TiAlSiN涂層刀具高速干車削鈦合金磨損機理研究*

吳振宇，鄭光明，姜秀麗，楊先海，李學偉，劉煥寶

(1.山東理工大學機械工程學院，淄博 255000；2.山東省機械設計研究院，濟南 250031)

0 引言

鈦合金在航空航天、生物醫學等領域應用廣泛，然而鈦合金同時還具有塑性低、熱傳導系數低和高溫下化學活性大等特性，是一種典型的難加工材料[1-2]。

在鈦合金干式切削中，通常認為切削速度大于60 m/min時為高速切削[3]。研究發現，高速干切削鈦合金時，Al2O3/TiCN涂層刀具前刀面磨損主要是涂層剝落、粘結和溝紋，而后刀面主要為粘結磨損和磨粒磨損[4-5]。TiAlN、CrAlN涂層刀具前刀面主要磨損機理是粘結磨損，后刀面出現主要磨損機理為磨粒磨損和擴散磨損[6-7]。由此可見，涂層成分與結構不同，刀具的磨損機理也不同。TiAlSiN涂層具有較高的硬度、優異的高溫抗氧化性、良好的熱穩定性和耐磨性，在鈦合金高速干切削領域具有廣泛的應用前景[8-9]。目前國內外學者對鈦合金高速干切削刀具磨損的研究主要集中在Al2O3/TiCN、TiAlN、CrAlN等單涂層或多涂層刀具，而對TiAlSiN涂層刀具的研究較少。

本文采用TiAlSiN涂層硬質合金刀具進行高速干車削TC4試驗，通過分析刀具前、后刀面的磨損SEM圖像和EDS能譜圖，探究TiAlSiN涂層刀具的磨損形式和磨損機理，為鈦合金的高效加工提供理論參考。

1 試驗設計

1.1 工件材料

試驗所用工件材料為一種α+β型鈦合金，國內牌號TC4，其組成為Ti-6Al-4V。工件為棒料，尺寸φ115 mm×300 mm。其主要物理力學性能為：密度4.5 g/cm3，抗拉強度935 MPa，屈服強度865 MPa，彈性模量114 MPa。其化學成分如表1所示[10]。

表1 TC4的主要化學成分 (wt%)

1.2 刀具材料

選用某公司生產的TiAlSiN涂層硬質合金刀具，型號為CNMG120408-NM。采用某公司生產的刀桿，刀桿型號為TCLNR2020K12。

1.3 試驗方案及檢測方法

試驗在CDK6136i數控車床(主軸最大轉速為3000 r/min)上進行，切削方式為連續外圓干車削，切削速度為v=80 m/min、v=120 m/min，進給量f=0.2 mm/r，背吃刀量ap=0.3 mm。車削現場照片如圖1所示。

圖1 車削試驗現場

切削過程中每進給150 mm后使用USB200便攜式數字顯微鏡觀察后刀面磨損量，測量5次取平均值，以后刀面磨損量VB=0.3 mm為刀具失效標準。切削試驗結束后對刀具進行超聲波清洗，采用Quanta250掃描電子顯微鏡觀察刀具表面形貌(SEM)和能譜分析儀(EDS)分析刀具元素變化。

2 試驗結果與分析

2.1 刀具磨損量

圖2為刀具后刀面磨損量隨切削時間變化的曲線。

圖2 后刀面磨損量隨切削時間的變化

可以看出，當切削時間約為12 min時，切削速度v=120 m/min的刀具進入急劇磨損階段，并在18 min時到達失效標準；而切削速度v=80 m/min的刀具在30 min左右進入急劇磨損階段，約38 min時達到失效標準。原因是隨著切削速度的增加，切削過程中的切削力與切削溫度也隨之增加，刀具磨損在切削力與切削溫度的影響下變得更加嚴重。

2.2 前刀面磨損形態及磨損機理

圖3所示為刀具前刀面磨損形貌，其中圖3a和圖3c分別為TiAlSiN涂層刀具在切削速度v=80 m/min和v=120 m/min下分別切削至38 min和18 min達到磨損標準后的前刀面磨損區域的SEM圖，圖3b和圖3d分別為圖3a和圖3c的局部放大圖。從圖3a和圖3c中可以看出，兩種切削速度下的涂層刀具前刀面均出現月牙洼磨損。月牙洼磨損出現在刀具前刀面靠近切削刃的地方，其出現的主要原因是鈦合金的低導熱性和高化學活性導致高速切削過程中刀具前刀面與切屑接觸后，在高溫高壓的環境下接觸區域發生熱軟化作用，刀具材料與切屑粘結并隨著切屑一起流出，從而導致月牙洼磨損的出現。切削速度越大，刀具失效時所受切削力與切削溫度也越大，月牙洼磨損越嚴重。

(a) v=80 m/min切削至38 min時SEM圖 (b) a圖局部放大

兩種切削速度下涂層刀具在靠近切削刃的區域還出現涂層剝落現象。出現的原因是刀具表層組織中存在凹坑、裂紋等缺陷，高速切削過程中產生的冷熱沖擊和機械沖擊使刀具表面承受交變接觸應力，從而導致涂層剝落。

兩種切削速度下涂層刀具均出現片狀的粘結層堆積，切削速度v=120 m/min的涂層刀具還出現在切削刃出還出現長條狀的切屑粘結。原因是刀具表面產生Al2O3、TiO2等氧化物粘結在刀具表面上，同時在高溫高壓的作用下，使氧化物與切屑不斷擠壓與堆積，出現粘結層堆積。在v=120 m/min切削速度下，切削力和切削溫度更高，粘結層堆積面積更大。

