TiCN/α-Al2O3/TiN涂层金属陶瓷刀片的切削行为研究
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2024-09-03 17:07
四川
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游钱炳，李洪林，龙明贵，欧东方.TiCN/α-Al2O3/TiN涂层金属陶瓷刀片的切削行为研究硬质合金材料加工研究进展 [J]. 工具技术, 2024, 58(6):28-35.You Qianbing,Li Honglin,Long Minggui,Ou Dongfang. Study on the cutting behavior of TiCN/α-Al2O3/TiN coated cermet inserts[J]. Tool Engineering, 2024, 58(6):28-35.金属陶瓷具有低密度、高硬度、高耐磨性等特征，被广泛用于制备切削刀具和耐磨件。随着难加工材料的不断出现，金属陶瓷切削刀片在切削过程中易发生黏结磨损，进而导致使用寿命缩短，仅仅通过强化金属陶瓷基体已不能满足切削刀片在干切削条件下高寿命、高耐磨性与高效率的使用要求。因此，为提高金属陶瓷切削刀片的使用寿命和切削质量，对金属陶瓷刀片进行表面涂层非常必要。近年来，国内外企业院所在制备织构α-Al2O3涂层方面进行了大量研究，研究结果表明，成核沉积技术的运用使强织构α-Al2O3涂层受控生长成为可能。早期制备的α-Al2O3涂层，其晶粒生长随机且在切削加工时表现出较大的拉应力，涂层易开裂甚至导致刀具崩刃。近40年，S.Ruppi针对Al2O3涂层在沉积温度、压力、形核氧化层、气体类型与配比、反应催化剂等方面进行了一系列深入研究，并研发了具有强（012）、（104）、（006）、（110）及（116）生长织构的氧化铝涂层工艺。这种定向结晶控制技术使α-Al2O3涂层具有极好的抗裂纹扩展能力，能够有效降低涂层的内应力并提高韧性，减少崩刃。这种氧化铝取向控制技术可制备大厚度、强织构、高结合强度和高耐磨性的α型氧化铝多层涂层，这是PVD技术所不能比拟的。当前，国内的高校、研究所以及企业对涂层金属陶瓷刀片的制备工艺进行了研究，也取得了一定进展，但主要集中在TiAlN系涂层工艺对涂层金属陶瓷的结构与性能的影响。严永林研究了(Ti，Al)N涂层工艺（基体偏压、靶电流和氮分压）对涂层金属陶瓷的结合强度、硬度与摩擦磨损性能的影响，结果表明：靶电流与基体偏压都是通过改变溅射离子的能量来改变涂层的结构与性能，而氮分压的影响体现在通过氮气参与反应形成涂层以及氮分压直接影响涂层的结构与生长取向两方面；当基体偏压与氮分压增大时，涂层金属陶瓷的摩擦系数逐渐降低，其失效形式为磨粒磨损。此外，国内还针对金属陶瓷基体成分对PVD涂层结构和性能的影响做了很多研究工作，结果表明，将现有用于硬质合金的成熟涂层工艺用于制备涂层金属陶瓷切削刀具，其结合强度与微观组织均与同工艺的涂层硬质合金切削刀具存在较大差异，具体表现为结合强度低、残余热应力大以及涂层组织不致密。当前，CVD涂层的制备工艺对涂层金属陶瓷的结构与切削性能的影响以及涂层的形核生长机理等方面的研究还很缺乏，特别是织构氧化铝的涂层工艺对涂层金属陶瓷的微观结构与力学性能的影响还有待研究。鉴于此，本文对织构氧化铝复合涂层金属陶瓷刀片的微观结构与切削行为进行了研究。本文所使用的涂层金属陶瓷刀片先采用粉末冶金方法制备出CNMG120408-PQ刀片坯体，经过刃磨、喷砂处理后再采用SCT600TH涂层炉进行涂层制备，最后经过喷砂处理得到可用于切削加工的MT-TiCN/α-Al2O3/TiN涂层金属陶瓷刀片（编号为CD系列）。对涂层金属陶瓷切削刀片进行切削实验并与某商用CCX系列涂层金属陶瓷切削刀片、MC系列涂层硬质合金切削刀片进行对比。表1为涂层切削刀片的结构参数，CD系列基体成分为Ti(C0.7，N0.3)-15wt% WC-10wt% Mo2C-15wt%Ni(抗弯强度为2000MPa±50MPa，断裂韧性为9.2MPa·m1/2±0.2MPa·m1/2，硬度为1440HV30±10HV30)，其中CD1、CD1M与CD1A均采用相同的气源（CH3CN，TiCl4，AlCl3，H2与N2等）和气体比例，薄涂层与厚涂层仅沉积时间不相同。