高温合金及钛合金切削工具表面强化技术综述.docx

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高温合金及钛合金切削工具表面强化技术综述

高温合金及钛合金切削工具涂层强化技术进展综述

摘要：

高温合金及钛合金均属于是难加工的材料，近几年其切削工具涂层技术有了很大发展。

介绍了硬质涂层分类及各种涂层材料性能；分析了刀具切削过程及磨损机理；分析了涂层的主要失效方式，原因；提出了防止涂层刀具失效的措施。

关键词:

高温合金硬质涂层切削磨损方式

引言

近几十年来,航空航天、汽车等工业使用材料的性能不断提高,轻质强韧材料的使用日渐增多,尤其是高温合金及钛合金等材料加工难度日益增大。

机加工行业为了降低成本和保护环境,逐渐推广干切削技术,也使某些材料的机加工难度增大。

随着机床制造业的发展,数控机床和加工中心的加工能力获得极大提高,并不断向高速度、高效率加工发展,从而对刀具材料提出了更高的要求[1]。

硬质合金作为一种工具材料,由于其具有高硬度、高强度、高弹性模量、耐磨损和耐腐蚀等性能,已广泛应用于各种切削工具、矿用工具和耐磨耐蚀零部件[2-4]。

为适应各种服役条件,提高使用效率,针对传统硬质合金存在的硬度高而韧性低的矛盾,人们开发了诸如涂层梯度硬质合金等材料[5-12]。

硬质合金切削刀具表面涂层技术是应市场需求发展起来的材料表面改性技术。

采用涂层技术可以有效地提高切削刀具的使用寿命,使刀具获得优良的综合力学性能,从而大幅度提高机械加工效率。

因此涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为刀具制造领域的三大关键技术[13]。

1硬质涂层定义、分类及性能

硬质涂层是指为了提高构件表面耐磨性、耐蚀性和耐高温性能而施加在表面的覆盖层[14]。

涂层一般可由几纳米到几十微米，是依靠原子尺度的粒子在基体表面生成的二维材料，其成份主要是由过渡族金属原子和非金属原子通过金属键、共价键、离子键或几种混合键共同构成的化合物、金属化合物等。

按化学成分将硬质涂层大致可分为:

金属氮化物类、金属碳化物类、金属氧化物类、金属硼化物类，合金类、其他化合物（见表1）。

这些化合物都具有熔点高、硬度大、韧性适当、化学稳定性好、耐蚀能力强等特点，其中碳化物涂层因存在共价键，硬度高十同种元素的氮化物涂层，但韧性不及；氧化物涂层致密度高，而脆性较大。

为了改善涂层特点、提高综合性能，出现了在简单的二元化合物涂层中添加其他元素的多元化合物涂层。

如TiN中引入C元素，生成的TiCN涂层，其硬度相对于TiN可提高33%，金属氮化物中添加一些难熔元素或半难熔元素如Al，Zr，Cr，V等，形成了固溶强化或第二相，提高了Hall-Petch强化机理和裂纹捕陷或偏转，也能使膜层表面在摩擦过程中形成化学转移膜，如氧化膜，石墨转移膜，从而可降低摩擦，在高温和高负载下延缓基体的氧化磨损。

表1.1硬质涂层种类及其主要特性[15]

