刀具涂層技術在鈦合金加工中的應用

2017-01-19 13:37:33楊祖兵王鐵鋼郭玉垚

裝備制造技術 2017年12期

楊祖兵，閻兵，王鐵鋼，郭玉垚，靳剛

（天津職業技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222）

1 鈦合金特性、應用

鈦合金在強度、韌性及抗氧化性方面遠遠超過其他類的金屬材料，能夠加工制造出質量輕、剛性好、強度高的產品零部件。近些年來鈦合金被大量用于飛機上以代替鋁合金，其原因就是由于鈦合金抗高溫能力強，具有高的抗氧化性，耐高溫，當溫度達到500℃時，其力學性能是鋁合金的十倍[1-3]。此外，鈦合金還具有高的抗腐蝕性能。在潮濕的環境以及海水介質中，鈦合金對點蝕破壞、酸蝕破壞、應力腐蝕破壞的抵抗力遠超于不銹鋼。使用鈦合金加工制造的產品具有高硬度、高熔點、無毒、無磁等特性。

基于上述鈦合金的優異性能，因此在航空航天、汽車技術以及醫療技術等領域中鈦合金得到了廣泛應用。20世紀50年代初，美國部分公司將鈦合金應用于F107巡航導彈發動機的葉片輪上，取得了良好的效果[4，5]。在航空航天領域，將鈦合金作為關鍵材料最先應用于航空發動機的風扇、壓氣機、蒙皮、機身和起落架等部位，這使得飛機整體減重約30%～35%[6]。鈦合金還成功應用于核潛艇的耐壓殼體、推進器、超聲速導彈、偵察機、葉盤、葉片、船舶材料等[7，8]。此外，由于鈦合金還具有更好的強度、韌性、延展性以及較好的抗氧化性與耐腐蝕性能，從而在現代醫學技術中也被廣泛地應用，而且是最合適的金屬材料，在人工骨、假肢、牙齒矯正裝置、手術器械、下頜骨模型再制造等方面已經成功地得到應用，其中，Ti6Al4V，Ti-3Al-2.5V合金因具有優異的成型性、耐腐蝕性以及良好的力學性能，所以在醫學臨床技術上常常被用于股骨和脛骨的替換材料[9]。

2 鈦合金加工存在的難點

（1）形變系數小：在切削加工中是一個特殊的表征。在切削實驗中，因為切削過程產生的切屑與刀具前刀面的接觸面積過大，從而增加了切屑在刀具前刀面上的行程；又因摩擦、受力等作用增加了切削刀具的溫度，從而加劇了切削刀具的磨損速度。

（2）工作溫度高：造成溫度高的原因有兩方面，一方面是由于第一點中提到的形變系數小會增加切削溫度；另一方面的原因是鈦合金自身的導熱系數小，導熱系數小導致切削過程中散熱能力差，短時間內溫度積增，同時這也是鈦合金切削溫度高的主要原因。

（3）熱導率低：是指在切削實驗過程中，由于工作溫度高而產生的熱量不易散出，產生的大量熱量在內部積聚；又由于鈦合金熱導系數低，因此高熱量不能有效地向外部擴散，這樣導致大量的熱量會集中在刀刃上，使刀刃的溫度大幅度上升，較高的溫度會使刀刃軟化，從而使得切削能力變差，最主要的是加劇了切削刀具的急劇磨損，刀具的耐用率低即使用壽命大幅度降低。

（4）活化性分子高：由于在切削過程中會產生大量的熱，這樣會使鈦合金與切削刀具材料在高溫下發生化學反應造成切削刀具失效。當切削過程中鈦合金的溫度過高時，大氣中的氧等氣體特別容易與鈦合金材料發生化學反應，這樣會在鈦合金表面生成一層脆硬皮，嚴重地導致鈦合金的硬度大大下降。當鈦合金在切削過程中發生嚴重的塑性變形時，會導致淬硬性現象發生，這樣會急速加劇切削刀具的磨損，極大地降低鈦材料的各力學性能。

