TiAlN 涂層與無涂層刀具高速車削TC4 鈦合金的性能研究*

劉朋和 姜增輝 王琳琳 王曉亮 吳月穎

(①沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159;②一拖(洛陽)中成機械有限公司，河南 洛陽 471003;③東方藍天鈦金科技有限公司，山東 煙臺 264003)

鈦合金比強度高、熱穩定性好、高溫強度高，在300～500 ℃的溫度下，其強度約比鋁合金高10 倍，被廣泛應用于航空航天和化工船舶等領域［1-3］。由于它導熱系數低、切削溫度高、刀具易磨損［4］，使其成為一種典型的難加工材料。目前，鈦合金實際切削中主要采用硬質合金刀具，且涂層與無涂層刀具均被大量使用，國內外的學者對這兩種刀具在鈦合金切削過程中的磨損特性進行了研究。牟濤［5］等研究了(Ti，Al)N—TiN 復合涂層和無涂層硬質合金刀具在不同冷卻條件下銑削Ti -6Al -4V 鈦合金時的磨損特性，發現無論是在干式銑削還是冷卻液銑削下，涂層刀具的磨損均比無涂層刀具的磨損慢。李友生［6］等采用無涂層硬質合金、TiAlN 涂層硬質合金和CBN 三種不同材料的刀具進行了高速車削Ti -6Al -4V 鈦合金試驗，結果表明，切削速度為80 m/min 時，CBN 刀具的壽命最長，TiAlN 涂層硬質合金刀具次之，無涂層硬質合金刀具最差。哈爾濱理工大學的范依航［7］選擇TiCN 和Al2O3膜的疊層膜涂層、AlTiN 合金和CrAlN 合金交互層積涂層兩種涂層硬質合金刀具以及一種無涂層硬質合金刀具對比分析了車削Ti-6Al-4V 鈦合金時的刀具磨損情況，發現無涂層硬質合金刀具的磨損量最小，AlTiN 合金和CrAlN 合金交互層積涂層硬質合金刀具次之，TiCN 和Al2O3膜的疊層膜涂層硬質合金刀具最差。Che Haron［8］等采用(TiC+Ti/CN +/TiN)涂層和無涂層硬質合金刀具進行端銑Ti-6242S 鈦合金試驗，發現當切削速度為100 m/min 時，無涂層刀具的壽命要更長一些。

綜上可知，對于鈦合金切削過程中涂層是否有利于減小硬質合金刀具磨損和提高使用壽命并無定論。TiAlN 涂層作為一種新型涂層材料，具有硬度高、氧化溫度高、熱硬性好、附著力強、摩擦系數小、導熱率低等優良特性［9］，是一種典型的隔熱涂層，目前廣泛應用于高合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金等難加工材料的切削加工，因此，本文選擇TiAlN 涂層硬質合金與無涂層硬質合金刀具做干式車削TC4 鈦合金試驗，對比研究TiAlN 涂層對刀具磨損特性及耐用度的影響，為高速切削鈦合金刀具的選擇及刀具材料的開發提供參考。

1 試驗設備與方案

1.1 試驗設備

(1)加工設備:車削試驗所選用的加工設備是由沈陽第一機床廠生產的CAK6150 數控車床。

(2)測量裝置:試驗選用VHX -1000C 型超景深三維顯微系統來觀察刀具的前刀面和后刀面磨損形態，并測量其后刀面的磨損量。

1.2 工件材料及刀具

(1)工件材料:試驗所選用的TC4 鈦合金化學成分如表1 所示。

表1 TC4 的化學成分

(2)刀具型號及幾何參數:如圖1 所示，試驗選用刀片型號為 CNMG120408 -QM，刀桿型號為MCLNR2525M12。安裝后的刀具幾何參數為:前角γo=6 °，后角αo=7 °，主偏角κr=95°，副偏角κr′=4°，副后角αo′=7 °，刃傾角λs=-5.5°，刀尖圓弧半徑r=0.8 mm。

2 試驗刀片材料及微觀結構

試驗選用山特維克可樂滿公司生產的牌號分別為GC1105 與H13A 的兩種車削刀片，由于其型號均為CNMG120408-QM，兩種刀片外形尺寸完全相同，僅材料不同。GC1105 為TiAlN 硬質合金涂層刀片，H13A為無涂層硬質合金刀片，兩種刀片的特性如表2 所示。

表2 試驗用刀片特性

由表2 可知，這兩種刀片都為細晶粒硬質合金基體，GC1105 刀片表面通過PVD 方法覆蓋了一層TiAlN涂層。為了解該涂層的特點，制備了試樣，對其微觀結構進行觀察與分析。將刀片放到載玻片上，把牙托粉和自凝牙托水按照一定的比例調好倒入硬塑模具中做鑲嵌試樣，然后將試樣在金剛石砂輪上進行粗磨，采用金剛石研磨膏在PG -2C 型拋光機上拋光，在拋光過程中要用4XBE 型倒置金相顯微鏡觀察刀片的拋光面，待觀察到拋光面沒有刮痕時，完成試樣制備。

如圖2 所示為通過試樣觀察到的GC1105 刀片上TiAlN 涂層在超景深顯微鏡下的形貌照片。圖中可明顯觀察到研磨拋光后刀片表面殘留涂層及刀片基體與牙托粉之間的涂層截面。