类别

品种

主要特性

金属

Cr,Cu,Al,Ti,Au,Ni

耐腐与耐热，减磨与润滑，修饰与金属化

合金

MCrAlY,高Ni合金，CuPb

抗高温氧化与腐蚀，耐蚀，润滑

氮化物

TiN，ZrN，CrN，AlN

高硬度，耐磨，减磨，抗腐蚀，导电，修饰性

碳化物

TiC,VC,HfC,NbC

高硬度与耐磨，部分碳化物耐蚀或修饰，导电

氮碳化物

Ti（CN）,Zr（CN）

耐磨，修饰

氧化物

Al2O3,TiO2,ZrO2

耐磨，耐擦伤，装饰性

硼化物

TiB2,ZiB2,AlB,HfB

耐磨

硅化物

TiSi,ZrSi2,Si3N4

抗高温氧化，耐蚀

其他化合物

MoS2,TaS2,ZrTe

减磨，润滑，摩擦系数小

2刀具切削过程及摩擦机理

金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除成为切屑从而得到所需要的零件几何形状的过程。

在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等[16]。

2.1金属切削层变形区划分

由于工件材料的性能（塑性、韧性、抗弯强度等）和切削条件的差别，金属切削状态（切屑形成的状态）分为塑性变型切削、挤裂型切削、剪断型切削和崩碎型切削四种基本形态。

下面以塑性变形切削来说明金属切削过程。

金属切削过程中，工件和切屑在切削力的作用下发生弹性和塑性变形，统称为切削变形。

根据切削变形区各部分不同的应力应变特征，可将切削变形区分为三个部分。

如图2-1所示。

图2-1

Ⅰ区是被切削层与切屑的分界区。

被切削层金属正是经过了Ⅰ区的变形，才变为切屑而沿前刀面而流出的，这一层也称为基本变形区。

该区受力的特点是:

它一方面受到前刀面的挤压作用，另一方面又受到被切削层金属的牵制作用。

两种作用的结果，使该区材料受到强烈的剪切作用，因而发生剪切滑移变形。

在基本变形区靠近刀刃的一端，除了在前刀面的刃口的挤压作用下发生的剪切变形滑移外，同时在刀刃尖端处存在的应力集中作用下发生的切削与工件之间分离撕裂的过程。

刀刃受到比刀具其他部位强烈的多的压应力和摩擦应力的作用，见图2-2（a）。

根据作用与反作用规律，可以看出，在刃前区工件微单元上，必然受到如图2-2（b）所示的强烈拉压作用。

在这种应力状态下，很容易导致材料断裂，因此被切削层变为切屑而与工件母体分离。

其中断裂分离点的位置和性质（脆性断裂或是韧性剪断）与该区域应力集中的程度，分布状态以及工件材料的性质等密切相关。

图2-2刀刃区工件单元受力状态

切屑Ⅰ区剪切滑移变形后沿前刀面流出时，由于受到前刀面的挤压作用，切削底层的材料，还会与刀具前刀面发生强烈的摩擦。

摩擦的结果，使切屑底层的材料发生进一步的剪切滑移变形。

十是构成图2-1所示的第Ⅱ变形区。

该区剪切滑移的基本特点是：

由于摩擦力的作用方向与前刀面平行而与切屑流出速度的方向相反，此时的切屑底层材料沿平行于前刀面的方向纤维化，并使切屑底层的流出速度降低，构成所谓“滞留层”。

这个滞留层是形成积屑瘤、鳞刺等许多表面质量现象的原因[17]。

被切削层在韧口附近与工件母体断裂分离后，上部的材料经Ⅰ,Ⅱ区变形而成为切屑，下部的材料将在刀具与工件接触区经刀具后刀面熨压作用后形成工件上的已加工表面（Ⅲ区）。

切削过程中，刀具必须克服被切削金属、切屑和工件表面的弹性和塑性变形抗力以及刀具与切削和刀具与工件之间的摩擦阻力，以维持切削过程不断进行。

即任何金属切削过程的完成，都必须通过刀具提供足够的切削力，由切削力作功，不断地为切削过程补充能量。

通常，切削力来自前刀面和后刀面。

前刀面上的正压力和摩擦力构成前刀面的合力，后刀面上的正压力和摩擦力构成后刀面的合力，而前后刀面合力的矢量和便构成了总的切削力。

切削力作功，仅有能量的一小部分作为变形能储存在工件和切屑中，其中的大部分将转化为热能，即切削热，在切削区产生很高的切削温度。

切削速度越高，切削温度随之增高。

刀具所承受的切削力和切削温度是很高的，单位切削力可高达2-3GPa，切削温度可高达700～800℃，乃至上千度[18]。

而切削速度，通常都在每分钟几十米至几百米的数量级。

这样的高压、高温和高速的环境条件，使得切削刀具的工作条件比一般比机器零件的工作条件严酷的多，造成切削过程中的摩擦，刀具磨损等一系列的问题。

2.2切削力的理论研究

2.2.1作用在切屑上的力[19]

