涂层硬质合金刀具磨损机理的研究

收稿日期:2005年3月

涂层硬质合金刀具磨损机理的研究

贾庆莲 乔彦峰

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

摘 要:通过高速切削试验,观察了涂层刀片的磨损过程,描述了其磨损形态,分析了涂层刀片磨损率不同的原因,提出了涂层硬质合金刀具的磨损机理模型以及涂层硬质合金刀具的磨损类型。

关键词:T i N 涂层, 硬质合金刀具, 磨损机理, 高速切削

S tudy on Wearing Mechanism of C oated C emented C arbide Tool

Jia Qinglian Qiao Yanfeng

Abstract:Based on experiments of hi gh speed cutting,the wear process and wear appearance of the coated cemented carbide tools are studied.T he causes of different quanti ties of wear in the experiments are analyzed.T he model of wear mechanism of the coated cemented carbide tools and the wear styles of the coated cemented carbide tools such as di ffuse wear,plastic distortion wear and fatigue flake are presented.

Keywords:TiN coating, cemented carbide tools, wearing mechanism, high -speed cutting

1 引言

用化学气相沉积法(CVD 法)在WC 基硬质合金表面涂覆一薄层高硬度的难熔金属化合物(如TiC 、TiN),所制备的涂层硬质合金具有高耐磨性的表层

和足够韧性的基体。在高速切削条件下,涂层硬质合金刀具的切削性能较佳,其原因之一是由于刀具表面的涂层材料向基体材料一方的/渗透0作用,使刀具上涂层材料已磨穿区的抗扩散磨损能力提高;原因之二是由于刀具刃口涂层材料被磨损的滞后性,即在继续切削过程中,刃口涂层材料起到了有效的机械支承作用,提高了涂层刀片的耐磨性。一般情况下,涂层硬质合金的低速切削性能较差,这是因为在低速切削条件下,涂层的磨损会以磨损率很高的脆性疲劳剥落磨损为主。 2 高速切削试验

试验中以TiC 涂层硬质合金刀片在无级变速车床上加工材料为38Cr Ni3Mo VA 的工件,切削用量为:

f =012m m/r,a p =2mm,v =70~300m/min 。由试验可知,在较高切削速度范围内,涂层刀片的磨损过程大致可划分为三个阶段(见图1)。

(1)初磨阶段

自切削开始至刀具表面涂层材料被磨穿前的这个阶段称为初磨阶段。由于涂层刀片表面存在残余拉应力,其表面不平度约为2~4L m,在刀具)切屑(或工件)间的强烈摩擦下,表面涂层材料沿切屑流

动(或主运动)方向发生塑性滑移。其后果必导致前、后刀面的涂层材料发生塑性断裂,即塑性疲劳剥落磨损,前、后刀面的涂层在图1a 所示R 、F 处被磨穿。

图1 磨损特征

(2)正常磨损阶段

大量观察表明,在正常磨损阶段,前、后刀面涂层磨穿区均离刃口一定距离(见图1b)。也就是说,刀片刃口的涂层完整性尚好。为便于分析,将前、后刀面磨损面划分为六个区(见表1)。

表1 磨损区域划分

区域

特征

Ñ前刀面近主刃处未磨穿区Ò前刀面已磨穿区

Ó前刀面远离主刃处未磨穿区Ô后刀面近主刃处未磨穿区Õ后刀面已磨穿区

Ö

后刀面远离主刃处未磨穿区

据观察,已被磨穿的Ò、Õ区磨损面呈均匀的晶粒状,未磨穿的前刀面Ñ、Ó区,后刀面Ô、Ö区均呈/脊沟0状浅擦痕,深度为1~3L m,其方向平行于切屑流动方向(或主运动方向)。据分析,可以认为磨

损面上的脊沟是涂层材料沿切屑流动方向的塑性滑移所形成。

(3)终磨阶段

经过一定时间后,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(见图1c),涂层刀片便迅速丧失切削能力。

