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真空鍍膜PVD氮化鈦涂層刀具切削性能的試驗(yàn)研究
發(fā)布時(shí)間：2018-09-17
隨著制造業(yè)的發(fā)展，難加工材料日益增多，先進(jìn)機(jī)械加工中心和數(shù)控機(jī)床相繼出現(xiàn)，人們對(duì)刀具的耐用度處理及切削效率提出了更高的要求。在高速鋼刀具的基體上，用物理氣相沉積方法(PVD)，涂覆一層適當(dāng)厚度的TiN硬質(zhì)膜，可以大幅度地提高高速鋼刀具的使用性能，對(duì)硬質(zhì)合金刀具也有很好的效果。目前，離子鍍涂層刀具在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得普遍的采用。盡管經(jīng)過20多年的發(fā)展，涂層家族已出現(xiàn)了許多新的成員，但至今工具的主流涂層仍是TiN系涂層，同時(shí)TiN系涂層也是制備其它高性能涂層的基礎(chǔ)心。本文探討了TiN涂層刀具的制備工藝和涂層性能，并通過切削試驗(yàn)對(duì)比分析了刀具的使用壽命。
1、試驗(yàn)材料及方法
Φ10mm直柄麻花鉆鉆頭的選材為W6M05Cr4V2高速鋼，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)為0.80～0.90C、5.50～6.75W、4.50～5.50Mo、3.80～4.40Cr、1.75～2.20V、余量Fe。經(jīng)1260℃淬火、560℃回火3次處理后鉆頭硬度為62HRC。Φ10mm四刃直柄銑刀的選材為YT14硬質(zhì)合金，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)為78WC、8TaC、14Co，粉末冶金燒結(jié)成型。W6M05Cr4V2高速鋼試樣尺寸為20mm×12mm×2mm，試樣表面經(jīng)金相砂紙磨制并拋光成鏡面。鉆頭和銑刀在汽油中刷洗初步除油污后經(jīng)金屬清洗劑和有機(jī)溶劑多道次超聲清洗。
真空鍍膜PVD沉積設(shè)備配置3個(gè)陰極靶，帶有可移動(dòng)電子分離屏的電子和氬離子刻蝕系統(tǒng)。鍍膜時(shí)先抽真空至0.005～0.010Pa本底真空度并對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，隨后進(jìn)行Ar離子清洗和金屬離子清洗；然后通入0.1～0.5Pa的N2，在50～80A的弧流與150-300V的負(fù)偏壓下沉積45min，沉積溫度為450～460℃。工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)與調(diào)整，應(yīng)以獲得最佳的涂層結(jié)構(gòu)和性能為依據(jù)。通常高負(fù)偏壓和低氣體壓力，可產(chǎn)生致密平整的纖維狀組織，涂層強(qiáng)度、硬度高；而低負(fù)偏壓和高氣體壓力會(huì)導(dǎo)致較粗大的錐狀形態(tài)的柱狀晶，組織較為疏松，強(qiáng)韌性低。但負(fù)偏壓過高，產(chǎn)生過度的濺射，又會(huì)降低沉積速率。基材預(yù)熱溫度對(duì)涂層內(nèi)應(yīng)力有影響，而鍍膜溫度除對(duì)基材的強(qiáng)度、硬度有影響外，對(duì)膜/基結(jié)合力的影響尤甚，較高的鍍膜溫度有利于膜/基結(jié)合力的提高。對(duì)同爐沉積的TiN涂層試樣進(jìn)行膜層硬度測(cè)試、X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡觀察與分析。試驗(yàn)設(shè)備分別為L(zhǎng)eica MeF3型高分辨金相顯微鏡、MICRO—DUROMAT4000型顯微硬度計(jì)(施加載荷為0.25N，保荷時(shí)間為15s)、Y-4Q型x射線衍射儀和Philips公司XL-30FEG型掃描電子顯微鏡，同時(shí)采用WS-92涂層附著力劃痕試驗(yàn)機(jī)測(cè)試涂層膜/基結(jié)合強(qiáng)度。并對(duì)涂層刀具與無涂層刀具進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)切削對(duì)比試驗(yàn)。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 試樣的試驗(yàn)結(jié)果