在直角自由切削下，作用在切屑上的力有：

前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff，在剪切面上也有一个正压力Fns、和剪切力Fs，这两对力相互平衡。

把所有的力都画在切削刃的前方，可得如图3-5的各力关系。

图中Fr是Fn与Ff的合力。

由图3-5所示可得到如下关系式：

（2-1）

（2-2）

（2-3）

（2-4）

（2-5）

——切削层剖面积，

（

为切削宽度）；

——剪切面剖面积，

；

——剪切面剪切应力。

式（2-4）与（2-5）相比，得

——前刀面的平均摩擦系数。

2.2.2切削力的理论研究

由式（2-5）可见，要计算切削力Fz必须知道τ、Ac、β、γ0、

。

τ、β可通过材料实验求得。

当切削加工时，在一定条件下，γ0、Ac均为已知。

于是，力Fz为剪切角

的函数。

如果求出角

，那么就可算出Fz的大小。

我国科学工作者[20]在国外研究的基础上引中出了较为简单的计算切削力的理论方程。

在自由切削，不考虑其他因素等较为理想状态下的受力:

（2-6）

式中n——材料的强化系数；ψ——切削合力与剪切平面的夹角。

若令式（2-6）中

则

2.3刀具磨损过程

通常刀具磨损状态可以分为三个阶段[21]，如图3-6所示:

图2-3刀具磨损形态、磨损过程曲线

（1）初期磨损阶段：

这一阶段磨损曲线的斜率较大。

由十刃磨后的新刀具其后刀面与加工表面间的实际接触面积很小，压强很大，故磨损很快。

新刃磨后的刀面上的微观粗糙度也加速了磨损。

初期磨损量的大小与刀具刃磨质量有很大关系，通常在VB=0.05～0.lmm之间。

经过研磨的刀具，其初期磨损量小，而且要耐用得多。

（2）正常磨损阶段：

经过初期磨损，刀具高低不平的不耐磨的表层组织被磨去，刀具和工件之间的接触面积增加，接触应力比较均匀。

因此，刀具的磨损速度较慢、较平稳。

这一阶段也是刀具的有效工作的阶段，占刀具耐用度的90%～95%。

（3）剧烈磨损阶段：

刀具正常磨损达到一定的程度，刀具与工件的接触情况显著恶化，刃口变钝，摩擦力过大，变形应力和切削温度迅速增大，磨损发生质的变化，使刀具材料的切削性能急剧下降，导致刀具大幅度磨损、烧损甚至十破损，从而使刀具完全丧失切削能力。

3涂层失效方式、原因

切削过程中，涂层理想的失效方式应该是纯理想的逐层原子磨损方式，但实际上基本是以硬质薄膜的开裂与脱落为主，故涂层实际的效用并没有达到理想预期的，严重影响切削刀具的使用寿命。

究其原因，查阅文献资料，可总结为以下几个方面:

（1）膜/基材料差异[22-24]

由于涂层薄膜的弹性模量远高于刀具基体材料的弹性模量，而其热膨胀系数又小于基体的热膨胀系数，切削时在切削力和切削热作用下，基体的拉伸变形大于涂层薄膜的变形，当由基体和涂层薄膜拉伸变形的差异所产生的膜/基间剪应力足以克服涂层薄膜与基体的结合力时，便导致了涂层薄膜和基体之间产生分层破损。

