CrAlSiN 涂層刀具切削鈦合金的失效機(jī)理研究

唐啟峰，王 欣，梁楊夢(mèng)甜，范其香，王鐵鋼

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，天津 300222）

鈦合金因其具有高比強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度和耐蝕性等一系列優(yōu)良的物理和化學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能、化工、石油、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1]。但鈦合金在切削加工時(shí)，具有導(dǎo)熱系數(shù)低、切削溫度高、單位面積切削力大、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重等缺點(diǎn)[2-4]，導(dǎo)致刀具使用壽命短，加工表面質(zhì)量差，被稱為難加工材料。采用涂層技術(shù)可有效提高切削刀具的表面硬度、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱耐氧化能力，使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。另外，涂層還可作為化學(xué)屏障和熱屏障，減少刀具與工件之間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，減少月牙洼磨損，有效提高切削刀具使用壽命、切削效率和加工表面質(zhì)量[5-6]。在涂層發(fā)展初期，其成分主要為TiN、TiC等碳化物或氮化物[7]。近年來，由于CrAlSiN 涂層具有超高硬度，且具有較低的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的抗高溫氧化性能，得到越來越多研究者的青睞[8-11]。目前關(guān)于CrAlSiN 涂層刀具針對(duì)鈦合金切削失效機(jī)理的研究還鮮有報(bào)道。因此，本文采用脈沖直流磁控濺射和電弧離子鍍復(fù)合技術(shù)在YG8 硬質(zhì)合金四刃立銑刀上沉積了CrAlSiN 梯度涂層，分析涂層的組織結(jié)構(gòu)，探討切削TC4 鈦合金時(shí)CrAlSiN 涂層刀具的失效過程。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 涂層的制備

在V-TECH-HiPIMS610 型磁控濺射系統(tǒng)上，采用脈沖直流磁控濺射和電弧離子鍍共沉積技術(shù)，在（100）單晶Si 片和YG8 硬質(zhì)合金四刃立銑刀表面沉積CrAlSiN納米梯度涂層。CrAlSi 靶連接脈沖直流磁控濺射電源，Cr 靶連接電弧電源。鍍膜之前將基片和銑刀在酒精和超純水中先后清洗15 min，隨后取出烘干并放入爐中。關(guān)閉爐門，先進(jìn)行粗抽。當(dāng)壓力達(dá)到3.5 Pa 時(shí)，打開精抽閥門進(jìn)行精抽，當(dāng)爐內(nèi)壓力達(dá)到6.8×10-3Pa時(shí)，加熱使?fàn)t內(nèi)的溫度升到350 ℃并設(shè)置旋轉(zhuǎn)架以40 Hz 的速度在爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)爐內(nèi)真空度再次達(dá)到9×10-3Pa 以下時(shí)，通入250 sccm 的氬氣并調(diào)節(jié)節(jié)流閥使?fàn)t內(nèi)壓力保持1.5 Pa。接著調(diào)節(jié)偏壓至-800 V 進(jìn)行輝光清洗，此過程持續(xù)20 min。輝光放電完成之后打開Cr 靶和CrAlSi 靶，降低偏壓至-650 V，然后通入150 sccm 的氬氣，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使?fàn)t內(nèi)壓力保持在1 Pa，轟擊清洗試樣10 min。轟擊清洗完成后，開始沉積Cr 過渡層，保持氬氣流量和爐內(nèi)壓力不變，偏壓設(shè)置為-80 V，沉積8 min。之后通入150 sccm 的氮?dú)猓瑢鍤饬髁繙p小至50 sccm，此時(shí)依然保持爐內(nèi)壓力為1 Pa，沉積CrN 過渡層10 min。最后沉積CrAlSiN 梯度涂層，保持Cr 靶電流為80 A，CrAlSi 靶采用電源線性控制功能使其功率由0.6 kW 線性增加至1.2 kW，沉積240 min。