采用日立Hitachs-4800扫描电镜观察涂层刀片的形貌，采用Bruker D8 Advance设备对涂层金属陶瓷刀片的织构进行表征，采用原子力显微镜AFM-6800检测涂层表面粗糙度。采用自动划痕仪WS-2005对涂层结合强度进行表征，测试参数为最大载荷180N，加载速度100N/min，划痕长度5mm，涂层结合强度是以Lc2作为采集点，Lc2表示划痕边缘处涂层开始剥落时的载荷。在重庆宏钢机床厂的CK6140机床上进行切削实验，采用中国万维VMS-3020图像测量仪测量刀具后刀面磨损量，切削过程中的切削力由Kistler 9257B三向测力仪采集，切削温度由FLIR A655sc红外相机采集。被加工材料为4340钢，直径65mm，车削长度100mm，每2min测量一次后刀面磨损量。式中，I(hkl)为X衍射实测（hkl）晶面的衍射强度；IO(hkl)为标准PDF卡片（hkl）晶面所对应的衍射强度；n为样品经检测的衍射峰个数。涂层的晶粒尺寸D、涂层位错密度δ和微观应变ε分别表示为式中，k=0.9(Scherer Constant)；β=FWHM(rad)；θ=Peak Position(rad)。图1为不同系列涂层刀片的断面形貌。可知，CD1、CD1M、CD1A、CCX与MC5015涂层刀片的厚度分别是13.75μm，8.63μm，13.75μm，14.46μm与15.95μm。CD系列涂层金属陶瓷刀片的表面粗糙度为120nm，CCX涂层金属陶瓷刀片的表面粗糙度为157nm，MC5015涂层硬质合金刀片的表面粗糙度为105nm。采用CD1A涂层工艺制备的厚涂层与商用的CCX、MC5015涂层的厚度相当，但自制CD系列的各个单层涂层厚度与商用刀片的涂层存在差异，具体表现为CCX与MC5015均为厚而细长的TiCN柱状晶。此外，从图中还可以发现CD系列的涂层与金属陶瓷基体结合致密，几乎没有缺陷（裂纹或孔隙），商用CCX与MC5015涂层界面也没有缺陷。图2为涂层刀片的X衍射图谱，从图中可以观察到CD系列与MC5015中的α-Al2O3都有（006）晶面的衍射峰，而CCX没有。为了进一步比较涂层金属陶瓷刀片的微观结构与性能，对XRD数据进行深度处理。表2为各系列刀具的涂层结构与性能参数，表3为涂层刀片的织构系数。从表中数据可知，氧化铝涂层的晶粒尺寸大小顺序是MC5015<CCX<CD，位错密度与微观应变的大小顺序是CD<CCX<MC5015；碳氮化钛的晶粒尺寸大小顺序是CCX<CD<MC5015，位错密度与微观应变的大小顺序是MC5015<CD<CCX。表明不同系列的CVD复合涂层在工艺上各有侧重，相比于CD系列与MC5015，CCX的复合涂层整体更精细。从晶粒尺寸、位错密度以及微观应变三方面只能说明自制的CD系列涂层金属陶瓷切削刀片在微观结构与静态力学性能方面具有可比性，为了进一步比较涂层金属陶瓷刀片的微观结构，需对涂层的织构进行分析。由表3可知，自制的CD系列、MC5015以及CCX系列复合涂层中的TiCN涂层的择优取向均为（311）和（222），其中CD系列的织构系数与MC5015接近，但更大，CCX系列的织构系数最小。而α-Al2O3涂层的择优取向却有较大差异，其中MC5015与CD系列的择优取向均为(006)，而CCX的择优取向为（104）、（024）与（116）。相比于CCX，MC5015与CD系列的氧化铝涂层都具有强织构系数，特别是MC5015的（006）晶面织构系数达6.99。由上文分析可知，不同的织构系数对涂层切削刀片的耐磨性影响不同，并且晶面硬度不相同。由于涂层的择优取向不同，切削过程中的抗磨损能力会存在较大差异，特别是择优取向为（006）的涂层刀具，其平行于表面生长的涂层会自然形成一道致密的抗磨阻热屏障。