涂层刀具基体发生塑性变形导致涂层开裂与脱落的根本原因也是由于涂层与基体材料弹性模量的巨大差异。

（2）机械冲击及疲劳作用[25]

在断续切削时，切削和空切的交替进行，刀具受交变切削载荷作用。

这种机械冲击使得涂层发生疲劳破损。

另外，由于切削和空切的循环变化，刀具表面温度发生周期性变化，切削时刀具前刀面受热，温度上升，刀片内部产生压应力，空切时刀具前刀面被冷却，温度下降，刀片内部产生拉应力。

拉、压应力交替，产生热疲劳裂纹。

冷热温差愈大，产生裂纹的可能性愈大。

同样随着切削用量的增加，裂纹将进一步加大，随之导致涂层与底材结合力丧失，最终造成涂层的破损。

（3）粘结磨损[26,27]

当涂层材料与工件材料产生粘结时，两者间的相对运动对粘结点产生剪切破坏，导致涂层材料被撕裂并被粘结颗粒带走。

对于有积屑瘤产生的切削加工，积屑瘤脱落时对涂层薄膜将产生直接的剥离作用，积屑瘤的频繁脱落，将对涂层薄膜产生疲劳性的剥离作用，从而造成涂层的脱附，这类剥落主要发生在有积屑瘤产生的前刀面及后刀面相邻区域。

（4）扩散磨损

在切削区的高温作用下，刀具中的碳、钨、钻等元素会向工件中扩散，而工件中的铁元素则会向刀具中扩散，造成其表层组织变化，使磨损的速度加快，这就是扩散磨损[28]。

此种元素之间的相互扩散、置换，结果是降低了刀具表面的强度、硬度，改变了刀具材料的机械性能，如果再经摩擦作用，刀具极容易被磨损。

除刀具、工件材料自身的性质以外，温度是影响扩散磨损的最主要的因素。

（5）氧化磨损

氧化磨损又称为化学磨损[29]，是指在一定的温度下，刀具材料与周围介质（如空气中的氧等）起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，而被切削带走，加速刀具磨损；或者因为刀具材料被某种介质腐蚀，造成刀具磨损。

氧化磨损与氧化膜的粘附强度有关，粘附强度越低，则磨损越快;反之则可减轻这种磨损。

一般，空气不易进入刀-屑接触区，氧化磨损最容易在主、副切削刃的工作边界处形成，在后刀面（有时在前刀面）上划出较深的沟槽。

（6）微观组织缺陷

由于在高速钢热处理和涂层涂覆过程中的结晶速率和结晶方式等不同，在基体材料和涂层材料的各晶粒之间、复合涂层的各个单层之间，以及基体内部，难免存在一些结晶缺陷，以至形成涂层断裂的原始裂纹[30-31]。

原始裂纹产生后，在机械应力或热应力的作用下便进行扩展。

如果原始裂纹较小，远小于临界裂纹尺寸，那么刀具在使用中还有一个裂纹亚稳扩展的过程。

如果原始裂纹较大或亚稳扩展到临界尺寸后，就失稳扩展，导致了涂层破损。

切削过程中，涂层薄膜底面晶粒间的间隙将成为涂层薄膜断裂的原始裂纹，在切削载荷、断续冲击载荷及积屑瘤脱落等作用下，克服沉积时涂层薄膜承受的压缩热应力使这些原始间隙缺陷向涂层薄膜表面扩展，在涂层薄膜中形成断裂裂纹，最后导致涂层薄膜的破损剥落。

4防止涂层刀具失效的措施

一种好的刀具涂层材料需要有高强度、高抗氧化性、良好的扩散互溶阻隔性能以及良好的界面性能匹配性。

为了提高该涂层刀具的刀具寿命，从而使其推广使用，通过前面对涂层刀具主要失效形式以及涂层破损机理的分析，提出了以下几种措施防止涂层刀具失效。

（1）增强基体与涂层之间的性能匹配

涂层失效的主要原因是基体与涂层之间的性能不匹配，首先是其界面的硬度和塑性匹配。

提高其匹配性主要有两条途径：

（1）减低涂层的硬度;