為仔細觀測涂層厚度，在掃描電鏡下對試樣進行了觀察。圖3 為GC1105 刀片鑲嵌試樣的SEM 照片，刀片基體與牙托粉之間可明顯觀察到厚度大約為10 μm的TiAlN 涂層。

硬質合金刀片基體的晶粒尺寸對其使用性能有重要影響，為觀測兩種刀片基體的晶粒尺寸，分別制備金相試樣，將研磨拋光完全的試樣通過由10% K3Fe(CN)6+10% NaOH 水溶液制備的腐蝕劑做腐蝕處理，在超景深顯微鏡下對其微觀組織進行了金相分析。如圖4 所示分別為GC1105 和H13A 基體的顯微組織金相照片，可以看到兩種刀片基體中主要成分為WC顆粒與Co，其中灰白色顆粒狀物體為WC 顆粒，其周圍被腐蝕掉顯示為黑色的部分為Co。兩種刀片基體中WC 顆粒的晶粒大小基本相當，除少數大尺寸顆粒外，大部分WC 顆粒小于1 μm，兩種刀片均為細晶硬質合金基體。

3 試驗結果與分析

試驗選擇在干切削條件下進行兩種刀片磨損的對比分析。切削參數為:切削速度v=95 m/min，切削深度ap=0.5 mm，進給量f=0.2 mm/r。

3.1 刀具磨損形態

圖5 為干切削條件下的刀具磨損形態。圖5a 為GC1105 涂層刀片的前、后刀面磨損形態，在刀具的前刀面上可以看到比較明顯的月牙洼磨損。由于鈦合金的變形系數小，切削過程中的切屑與刀具前刀面的接觸面積較小，使作用于刀具接觸面上的局部壓力與溫度升高，刀具前刀面在切屑劇烈的擠壓與摩擦作用下極易產生月牙洼磨損。在刀具的后刀面上可以明顯觀察到工件材料中硬質點在刀具上劃擦產生的犁溝，同時可見由于高溫引起的粘結磨損。由于鈦合金在切削過程中會產生較大的變形和回彈，使得刀具后刀面與工件的接觸面積和壓力很大，在高溫條件下工件材料易于與后刀面粘結，粘結物在劇烈的摩擦作用下發生脫落，造成刀具的粘結磨損。如圖5b 為H13A 刀片的前、后刀面磨損形態，其前刀面磨損同樣為月牙洼磨損，后刀面上主要為磨粒磨損，并伴有輕微粘結磨損，在切削路程大于GC1105 涂層刀片的條件下，后刀面磨損程度較輕。

3.2 刀具耐用度對比

圖6 為干切削條件下的刀具磨損曲線，可以看出，在切削初始階段這兩種刀片的后刀面磨損量均不大，磨損量增大較平緩，在切削路程為1 050 m 之前，H13A 刀片的磨損量稍大于GC1105 刀片，當切削路程大于1 000 m 時GC1105 刀片首先進入急劇磨損階段，在切削路程為1 430 m 時其后刀面磨損量超過0.55 mm。H13A 刀片的正常磨損階段要稍長一些，在切削路程達到1 300 m 時刀具才進入急劇磨損階段，而當切削路程為1 570 m 時，其磨損量還未達到0.55 mm。

綜上所述，在切削速度為95 m/min 時干式車削TC4 鈦合金，無涂層的H13A 刀片比TiAlN 涂層的GC1105 刀片耐用度好一些。

3.3 刀具耐用度差異分析

對比圖6 兩種刀片的磨損曲線，在95 m/min 的速度下干式車削TC4 鈦合金，在切削初始階段GC1105刀片磨損稍小一些，隨著切削路程增加，刀具磨損增大，GC1105 刀片磨損速率增大，其磨損程度超過了H13A 刀片，其原因主要有以下幾個方面。

在切削初始階段，刀具比較鋒利，切削區產熱較少，切削溫度相對較低，GC1105 刀片在切削區的涂層還比較完整，可以有效地保護刀具基體，延緩其磨損速度。因此，切削初始階段GC1105 刀片磨損小于H13A刀片。

隨著切削過程的進行，刀具逐漸變鈍，切削區產熱大幅增加。在GC1105 刀片的切削區上，一方面，由于TiAlN 涂層的隔熱作用切削熱難以從刀具有效傳出，另一方面，鈦合金的導熱能力也很差，切削熱從工件也無法有效傳出，致使切削區的散熱受阻，溫度急劇升高。較高的切削溫度導致TiAlN 涂層快速失效，并加劇了粘結磨損、磨粒磨損的發生。因此，切削后期GC1105 刀片磨損速率增大，且磨損量超過H13A 刀片。

4 結語

在切削速度為95 m/min 時研究了干切削條件下高速車削TC4 鈦合金時TiAlN 涂層和無涂層硬質合金刀具的使用性能，得到以下結論:

(1)采用較高的速度干式車削TC4 鈦合金，TiAlN涂層和無涂層硬質合金刀具的主要磨損形式均為高溫條件下刀具材料軟化引起的粘結磨損和磨粒磨損。

(2)磨損初期TiAlN 涂層對刀具有一定保護作用，磨損增大后涂層反而加劇刀具的磨損。

(3)單純的TiAlN 類隔熱涂層對提高干式高速車削鈦合金刀具性能的作用并不明顯，隔熱涂層在導熱性能較差材料的高速切削中反而會加劇刀具的磨損。

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