在切削试验中,随着时间的推移,刀片处于不同的磨损阶段,其磨损形态、磨损机理及磨损速率均随之变化。图2

所示即为一种刀片磨损模型。

图2 磨损模型

3 试验结果分析

311 扩散磨损

(1)未磨穿区的扩散磨损率很低

涂层刀片切削后,用电子探针对任意八个刀片未磨穿区表面进行微区分析,得到W 、Ti 、Co 等元素的浓度沿刀)屑界面上的线分布情况(见表2和图3)。

图3a 为尚未切削的新涂层刀片W 、Ti 、C o 等元素的浓度变化情况。刀片表面富钛区显然是TiC 涂层材料;基体(YW3)内部的W 、Ti 、Co 元素浓度分布均匀;在涂层材料和基体材料的结合面附近存在着1~2L m 厚的相互扩散层,这个扩散层在涂层工艺过程中已经形成。

图3b 是已经切削过的刀片W 、Ti 、Co 等元素的浓度变化情况。界面处的富钛区是TiC 涂层材料,表明该刀片尚未被磨穿。与图3a 所示新涂层刀片相比,富钛区内W 、Co 元素浓度增大,由此可以判断,基体材料中的W 、Co 元素正穿过涂层向工件(切

屑)扩散。电子探针对任意八个刀片未磨穿区表面进行微区分析的结果证明了W 、Ta 、Nb 、C o 元素向外扩散的普遍性。由图3b 还可发现,刀)屑界面附近(约2L m 左右)的Ti 元素浓度略有下降,这是因为涂层材料TiC 也正向工件一方扩散和溶解。

表2 涂层未磨穿区微区元素分析

切削条件v ,f ,a p ,t 刀片涂层对应区域

(见表1)

Ti W Co Nb Ta 200,0.2,2,20TiN Ñ99.4150.3310.0130.2320.009200,0.2,2,6TiC Ñ98.071 1.3680.3610.1620.032200,0.2,2,6TiC Ó98.3980.9980.4030.1350.066200,0.2,2,20TiN Ó95.921 3.1200.9200.0300.009200,0.2,2,20TiC Ô96.132 2.368 1.1320.1530.215200,0.2,2,6TiN Ô95.689 2.357 1.8560.0630.035200,0.2,2,20TiC Ö98.8630.8750.1780.0120.070200,0.2,2,20

TiN

Ö

97.933

1.767

0.134

0.085

0.081

由上述试验分析可知,涂层刀片表面涂层未磨穿区确实存在扩散磨损,但该区的扩散磨损率是微不足道的。其原因有以下三点:

¹与WC 相比,TiC 、TiN 的形成自由能$G 较低。因而涂层表面的化合物(TiC 或TiN)状态稳定,不易分解,因而限制了Ti 元素的扩散;

º在1250e 高温时,TiC 化合物在Fe 中的溶解度只是WC 的1/14,因而,与WC 相比,TiC 整体溶入工件材料中去的速率是极低的;

»处于高温作用下的基体材料(WC 、Co 等)虽有向涂层外扩散的趋势,但由于表面层的扩散屏障作用,阻碍了WC 、C o 的扩散。

(2)磨穿区以扩散磨损为主

当磨损面上的涂层被磨穿后,基体材料暴露在界面上。这时的扩散磨损作用机理已与一般硬质合金的扩散磨损作用机理并无大的区别。在刀)屑界

面附近约3~5L m 范围内,刀具材料中的Ti 含量高于原基体中的Ti 含量。为了进行比较,在相同的切削条件下,分别对涂层磨穿区及非涂层基体刀片(YW3)相对应的磨损部位进行微区分析,结果表明,TiC 涂层刀片的Ti/W 比值普遍高于YW3刀片(见表3)。这种磨损区表面Ti 含量略高的现象称为涂层材料向基体材料在化学成分上的/渗透0作用。据研究,WC 在立方碳化物TiC 中的溶解度高达70%,形成复杂固溶体(Ti 、W)C 。随着含Ti 量的增大,(Ti 、W)C 固溶体随之增多。由于其固溶强化作用,