（2）提高基体的硬度。

从而切削时在切削力和切削热作用下，基体的拉伸变形与涂层薄膜的变形相差不是很远，使拉伸变形的差异所产生的膜/基间剪应力不足以克服涂层薄膜与基体的结合力，从而产生分层破损。

所以要设法解决涂层与基体材料弹性模量的巨大差异问题。

（2）减小机械应力与机械冲击

减小机械应力可以防止涂层破损或丧失。

减小机械应力可以从减小切削力的角度考虑，比如对刀尖和刃口进行修磨，可以减小切削载荷对切削部分的机械应力。

较大的刀尖半径，可以使更多的刀刃投入切削，减小了每一点的受力，能够明显增加刀头强度，从而可以避免由于局部应力集中而导致的涂层破损。

而对刃口进行修磨能够提高刃口强度、抗冲击能力和改善散热条件。

所以只要加工要求允许，就应该尽可能使用刀尖和刃口半径较大的刀具。

进给量与背吃刀量应合理选取，以免切削刃和前刀面因受力过大而发生崩裂现象。

提高工艺系统的刚度，减少振动可以降低机械冲击，最大限度地提高刀具寿命。

（3）若基体发生塑性变形及氧化磨损，涂层将因失去有效支持而发生破损，从而更加剧了刀具的磨损。

切削用量增加均使切削温度提高，但其中切削速度对切削温度影响最大，切削速度增高使摩擦生热剧增。

因此，切削速度的选取应有上限。

在重复的走刀路径上使用不同的的切削深度，工件的材料就可以接触到刀刃的不同部位，从而分散了刀具表面温度局部过热的可能性，减少了刀具塑性变形及氧化磨损的发生。

增加冷却液的使用、改善冷却液的循环也是一种防止刀具塑性变形及氧化磨损的有效途径。

（4）减少粘结磨损

涂层刀具表面状态对其损坏形式有很大影响。

若涂层刀具表面粗糙，切屑沿前刀面流出时摩擦阻力较大，被切削材料容易在前刀面粘附并进而形成较大的积屑瘤，切削过程中积屑瘤频繁脱落，将对涂层产生周期性的剥离作用，从而容易使涂层从基体剥落。

而涂层并不能修正基体表面的原始制造误差和缺陷。

因此，可以在涂层刀具涂覆涂层之前，对涂层刀具基体切削部分进行适当的研磨，这将使切屑的粘附现象大幅度下降，涂层刀具的切削性得到极大提高，并可以进行长时间稳定切削。

（5）防止裂纹发生的措施

改善涂层工艺，减少涂层涂覆过程中产生的结晶缺陷。

从材料本身的性质而言，如果材料的微观塑性好、韧性好，则裂纹亚稳扩展时所吸收的势能加大，有利于抑制裂纹扩展。

因此对刀具材料的晶粒细化，可以增加裂纹扩展的晶界阻力，从而也能够提高材料的抗破损能力。

三向压缩应力状态和一定的高温条件，可以提高材料的塑性韧性，因此改善使用条件也可有效抑制裂纹扩展。

5小结

涂层刀具在高温合金切削加工中使用比例较大,但采用涂层方法仍未能根本解决硬质合金基体材料韧性和抗冲击性较差的问题,经过一定时间的切削后,刀具刃口上的涂层材料终因塑性疲劳而被剥落。

大量观察表明,一旦刃口处涂层材料的完整性被破坏,涂层刀片便迅速丧失切削能力。

随着高温合金应用的日益广泛、高效机床和高速切削技术的推广与应用,对刀具材料提出了更高的要求。

国内对高温合金切削加工刀具材料的研究比较少,迫切需要开发出具有自主知识产权的新型刀具材料以填补这个空白。

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