圖1為W6M05Cr4V2高速鋼試樣TiN涂層的XRD圖譜。由圖1可知，涂層的組成物相為TiN和少量的Ti，面心立方結(jié)構(gòu)的TiN在(111)面上具有強(qiáng)烈的晶體生長(zhǎng)擇優(yōu)取向，未見四方結(jié)構(gòu)的脆性相Ti2N的衍射峰。Ti的衍射峰是鈦滴所致，F(xiàn)e為基體相的衍射峰。從晶體學(xué)角度分析，TiN相具有與(111)或(222)密排面一致的擇優(yōu)取向時(shí)，微觀上比具有(200)取向的TiN更加致密，這有助于提高涂層結(jié)合力和耐氧化性，同時(shí)脆性相Ti2N相對(duì)減少，給膜-基結(jié)合力也會(huì)帶來有益的貢獻(xiàn)。
圖2為W6M05Cr4V2高速鋼試樣涂層的表面形貌，涂層橫截面厚度為3.2um。由圖2可見，TiN膜層均勻、致密，涂層表面平滑，Ti滴(白色)數(shù)量少，并且顆粒大多數(shù)較細(xì)小。照片中黑色陰影應(yīng)是沉積時(shí)離子轟擊致使液滴脫落而留下的痕跡。液滴數(shù)量少及液滴尺寸小，有利于提高TiN涂層的表面硬度及致密性，從而提高涂層的耐磨性及氧化抗力。
采用WS-92涂層附著力劃痕試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行膜一基結(jié)合力測(cè)試，加載速率為100N/min，劃痕速率為4mm/min，停止載荷為100N。每個(gè)樣品做3條劃痕試驗(yàn)，根據(jù)劃痕聲測(cè)圖上出現(xiàn)連續(xù)峰時(shí)的實(shí)際試驗(yàn)力，結(jié)合金相顯微鏡觀察劃痕邊沿涂層脫落情況，以確定臨界載荷，并以此表征膜一基結(jié)合力。綜合分析后得出，TiN涂層的膜-基結(jié)合力超過100N。
2.2 鉆頭切削試驗(yàn)
試驗(yàn)機(jī)床為Z5140A立式鉆床，切削主軸轉(zhuǎn)速分別為500r/min、710r/min和1000r/min，進(jìn)給量為0.112mm/r，鉆孔深度為22mm，切削方式為干切削。被加工材料為40Cr鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后硬度為36-40HRC。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)鉆頭發(fā)出劇烈尖叫聲或異常震動(dòng)等不能正常切削的現(xiàn)象時(shí)，立即停止試驗(yàn)。當(dāng)切削主軸轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，無涂層鉆頭和有TiN涂層鉆頭都能夠平穩(wěn)地進(jìn)行切削，且切削聲音較小，有TiN涂層鉆頭的壽命約是無涂層鉆頭的5倍以上；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為710r/min時(shí)，無涂層鉆頭已不能穩(wěn)定地切削，且切削聲音大；有TiN涂層鉆頭則能平穩(wěn)地進(jìn)行切削，且切削聲音相對(duì)較小，有TiN涂層鉆頭的壽命大約是無涂層鉆頭的6倍以上。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，無涂層鉆頭在剛開始鉆孑L時(shí)就發(fā)出較大的尖叫聲，第一孔還沒鉆完，鉆頭已經(jīng)發(fā)紅，發(fā)生了嚴(yán)重的燒損；有TiN涂層鉆頭卻能相對(duì)平穩(wěn)地進(jìn)行切削，但切削聲音也很大，壽命大約是無涂層鉆頭的7倍以上。切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果如表2所示。由表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著切削速度的提高，涂層鉆頭相對(duì)無涂層鉆頭的優(yōu)勢(shì)更加明顯。有涂層高速鋼鉆頭可以適用于高速切削加工，壽命大約是無涂層鉆頭的5～7倍。
2.3 銑刀切削試驗(yàn)
