,进行车削试验,确认对相同形状因数的刀具进行处理时,磨削后的刀具耐磨损效果更好。原因在于采用磨削处理相较于拉丝处理,基体的残余压应力更大,耐磨损效果更好。刀具磨损情况如图1所示。

▲图1 刀具磨损情况

涂层硬质合金刀具亚表面残余应力分布会对切削过程中产生的较高残余拉应力状态进行补偿,进而提高涂层硬质合金刀具的耐磨损性能。刘建华[28]通过研究发现,涂层中残余拉应力是导致涂层厚度方向产生微裂纹的主要原因,而残余压应力则会促进微裂纹在界面方向的拓展延伸。当涂层硬质合金刀具导热系数整体提高时,会减小刀具的热应力梯度,进而提高刀具抵抗热磨损的能力。Gonzalo等[29]通过研究发现,ZrCN和TiN 涂层硬质合金刀具的磨损情况与涂层残余应力有直接关系,涂层残余压应力越大,涂层硬质合金刀具的侧面磨损情况越严重,刀具的使用寿命就越短。Breidenstein等[30]对AISI 4140 和 Ti-6Al-4V两种不同基体的涂层硬质合金刀具进行切削试验,结果表明涂层残余应力状态与刀具磨损情况有相关性,尤其与磨损类型密切相关。提高刀具表面及基体物理气相沉积法TiAlN涂层的残余压应力水平,刀具抵抗牙洼磨损、后刀面磨损及崩刃的能力相应提高。基体附近残余应力为较高的残余压应力水平时,刀具抵抗崩刃的能力更强。在切削过程中,刀具与试件长时间接触会使刀具失效,主要存在热疲劳与磨损两种损伤机制。Teppernegg等[31]通过研究指出,涂层硬质合金刀具在铣削全过程，以及直至以磨损为主要损伤机制的失效,始终存在残余压应力。在以热疲劳损伤为主的涂层硬质合金刀具中,初始状态的残余压应力转变为残余拉应力。刘灿宇[25]通过研究发现,化学气相沉积法涂层硬质合金刀具涂层内分布残余拉应力,通过湿式微喷砂处理可将残余拉应力转变为残余压应力,较高的残余压应力水平可以抑制涂层硬质合金刀具萌生或扩展微裂纹,进而增强涂层的耐磨性。因此,涂层硬质合金刀具表面残余应力为残余压应力时，能够适当提高刀具的耐磨损性能。当残余压应力过大或者刀具表面残余应力为残余拉应力时,会降低刀具的耐磨损性能。

4 展望

涂层硬质合金刀具相较于未涂层硬质合金刀具,可以明显减小切削加工过程中的磨损,显著提高切削效率，延长自身使用寿命[32-33]。当前,涂层硬质合金刀具在汽车、航空、航天等领域关键零部件的加工中得到广泛应用。虽然国内外研究学者针对涂层硬质合金刀具进行了大量研究，并取得较多成果,但其耐磨损性能仍有待进一步提高。目前,国内外学者主要针对涂层硬质合金刀具表面处理后应力分布状况、力学性能，以及刀具磨损对刀具表面残余应力分布影响等方面进行相关研究,而对于涂层硬质合金刀具表面残余应力分布对刀具磨损性能影响的研究则相对较少,因此有必要进行更加深入的研究。相信在不久的将来,随着研究的深入,低成本、高寿命的涂层硬质合金刀具将得到广泛应用。