此外，为了保证涂层切削刀片的可靠性，对CD1、CD1M、CD1A、CCX与MC5015涂层刀片分别进行划痕检测，其结合强度Lc2分别为142N±3N，136N±3N，148N±3N，138N±2N与152N±2N，结果表明，自制的涂层金属陶瓷刀片的结合强度与CCX相当，但与MC5015涂层硬质合金刀片的结合强度还存在差异，这些差异来源于表面处理的状态与涂层工艺控制。图3为不同系列CVD涂层切削刀片的表面形貌。可知，CD系列涂层金属陶瓷切削刀片经表面处理后与CCX和MC5015的表面状态仍存在一定差异，但表面都比较平整。图4为涂层刀片在Vc=138m/min，ap=0.5mm，f=0.25mm/r参数下切削45min后的后刀面磨损宽度。4340高强度钢的组织中含有许多碳化物，这使得切削刀片在加工时面临快速磨损的问题。从图中可以看出，5种涂层切削刀片都没有达到磨钝标准（VB=0.3mm）有两个原因：一是涂层切削刀片经喷砂处理后表面非常平整，一定程度上减小了切屑与刀片表面的摩擦；二是氧化铝涂层与碳氮化钛涂层发挥了抗磨损功能。此外，从图4中还发现CD1涂层金属陶瓷刀片与MC5015涂层硬质合金刀片的磨损量几乎一样。而与CCX相比，CD1A后刀面磨损量更高，基于前文的分析可知，CCX的涂层晶粒尺寸比CD系列要小，但CD系列的氧化铝涂层具有（001）取向，在切削过程中会形成一道抗磨损阻热的屏障，因此在相同的切削参数下加工相同时间，后刀面磨损量与CCX甚至与MC系列差异并不大。后刀面磨损量表明，与CD1和CD1A相比，CD1M的磨损量最大，在同等加工条件下，优选CVD厚涂层组合。这表明在一定条件下，涂层金属陶瓷切削刀片可替代涂层硬质合金切削刀片。图5为不同CVD涂层刀片在Vc=138m/min，ap=0.5mm，f=0.25mm/r条件下切削10min后的的前刀面磨损形貌。可知，CD系列、CCX系列与MC5015涂层刀片的刀刃都保持得比较完整，其中CD1前刀面的形貌表明切屑与涂层刀片的摩擦不剧烈，涂层表面没有太多的摩擦痕迹。CD1、CD1M和MC5015最外层的涂层都是Al2O3，但MC5015前刀面的摩擦痕迹最明显，这可能与涂层喷砂后的形貌相关。CD1A与CCX的最外层涂层均为TiN且都是涂层金属陶瓷刀片，两者的前刀面磨损程度相当。为了便于比较涂层金属陶瓷切削刀片的耐磨性，又对后刀面磨损形貌进行了分析。图6为不同CVD涂层刀片的后刀面磨损形貌。可知，不论是自制的CD系列涂层金属陶瓷刀片，还是CCX涂层金属陶瓷、MC5015涂层硬质合金刀片，都具有黏着磨损与磨粒磨损的显著特征。从刀片的后刀面磨损量可知，几种涂层刀片在切削过程中刃口均比较完整，没有微崩刃与大面积涂层剥落，这表明CVD涂层刀片能够承受切削过程中的热力冲击，但CD1M和CCX的后刀面存在一些涂层的微剥落。尽管几种涂层刀片在切削加工10min后都没有达到磨钝标准，但磨损形貌存在一些差异。与图6a和图6c相比，图6b、图6d和图6e的后刀面磨粒磨损较轻微。产生沟槽的原因有：①4340钢的组织中存在部分强碳化合物，这些碳化物较硬，在挤压摩擦过程中自然会形成一道道沟槽；②表面涂层上的大颗粒在挤压摩擦过程中发生断裂形成碎屑，而这些碎屑是造成磨粒磨损的重要因素。图7为涂层金属陶瓷刀片在切削1h后的前刀面形貌。可以看出，前刀面发生了剧烈摩擦，且都存在涂层大面积剥落以及积屑瘤堆积在刀尖的情况。图7a是厚TiCN+Al2O3涂层金属陶瓷刀片的表面，在刀尖处存在轻微的崩刃；图7b是薄TiCN+Al2O3涂层金属陶瓷刀片的表面，在刀尖处也存在轻微的崩刃，且刃口边缘存在大量黏着的铁屑；图7c是厚TiCN+Al2O3+TiN涂层金属陶瓷刀片的表面，在刀尖处同样存在轻微的崩刃，且刃口边缘存在大量黏着的铁屑；图7d是CCX厚TiCN+Al2O3+TiN涂层金属陶瓷刀片的表面，刃口边缘存在巨大的积屑瘤。 单从涂层金属陶瓷刀片的前刀面磨损形貌可知，四种涂层金属陶瓷刀片的使用寿命相当，造成前刀面失效的根本原因是切削过程中塑性较好的小铁屑在涂层金属陶瓷刀片的刃口处发生了冷焊，形成积屑瘤。在切削过程中遇到钢材组织中的硬质点时，刃口处的积屑瘤与未加工的工件发生强烈的挤压摩擦，当形成切屑的断裂强度超过积屑瘤的黏着强度时，或发生积屑瘤脱落，或发生因积屑瘤黏着造成的微崩刃，由图7b和图7c可以得到印证。