涂層刀具高速車削鐵基高溫合金磨損機理研究*

張 旭，鄭光明，李 源，程 祥，楊先海

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000)

0 引言

GH2132是一種時效硬化型鐵基高溫合金，在650℃以下具有高的屈服強度和持久、蠕變強度，且有較好的加工塑性和滿意的焊接性能，還有很高的高溫強度，加工中刀具容易磨損，屬于典型的難加工材料[1-3]。

涂層硬質合金刀具因耐磨性高、化學性質穩定等優點，較多用于高溫合金領域[4]。目前國內外學者對高溫合金的研究主要集中在鎳基合金, 而針對鐵基高溫合金的切削加工性，研究相對較少[5-7]。用TiAlN涂層、TiAlN+TiN涂層刀具對GH2132進行高速干銑削試驗發現刀具主要磨損形態都是后刀面磨損，主切削刃微崩以及刀尖崩塌等，涂層剝落后基體中粘結劑軟化，硬質相顆粒脫落導致基體劇烈磨損造成失效[8]；干車削速度太低造成涂層剝落，形成積屑瘤，主要磨損機理為粘結磨損和磨粒磨損，速度太高時主要為擴散磨損，同時有磨粒磨損造成的涂層斷裂使其失效[10-11]；觀察臨近失效時的刀具前刀面發現,多數刀具呈現嚴重的月牙洼磨損特征，刀具的主要磨損機理均為擴散磨損和氧化磨損[12]，沖擊載荷超過刀刃所允許的強度后刀具發生崩刃，崩刃嚴重時刀具失效無法切削加工[13]。

本文采用新型納米級TiAlN和AlCrN的PVD涂層刀具進行高速干車削GH2132試驗，通過磨損率分析，研究刀具的切削加工性能，并對刀具磨損SEM圖像及EDS能譜圖進行分析，探究其磨損形式和磨損機理，為鐵基合金的高效高質量加工提供理論指導。

1 試驗設計

(1) 工件材料

工件材料為鐵基高溫合金GH2132，工件尺寸：φ115mm×300mm棒料。其主要物理力學性能為：密度7.916kg/dm3，抗拉強度930MPa，屈服強度590MPa，硬度36HRC?；瘜W成分如表1所示。

表1 GH2132化學成分

(2) 刀具材料

試驗所用刀桿型號為MCLNR2020K12。刀具材料為日本住友公司生產的硬質合金涂層刀具，牌號AC510U，型號CNMG120408N-EF，硬度92.6HRA，抗折力2.6GPa，采用納米級的TiAlN和AlCrN的PVD涂層膜，膜厚3μm；裝夾完成后刀具主偏角95°，副偏角5°，前角-5°，后角5°，刃傾角6°，刀尖半徑0.8mm。

(3) 試驗條件和方案

車削試驗現場照片如圖1所示，試驗在CKD6136i型數控車床進行(最大轉速3000r/min)，切削方式為外圓連續干切削。采用單因素試驗方案進行切削，切削速度v=60、90、120、150、180m/min，切削深度ap=0.5mm，進給量f=0.1mm/r。試驗以刀具磨損率為評

圖1 車削試驗現場照片

價標準[9]，每種刀具，不同參數下預先切削100cm2工件表面積，采用USB200數碼工具顯微鏡觀察刀具前后刀面磨損情況，測量刀尖處后刀面磨損帶寬度值為初始后刀面磨損帶寬度值VBC-i；在此基礎上，再分別切削1000cm2的工件表面積，對當前的后刀面磨損帶寬度值進行測量，記為VBC，兩者之間的差值(VBC-VBC-i)則為表面磨損率hs。試驗結束后，用無水乙醇對刀具進行超聲清洗并吹干，最后結合QUANTA FEG 250型電子掃描顯微鏡(SEM)和能譜分析(EDS)對刀具磨損形貌和元素擴散進行分析。

2 試驗結果與分析

2.1 刀具磨損率分析

圖2 涂層刀具磨損率變化示意圖

對涂層刀具的主、副后刀面磨損率進行分析，得到的磨損率變化曲線如圖2所示。由圖可知，刀具的副后刀面磨損率大于主后刀面磨損率。這是由于刀具的主偏角較大而副偏角較小，在切削過程中主后刀面與待加工工件接觸面積較小，而副后刀面不斷與工件的已加工表面接觸產生摩擦，使副后刀面磨損加劇，導致副后刀面相對主后刀面磨損更為嚴重。

隨著切削速度的提高，兩個刀面的磨損率均呈逐步上升的趨勢，且副后刀面磨損率的增幅普遍大于主后刀面。這是因為隨著切削速度增大，刀具與工件摩擦更為劇烈，切削力和切削溫度逐漸升高，受到力和熱的影響，刀具磨損越來越嚴重，磨損率也逐漸上升。由于工件散熱性較差，當切削速度較高時切削區域溫度增加，熱量更易集聚，導致刀具副后刀面受到更高溫度的影響，磨損率增幅越來越大。

綜合涂層刀具主、副后刀面磨損率變化可知，在所選切削參數范圍內，v=60～150m/min時刀具的磨損率較小，刀具表現出相對穩定的切削性能；當v=180m/min時磨損率較大，刀具磨損嚴重，切削性能降低，會導致加工質量較差。