試驗(yàn)機(jī)床型號(hào)為XK5032數(shù)控立銑升降臺(tái)銑床，GSK CNC Series990M控制系統(tǒng)。切削主軸轉(zhuǎn)速分別為600r/min、1180r/min、1500r/min和1800r/min，進(jìn)給量為0.13mm/r，銑削深度為2mm，切削方式為干切削。被加工材料為40Cr鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后硬度為36～40HRC。試驗(yàn)在被加工材料實(shí)體上銑削凹槽。在4種切削主軸轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)方案中，當(dāng)無涂層銑刀發(fā)出劇烈尖叫聲時(shí)，停止切削，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)4條側(cè)刃后刀面磨損帶VB≥0.5 mm(測(cè)量位置距離刃尖1mm)，切削刃口已經(jīng)磨鈍或崩刃，因此認(rèn)為無涂層銑刀已經(jīng)達(dá)到刀具壽命的極限。而有TiN涂層銑刀切削聲音相對(duì)較小，且側(cè)刃后刀面磨損帶仍較小，VB=0.2～0.3mm，還可以繼續(xù)正常切削加工。由表3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，有TiN涂層銑刀的壽命大約是無涂層銑刀的3~11倍。涂層硬質(zhì)合金銑刀要在適當(dāng)?shù)那邢魉俣戎胁拍芨冒l(fā)揮刀具的使用壽命，其機(jī)理有待進(jìn)一步探索。
2.4 結(jié)果分析
試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，刀具表面鍍覆一層TiN硬質(zhì)膜后，表面硬度顯著提高，抗磨損能力和切削性能大大改善。由于TiN是間隙相，具有高硬度、高耐磨性、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，同時(shí)TiN涂層能減少工具表面的摩擦系數(shù)，降低刀具切削刃部的溫度，提高工具的加工速度和工件表面質(zhì)量，因而使刀具的使用壽命成倍提高。這對(duì)于難加工材料和高速切削的工況條件，效果更加明顯。
根據(jù)磨損理論，鋼件在低速切削時(shí)，主要是粘著磨損，當(dāng)切削速度提高時(shí)，主要是磨粒磨損和熱磨損及氧化磨損。對(duì)于粘著磨損，若以每單位滑動(dòng)長(zhǎng)度相應(yīng)的磨損體積定義為磨損率W，則W=α·k·P/H，式中α為系數(shù)，k為磨屑形成幾率，P為法向載荷，H為材料硬度，因此磨損率與材料的硬度成反比。對(duì)于磨粒磨損，磨損率W=K·P·tgθ/H，式中K為系數(shù)，θ為磨粒圓錐面與軟材料平面問的夾角，同樣磨損率與材料的硬度成反比。由此可見，高硬度的TiN涂層磨損率低。另外從掃描電鏡照片和劃痕試驗(yàn)結(jié)果可以看出，TiN涂層均勻、致密，與基體結(jié)合良好，可以認(rèn)為TiN膜對(duì)切削熱起到了有效的隔離作用；同時(shí)，對(duì)金屬陽(yáng)離子的向外擴(kuò)散和氧離子向內(nèi)傳輸，起到抑制作用，制約了氧化膜的生長(zhǎng)，從而提高了高溫氧化抗力。由于TiN涂層的摩擦系數(shù)僅為0.4，耐熱溫度達(dá)600℃以上，這對(duì)降低熱磨損或氧化磨損也是相當(dāng)有利的。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)用TiN涂層刀具進(jìn)行切削作業(yè)時(shí)，機(jī)床的震動(dòng)和摩擦噪聲較小，切削平穩(wěn)性提高，切削阻力較小。
3、結(jié)論
(1)高性能的真空PVD鍍膜涂層設(shè)備是制備高品質(zhì)TiN涂層的物質(zhì)基礎(chǔ)，合理的涂層工藝參數(shù)設(shè)置是獲得高性能涂層的技術(shù)保證。利用多功能電弧等離子體鍍膜機(jī)，輔之以合理的鍍膜工藝，可以在刀具上鍍出性能優(yōu)良的TiN涂層。
(2)本試驗(yàn)制備的TiN涂層具有高硬度、高耐磨性、高膜基結(jié)合力等優(yōu)異的綜合性能；所鍍覆的TiN涂層刀具使用性能好，服役壽命長(zhǎng)，有涂層高速鋼鉆頭使用壽命是無涂層鉆頭的5-7倍，有涂層硬質(zhì)合金銑刀使用壽命是無涂層銑刀的3～11倍。
(3)有TiN涂層刀具相對(duì)無涂層刀具而言，切削時(shí)機(jī)床的震動(dòng)和摩擦噪聲較小，切削平穩(wěn)性提高，切削阻力較小，切削輕快，機(jī)床消耗功率小，切削效率高，經(jīng)濟(jì)性好。
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