1.2 涂層的性能表征

采用 XRD 衍射儀（D8Advance，Bruker）表征CrAlSiN梯度涂層的相結(jié)構(gòu)。采用掃描電鏡（Sigma 300，ZEISS）觀察涂層表面形貌，并用能譜儀（Oxford）分析涂層成分。采用漢川XH715D 型立式加工中心測(cè)試CrAlSiN 納米梯度涂層的切削性能。工件材料為TC4鈦合金，切削過程中不使用冷卻液，切削深度設(shè)定為2 mm，邊吃刀量為0.3 mm，主軸轉(zhuǎn)速為6 366 r/min，切削進(jìn)給速度為1 200 mm/min。實(shí)驗(yàn)過程中每切削10 min 使用熱成像儀（Fluke TiX640）測(cè)量并記錄切削區(qū)切削溫度；每20 min 暫停切削，取下車刀通過超景深顯微鏡（VHX-1000）觀察車刀后刀面磨損寬度并記錄數(shù)據(jù)，當(dāng)后刀面平均磨損寬度達(dá)到0.15 mm 時(shí)，停止切削。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層的相結(jié)構(gòu)與形貌分析

圖1 為CrAlSiN 梯度涂層的XRD 衍射圖譜。從圖1 中可以看出，CrAlSiN 納米梯度涂層主要相結(jié)構(gòu)為fcc-CrN 相，同時(shí)也檢測(cè)到Cr2N 和hcp-AlN 相。與標(biāo)準(zhǔn)衍射峰相比，涂層的衍射峰向低角度偏移，這可能是因?yàn)橥繉又写嬖趬簯?yīng)力[12]。在沉積過程中，Al、Cr原子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下高速撞擊基體表面與N 原子發(fā)生反應(yīng)沉積，起到類似噴丸的作用，一般在涂層內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力[13]。另外，涂層中并未檢測(cè)到Si 的衍射峰，這可能是因?yàn)橥繉又蠸i 含量較低，其固溶于CrN 相中或以非晶相形式存在于涂層中。

圖1 CrAlSiN 梯度涂層的XRD 衍射圖譜

圖2 為采用掃描電鏡觀察的CrAlSiN 梯度涂層的表面形貌。從圖2 可以看出，涂層表面比較均勻，但存在一些小顆粒，以及少量的孔洞。涂層制備過程中，靶材表面有半熔融態(tài)的Cr 或Al 液滴生成，運(yùn)輸?shù)交w表面與N 反應(yīng)形成小顆粒。這些CrAlN 顆粒在降溫過程中會(huì)發(fā)生收縮，同時(shí)由于其與周圍涂層熱膨脹系數(shù)不一致而發(fā)生剝落，在表面形成孔洞。采用EDS 分析涂層表面的平均成分為40.05Cr-5.77Al-0.89Si-53.29 N（at.%）。

圖2 CrAlSiN 梯度涂層的表面形貌

2.2 切削性能測(cè)試

2.2.1 刀具切削壽命與切削溫度

圖3 為無涂層銑刀和CrAlSiN 涂層銑刀切削鈦合金時(shí)刀面磨損寬度與切削時(shí)間關(guān)系圖。從圖3 可以看出，當(dāng)切削時(shí)間為20 min 時(shí)，無涂層銑刀與CrAlSiN涂層銑刀的刀具磨損量分別為0.14 mm 和0.07 mm。無涂層銑刀磨損寬度是CrAlSiN 涂層銑刀的2 倍。這是因?yàn)闊o涂層銑刀比CrAlSiN 涂層銑刀表面粗糙度更大，新刀具與工件接觸時(shí)為峰點(diǎn)接觸，正向壓力大，加速刀具磨損。切削60 min 時(shí)，無涂層銑刀的后刀面的磨損量達(dá)到0.18 mm，而CrAlSiN 涂層銑刀切削在120 min 后磨損量才達(dá)到0.17 mm。以磨損寬度0.15 mm為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，無涂層銑刀和CrAlSiN 涂層銑刀切削壽命分別約為42 min 和106 min。CrAlSiN 涂層銑刀壽命是無涂層銑刀壽命的2.5 倍，這說明在硬質(zhì)合金銑刀表面沉積CrAlSiN 涂層，可以提高銑刀的硬度和耐磨性，降低刀具表面粗糙度，減少刀具與工件之間的摩擦，提高刀具的切削性能，從而延長刀具的壽命[14]。