（5）磨損嚴重：刀具的磨損是由于多方面的原因造成的，在切削實驗中，由于鈦合金硬度太高，會很容易造成刀具的損壞，發生崩刀現象。而且在切削實驗中，會產生大量的熱，溫度會大幅度上升，在高溫下鈦合金很容易發生戰階現象，使刀具磨損嚴重，壽命會降低。

綜上所述，在鈦合金加工中，一定要特別注意兩個方面：（1）保持低的切削溫度；（2）提高刀具的剛度，強度和韌性，而涂層技術就是一種提高刀具剛度的一種很好的辦法。

3 鈦合金切削涂層刀具現狀

如上所述，因鈦合金其形變系數小、熱導率低、活化分子高等特性，切削實驗加工過程中會嚴重產生高的切削溫度，加速切削刀具磨損與失效過程。切削加工過程中工件與刀具間的相互摩擦與切削力作用也會使的切削刀具產生嚴重摩擦磨損。由于在對鈦合金做切削加工實驗中尚存在很多難點和局限，根據以上原因因此要選擇導熱系數大、散熱性好和化學性能較穩定的刀具[10]。目前業內公認的最適合加工鈦合金效果最好的切削刀具是金剛石刀具，但又由于金剛石刀具價格昂貴，因此目前硬質合金涂層刀具作為切削鈦合金刀具仍然占據著鈦合金切削加工市場的主要地位。

傳統理論認為涂層刀具對鈦合金的加工并不適用，因為常見的涂層大多為二元TiN或三元CrAlN涂層，而這類涂層雖然有高的硬度和優異的抗氧化性，但是在現代高速切削加工中對涂層性能的要求越來越高，單一涂層往往滿足不了現狀，在切削實驗過程中，刀具較容易失效脫落。Ezugwn等采用二元CrN涂層刀具對鈦合金進行切削加工實驗，實驗結果表明：涂覆有CrN涂層的刀具壽命與未涂覆涂層的刀具壽命相比較，使用壽命時間長30 min，這表明了切削刀具的使用壽命提高。并且對單層的涂層刀具和多層的涂層刀具進行對比，研究表明：就刀具使用壽命而言，單層涂層刀具的使用壽命要遠遠小于多層涂層刀具的使用壽命；就刀具切削溫度而言，多層涂層刀具的切削溫度要遠遠低于單層涂層刀具的切削溫度[11-13]。

近年來，由于涂層的制備工藝和研究方法在不斷的前進與發展，刀具涂層朝著多元化、復合化和納米化方向發展，出現了各種各樣的新薄膜，如：多層薄膜、納米復合結構薄膜、超硬質薄膜等，這些薄膜具有良好的摩擦性能、力學性能、用抗氧化性能和抗腐蝕性能，由于具有以上優點，這些涂層被廣泛的應用到鈦合金的加工中，這些涂層展示了優異的性能，大大促進了現代加工業的發展。

硬質合金涂層刀具未來會朝著成分更加多元化的方向發展。在二元涂層基礎上中加入新的元素，例如，在原來二元涂層中加入Zr元素，結果表明會提高涂層的耐磨損性能；加入Si元素后會提高涂層的硬度并且能夠防止化學元素的擴散；加入B元素和N元素后涂層會表現出更好的韌性；加入Al、Cr和O元素后會提高涂層抗氧化性能等特性[14，15]。制備出的多元刀具涂層材料相比之前，刀具能夠展示出更好的優異性極大地提升刀具得使用性能。涂層材料也已從最開始的TiN、TiAlN、TiCN 發展到現在的 TiSiN、TiSiCN、Al－CrSiN、AlCrN、AlCrSiON、ZrBN、ZrBON 等幾十種涂層材料。這些都會更加適應鈦合金以及其他難加工材料的高速、高效加工。