刀具在切削刃處出現微崩刃現象，原因是刀具磨損后期切削溫度很高，表面氧化物的保護作用消失，切削刃的硬度和韌性降低，在擠壓產生的應力作用下，切削刃出現微崩刃現象。

圖4為不同切削速度下TiAlSiN涂層刀具前刀面磨損區域的EDS圖。其中，從圖4a與圖4c可以看到，磨損區域a和c都出現了屬于工件材料的V元素，所以區域a和c的粘結物主要是工件材料，這說明刀具出現了粘結磨損。區域a和c還檢測到少量Si元素和O元素，原因可能是在靠近刀尖處，切削變形和溫升促進刀具材料中的Si元素與空氣中的O元素反應生成SiO2摩擦氧化物，這種氧化物對刀具抗磨損性能的提高是有利的[9]。圖4b與圖4d可以看出，區域b和d都檢測到大量W、C、Co等元素，說明刀具涂層出現剝落，基體裸露。區域b還檢測到刀具涂層的N、Si，但成分明顯減少，說明涂層材料減少，同時還檢測到大量的O元素，這是因為在高溫作用下，涂層材料與氧氣發生化學反應產生Al2O3、TiO2等氧化物，這些氧化物易在高溫高壓環境下易被高速流動的切屑帶走，從而導致刀具的氧化磨損。區域d處為裸露的基體，此處沒有切屑粘結而EDS中卻檢測到大量的Ti，這是因為d處是裸露的硬質合金基體與工件接觸切削的區域，有研究表明，在高溫條件下，硬質合金刀具的切削區域與切屑和工件始終接觸，在較強的化學活性的作用下，刀具中的C元素向切屑和工件中擴散，工件和切屑中的Ti元素向刀具中擴散，結合而形成TiC，這是典型的擴散磨損[11]。

(a) 前刀面區域a (b) 前刀面區域b

綜上所述，在兩種切削速度下，TiAlSiN涂層刀具前刀面的主要磨損機理均為粘結磨損和氧化磨損，在切削速度v=120 m/min時還存在擴散磨損，切削速度越高，磨損越嚴重。

2.3 刀具后刀面磨損形式及磨損機理

如圖5所示為刀具后刀面磨損形貌，其中圖5a和圖5c分別為TiAlSiN涂層刀具在切削速度v=80 m/min和v=120 m/min下切削至38 min和18 min達到磨損標準后的后刀面磨損區域的SEM圖，圖5b和圖5d分別為圖5a和圖5c的局部放大圖。

(a) v=80 m/min切削至38 min時SEM圖 (b) a圖局部放大

從圖5a和圖5c中能看出，兩種切削速度下的涂層刀具后刀面都存在許多接近平行的劃痕和溝痕，這是典型的磨粒磨損。磨粒磨損出現的原因是工件材料中的氧化物、碳化物和氮化物等硬質點和已加工表面上的硬化層與粘附的積屑瘤殘片等，對刀具表面摩擦和刻劃作用致使刀具磨損。在v=120 m/min切削速度下，磨粒磨損區域面積增大，凹痕加深。

兩種切削速度下的涂層刀具后刀面切削刃出還存在微崩刃現象，這是因為在刀具磨損后期，切削溫度很高致使切削刃處強度降低，而且TiAlSiN涂層刀具硬度高、脆性大，在過大的切削力作用下發生微崩刃。v=120 m/min切削速度下刀具磨損后期的切削溫度和切削力都比v=80 m/min切削速度下的要高，所以微崩刃現象更嚴重。

圖5a和圖5c還能看到后刀面磨損區域存在粘結物堆積現象。刀具磨損后期的切削溫度很高，在高切削熱的作用下，切屑變為熔融態粘結在后刀面上，并在切削力的作用下不斷擠壓堆積形成粘結物。切削速度越高，刀具的切削溫度越高，粘結現象越嚴重。

圖6為TiAlSiN涂層刀具后刀面磨損區域的EDS圖。從圖中看出，區域a和b都檢測到屬于工件材料的V元素,說明區域a和b的粘結物是工件材料，表明刀具發生了粘結磨損。區域a和b的主要元素為涂層元素，同時還檢測到O元素，說明涂層已發生了氧化，出現氧化磨損。隨著刀具磨損的進行，涂層逐漸被高速流動的切屑帶走，導致涂層厚度降低，部分基體被暴露，所以檢測到W、C和Co等基體元素。對比圖6a和圖6b可看出，圖6b中N元素含量低于圖6a，而O、W、C和Co等元素含量均高于圖6a，這表明在切削速度v=120 m/min下涂層剝落更明顯，涂層熱障功能更弱，致使刀具氧化磨損更嚴重。

(a) 后刀面區域a (b) 后刀面區域b

綜上所述，TiAlSiN涂層刀具后刀面的磨損機理為磨粒磨損、粘結磨損和氧化磨損，切削速度越高，磨粒磨損、氧化磨損越嚴重。

3 結論

本文采用TiAlSiN涂層硬質合金刀具，在v=80 m/min和v=120 m/min兩種切削速度下對TC4鈦合金進行了高速干車削試驗，探究了刀具磨損機理，結果表明：

(1)TiAlSiN涂層刀具在v=80 m/min時切削過程更平穩，刀具壽命更高。切削速度越高，刀具磨損越嚴重，磨損機理越復雜。

(2)TiAlSiN涂層刀具前刀面磨損形式主要為月牙洼、涂層剝落、粘結物堆積和微崩刃，切削速度越高，月牙洼磨損越嚴重。后刀面主要磨損形式為劃痕和溝痕、粘結物堆積、涂層剝落，切削速度越高，劃痕越明顯。

(3)前刀面主要磨損機理為粘結磨損和氧化磨損，在v=120 m/min時還存在擴散磨損。后刀面主要磨損機理為粘結磨損和氧化磨損，并伴隨著磨粒磨損。