圖3 無涂層銑刀和CrAlSiN 梯度涂層刀具磨損寬度與切削時(shí)間關(guān)系圖

圖4 為無涂層銑刀和CrAlSiN 涂層銑刀切削溫度隨切削時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。切削溫度為切削區(qū)的平均溫度，由紅外測(cè)溫儀采集。從圖4 可以看出，無涂層銑刀和CrAlSiN 涂層銑刀切削時(shí)，溫度隨時(shí)間呈波動(dòng)上升狀態(tài)，這是由于隨著切削時(shí)間延長，刀具磨損更加嚴(yán)重，與工件材料之間的摩擦阻力增大，產(chǎn)生更多的切削熱。無涂層銑刀在切削30 min 時(shí)切削溫度低于切削20 min 時(shí)的切削溫度，這是因?yàn)榍?0 min 刀具為新刀，與工件材料為磨合期，產(chǎn)生較大的切削熱，切削溫度迅速增加，而此時(shí)為測(cè)量刀具磨損寬度停止切削，刀具被取出，溫度降低為室溫，故當(dāng)切削總時(shí)間為30 min 時(shí)切削溫度降低。CrAlSiN 涂層在切削50 min 時(shí)切削溫度略微下降，這可能是由于斷續(xù)切削原因造成。無涂層銑刀切削失效時(shí)最高溫度為200 ℃左右，CrAlSiN 涂層銑刀切削失效時(shí)最高溫度上升到430 ℃左右。

圖4 無涂層銑刀和CrAlSiN 梯度涂層刀具切削溫度與切削時(shí)間趨勢(shì)圖

2.2.2 刀具磨痕形貌

圖5 為無涂層銑刀和CrAlSiN 涂層銑刀切削20min后的后刀面磨損形貌。從圖5（a）中可以看出，無涂層銑刀刀尖處發(fā)生磨損，后刀面出現(xiàn)條紋狀磨損帶和較大凹坑，磨損較為嚴(yán)重。后刀面出現(xiàn)凹坑是因?yàn)榍行寂c刀具發(fā)生粘結(jié)，刀具材料被切屑帶走而形成黏著磨損[15]。此時(shí)無涂層銑刀的磨損寬度已經(jīng)達(dá)到 0.14 mm，磨損失效形式以磨粒磨損和黏著磨損為主。從圖 5（b）可知，CrAlSiN 涂層銑刀切削 20 min 后的后刀面和刀尖磨損都很輕微，后刀面有輕微的條紋狀磨損帶，磨損寬度為0.07 mm。CrAlSiN 涂層刀具磨損以磨粒磨損為主。

圖5 切削20 min 后的后刀面磨損形貌

銑削60 min 后，觀察后刀面磨損形貌，可以看到無涂層銑刀的刀尖有嚴(yán)重的磨損，后刀面出現(xiàn)大量凹坑。刀刃的磨損寬度已經(jīng)達(dá)到0.18 mm，此時(shí)刀具磨損失效形式為粘結(jié)磨損。觀察發(fā)現(xiàn)，CrAlSiN 涂層銑刀的后刀面發(fā)生了輕微的磨損，刀尖磨損依然比較小。

圖6 為CrAlSiN 涂層銑刀切削140 min 后的形貌。從圖6 可以看出，在切削大約132 min 時(shí)出現(xiàn)明顯異響，在第140 min 時(shí)測(cè)量溫度并停止切削。取下刀具，用超景深顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)CrAlSiN 涂層銑刀后刀面崩裂，刀具失效。這是因?yàn)榇藭r(shí)切削溫度高達(dá)400 ℃以上，刀刃的韌性和硬度均降低，在切削力作用下，刀刃局部發(fā)生斷裂。

圖6 CrAlSiN 涂層銑刀切削140 min 后的形貌

3 結(jié) 論

（1）采用脈沖直流磁控濺射和電弧離子鍍復(fù)合技術(shù)在YG8 硬質(zhì)合金四刃立銑刀上沉積了CrAlSiN 涂層，涂層的主要相結(jié)構(gòu)為fcc-CrN，同時(shí)含有少量的Cr2N 和 hcp-AlN 相。

（2）無涂層銑刀在切削過程中磨損很快，而CrAlSiN涂層銑刀磨損相對(duì)緩慢。切削TC4 鈦合金時(shí)，CrAlSiN涂層銑刀壽命是無涂層銑刀切削壽命的2.5 倍。

（3）無涂層銑刀切削初期磨損失效形式為磨粒磨損和黏著磨損，后期以黏著磨損為主。CrAlSiN 涂層銑刀初期磨損失效形式為磨粒磨損，末期失效形式為崩刃。在刀具表面施加涂層可有效提高涂層的抗磨粒磨損和抗黏著磨損能力。