2.2 刀具磨損機理分析

如圖3所示為涂層硬質合金刀具AC510U在切削速度為60m/min條件下的后刀面磨損形貌SEM圖像，圖3a為刀具磨損宏觀示意圖，從圖中可較明顯觀察到刀具三個磨損帶區域(VC、VB、VN)，從圖3b可觀察到刀具主后刀面涂層剝落及涂層磨損現象，并且發現在切削刃上有部分塊狀粘結，在磨損區域形成了片狀的粘結層，說明刀具的主要磨損機理為粘結磨損。后刀面涂層剝落區有部分劃痕有可能是刀面與工件接觸所致。圖3d所示為對圖3b中c區域進行EDS能譜分析，發現此部分的主要化學元素為W、Fe、Ni、Cr，并有少量的N和Ti，證實在此區域內有工件材料的粘結，使工件中的元素發生了擴散，Ni、Cr元素在刀具表面降低了刀具硬度和切削性能，并增加了工件刀具親和性，加速了粘結磨損；區域中也有涂層剝落露出的刀具基體成分，而在能譜分析中并沒有發現O元素的存在，可見在此切削速度下后刀面并沒有出現氧化磨損。圖3c為刀尖處放大圖，可觀察到切削刃下方有明顯溝壑，并有少量小塊粘結物，這是由于在刀具磨損后期磨損較為劇烈，刀具承受了更大的力和熱。

(a) 后刀面磨損形貌 (b) a區放大圖

(c) b區放大圖

(d) 圖b中c區域EDS能譜分析 圖3 涂層刀具后刀面磨損圖像及EDS分析(v=60m/min)

圖4所示為切削速度60m/min時刀具前刀面磨損圖像及線掃描。結合圖4a、圖4b可以看出，刀具的前刀面出現了一定的月牙洼磨損，并且在切削刃處有片狀的粘結層產生，這些粘結層在切削過程中受熱和力的作用不斷堆積，最終堆疊在一起形成類似梯田的較厚粘結層，而在靠近后刀面處發現有較大塊的積屑層不斷卷曲粘結，形成管狀粘結物附在前刀面。圖4c為圖4b前刀面EDS線掃描放大圖，發現主要元素為Fe、Ni、Cr，可見粘結物中工件元素占主要部分，而在中間一小塊區域O含量增加，工件元素減少，可能由于刀具工件材料與空氣中氧元素發生了少量氧化反應導致，遠離刀尖區域工件元素增加，可見部分工件元素粘結到前刀面，前刀面的主要磨損為粘結磨損。

(a) 前刀面磨損形貌 (b) a區放大圖

(c) 圖b線掃描放大圖 圖4 涂層刀具前刀面磨損圖像及線掃描(v=60m/min)

如圖5為切削速度150m/min時刀具前、后刀面磨損形貌。結合兩圖觀察發現前刀面有明顯積屑瘤和粘結層產生，積屑瘤在前刀面粘結有效保護了刀刃與高速流動的切屑之間的摩擦和接觸，減少了切屑變形，一定程度上降低切削溫度和切削力，減少了切屑和工件元素向刀具的擴散，主要磨損機理為粘結磨損。刀尖處有微崩刃現象，刀尖下方有一條條的劃痕，這是工件中硬質顆粒與刀具接觸所致，主要磨損機理為磨粒磨損。后刀面上也發現有粘結層產生并有粘結物在切削刃上。如圖5c所示，對圖5b中a區域能譜分析，發現除了Fe、Ni、Cr等大量工件元素，還有部分O元素存在，可見在較高切削速度下切削溫度較高，有空氣進入切削區域，與工件、刀具部分元素發生了氧化反應。

(a) 前刀面磨損形貌 (b) 后刀面磨損形貌

(c) 圖b中a區EDS能譜分析 圖5 涂層刀具前后刀面磨損圖像及EDS能譜分析(v=150m/min)

由以上分析可見，涂層刀具車削鐵基高溫合金GH2132時，刀具的主要磨損形式為正常的前、后刀面磨損和邊界磨損，以及非正常的剝落和崩刃；低速時主要磨損機理為磨粒磨損和粘結磨損，高速時還發生了氧化磨損。

3 結論

本文采用涂層硬質合金刀具對GH2132進行高速干車削試驗，對刀具磨損率變化進行了分析，并研究了刀具的磨損形式和磨損機理，結果表明：

(1)由于刀具副偏角較小，刀具的副后刀面磨損率大于主后刀面；隨著切削速度的提高，刀具磨損率呈逐步上升的趨勢，副后刀面磨損率增幅大于主后刀面。切削速度在60～150m/min范圍內時磨損率較小，180m/min時磨損率較大。

(2)涂層硬質合金刀具主要的磨損形式為正常的前、后刀面磨損以及邊界磨損，表現為涂層的磨損和剝落；前刀面上出現一定的月牙洼磨損、積屑瘤及卷狀、片狀粘結，刀尖及后刀面有排列較整齊的溝壑和劃痕并伴有微崩刃現象，后刀面還有次生粘結層產生；刀具主要磨損機理為磨粒磨損、粘結磨損和氧化磨損。