图8为四种涂层金属陶瓷刀片的磨损形貌。可知，四种涂层金属陶瓷刀片都有黏着磨损、磨粒磨损以及涂层剥落的特征，且都没有达到磨钝标准。CD1M是采用织构氧化铝涂层工艺制备，CCX为CVD涂层工艺制备，由表3可知，两种涂层工艺所制备的氧化铝涂层的择优取向不同，CD1M中的氧化铝涂层的择优取向为（001），而CCX中的氧化铝涂层的择优取向为（104）、（012）与（116）。CD1M有（001）织构，大部分晶粒高度朝向(001)。然而，由于织构并不完美，一些晶粒可能略有倾斜，即大部分晶粒朝向一致，个别晶粒有一定倾斜的角度，而CCX的织构有三种，表面的晶粒朝向必然不相同。因而从理论上可知，切屑是平行于涂层表面进行塑性流动，而对于CCX涂层刀片，切屑则不是平行于涂层表面流动，因此形成的表面沟槽略有差异。基于图9可知，沟槽形成过程是：在刀片的刃口边缘因工件材料变形而产生高温，当高温切屑流过涂层表面时会引起较软的工件材料与涂层晶粒发生化学反应。炽热的切屑与涂层晶粒的凸起部分接触会产生刻蚀效应，从而形成阶梯状的低能量表面。从图中可知，切屑流过涂层表面时不形成阶梯状的山脊，而会形成一些球形的碎屑，这种球形碎屑可能是破碎的涂层或铁屑形成的氧化物。图10为CVD涂层刀片的切削温度。可知，CVD涂层刀片刀尖处的切削温度高于130℃，而实际切削的温度比红外相机测得温度要高很多，其原因在于红外测温时室内温度较低（8℃~10℃）以及测量存在偏差，而切屑温度与刀尖处的温度接近。表4为涂层刀片切削10min的切削温度，从表中的切削温度可以判断出切屑与表层TiN接触的涂层刀片温度低于切屑与α-Al2O3涂层接触的涂层刀片的温度。基于切削温度可以反映出切屑与涂层挤压摩擦的剧烈程度，表明切屑与氧化铝涂层之间的摩擦相对较为剧烈。表5为涂层金属陶瓷刀片的切削力与刀屑摩擦系数。可知，CCX的刀屑摩擦系数最大，但切削力最小；CD1与MC5015的刀屑摩擦系数接近，两者的切削力相近；CD1A与CD1M的摩擦系数最小，切削力最大。图11为涂层刀片的切削力随时间的变化曲线，结合表5可知，MC5015与CD1、CD1A、CD1M的刀屑摩擦系数小的原因在于氧化铝涂层的织构都是（001）取向，切屑是平行于涂层表面进行塑性流动，而CCX的氧化铝涂层的织构不是（001）取向，涂层表面的晶粒取向不一，与水平面存在一定的角度，因此切屑在涂层表面流动时存在较大的摩擦阻力。图11涂层刀片的切削力图11中，切削力随时间一直在波动是因为4340钢经过淬火后，钢的组织中弥散分布着许多强碳化合物硬质点，致使涂层刀片在切削过程中存在较大阻力。图11c中切削力曲线在中间出现较大波动的原因是切屑缠绕，之后缠绕的切屑断裂，切削力逐渐趋于平稳。图中其他曲线也出现一些波动，这也是因为细小切屑短时间内没有断屑，之后切屑发生断裂。（1）自制CD系列的TiCN涂层和α-Al2O3涂层均为柱状晶结构，与CCX涂层金属陶瓷相比，CD系列的涂层金属陶瓷的结合强度更好，且氧化铝具有（001）强取向。与MC涂层硬质合金相比，自制的CD系列涂层金属陶瓷刀片在微观结构、织构系数、耐磨性方面还存在一定差异。（2）不同氧化铝织构的涂层金属陶瓷刀片在切削过程中形成的沟槽磨损形貌不同。纳米尺度的沟槽形成过程是：刀片的刃口边缘由于工件材料变形而产生高温，当高温切屑流过涂层表面时会引起较软的工件材料与涂层晶粒发生化学反应。炽热的切屑与涂层晶粒的凸起部分接触会产生刻蚀效应，从而形成阶梯状的低能量表面。（3）在切削过程中，TiCN/α-Al2O3/TiN多层涂层金属陶瓷刀片出现了积屑瘤、沟槽磨损、涂层剥落以及微崩刃等磨损特征，造成涂层金属陶瓷刀片失效主要原因是磨粒磨损和黏结磨损。其使用寿命、磨损形貌、切削力以及切削温度方面与商用的CCX和MC5015相当。⊙文章版权归《工具技术》所有，欢迎转发，转载请联系。E-mail：toolmagazine@chinatool.nethttp://gjjs.cbpt.cnki.net工研所官方微信
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