表面殘余應力對涂層硬質合金刀具磨損影響的研究現狀*

□ 朱新宇 □ 冒航宇 □ 張嘉蓓

江蘇大學 機械工程學院 江蘇鎮江 212013

1 研究背景

涂層刀具作為一種新興刀具近年來發展迅速,尤其在工業發達國家,涂層刀具的應用占比達到80%以上。以鈦合金、高溫合金等材料為加工對象的涂層硬質合金刀具,其性能的提升日益受到人們的關注。目前,涂層的制備技術主要包括物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、等離子體增強化學氣相沉積法等[1]。涂層硬質合金刀具具有高硬度、強穩定性、高熔點、強耐磨性等特點[2]。科技的高速發展使涂層硬質合金刀具可廣泛應用于航空、航天、汽車等行業關鍵零部件材料的加工。對涂層硬質合金刀具進行表面處理后，刀具表面殘余應力會發生演變，并會對刀具磨損產生影響。筆者對以上問題的研究現狀進行介紹,并對高性能涂層硬質合金刀具的未來發展進行展望。

2 涂層硬質合金刀具表面殘余應力演變

2.1 基體表面處理

基體的表面處理工藝主要包括磨削、電火花加工、激光加工、切削、拋光等。 Yang等[3]通過研究發現,磨削加工在引入損傷薄層的同時,會產生較大的殘余壓應力。與磨削加工相比,拋光條件下產生的殘余壓應力小很多。Denkena等[4]通過研究發現，在使用噴丸工藝進行預處理的同時，金屬基體表面會產生殘余壓應力。使用不同的噴丸材料，在很大程度上會影響基體表面殘余壓應力的大小。Kumar等[5]通過研究發現，噴丸強度相比噴丸處理接觸時間，對基體殘余壓應力的影響較大。楊健等[6]通過研究發現,采用激光快速成形技術進行基體表面處理,溫度場的不均勻會產生殘余拉應力,由此會對零件的靜載強度、疲勞強度、斷裂韌性等力學性能產生一定影響,進而縮短刀具壽命。 Kalentics 等[7]基于激光沖擊技術和激光熔覆技術， 提出三維激光沖擊技術。這一技術可以將金屬基體在激光熔覆制造過程中所產生的殘余拉應力轉變為殘余壓應力,其處理效果優于傳統的激光沖擊技術。Merkleina等[8]通過研究指出,使用電火花加工,試件表面先熱后冷，會產生殘余拉應力,使刀具的使用壽命縮短。綜合以上研究可見,不同的基體表面處理工藝,會產生不同程度的基體殘余應力,通過合適的基體表面處理工藝，可以改善基體的力學性能。

2.2 基體表面二次處理

在磨削過程中，較高的機械載荷和熱載荷會顯著影響材料的亞表面層,在金屬基體表面產生較大的殘余應力梯度,即使對涂層參數進行優化,仍然會導致物理氣相沉積法涂層失效。通過再次噴砂處理,如微噴砂、濕法噴砂等,則可以對基體進行改性。引入較大的殘余壓應力，可以有效減小磨削過程中的殘余應力梯度,還可以有效改善刀具在磨削加工過程中所產生的損傷,提高刀具的耐磨性[9]。孫寒驍等[10]通過研究發現,二次噴丸強化可以進一步增大材料表面的殘余壓應力,進一步延長材料的疲勞壽命,并且相較于一次噴丸強化,二次噴丸強化效果更好。 Klunsner等[11]通過研究發現,電火花加工技術產生的裂紋可以利用微噴砂工藝去除,并且微噴砂會將基體中的殘余拉應力轉變為殘余壓應力。因此,對刀具進行涂層之前,進行微噴砂加工可以有效延長刀具的疲勞壽命，提高耐磨性。Merkleina等[8]通過研究發現,金屬基體拋光過程可以將電火花加工過程中產生的殘余拉應力轉變為殘余壓應力。此外，磨削加工與拋光處理共同作用時,會使金屬基體表面的殘余壓應力有輕微減小。崔偉等[12]通過研究發現,拋光過程中如果預壓量增大、線速度加快，會導致試件的殘余壓應力向拉應力轉變。因此，在拋光過程中，要設置合理的拋光參數，這樣才可以延長試件的疲勞壽命。Yang等[13]通過研究指出,在磨削后進行高溫退火，會使基體的殘余壓應力減小,進而使試件的強度降低。郭偉等[14]通過研究發現,580 ℃退火不會使試件表面殘余壓應力大幅減小,試件圓角處由于材料蠕變及熱應力共同作用，可以將殘余拉應力轉變為殘余壓應力。綜合以上研究可見,經過表面二次處理,金屬基體表面殘余應力有所改變,不同的表面二次處理方式對金屬基體表面殘余應力的影響，有很大程度的不同。

2.3 涂層

涂層硬質合金刀具可以通過改變涂層的結構來改善刀具的力學性能,如梯度涂層、多層涂層等。將刀具的涂層設計成漸變式或多層式，均可以在很大程度上延長刀具的使用壽命[15]。硬質涂層中的殘余壓應力有兩個作用：一是較大的殘余壓應力使薄膜粘結性能下降,使涂層與基體脫離；二是較大的殘余壓應力有助于提高刀具的綜合力學性能[16]。Denkena[17]等通過研究表明,在采用物理氣相沉積法制備涂層的過程中，會在金屬基體表面誘導產生殘余壓應力。孔德軍等[18]通過研究發現,沉積溫度升高、沉積速度加快均會促進涂層表面殘余壓應力增大,并且將殘余拉應力轉變為殘余壓應力。Li等[19]通過研究發現,在應用物理氣相沉積法制備涂層時,隨著反應氣體比例的提升,涂層的殘余拉應力有減小的趨勢。邱龍時等[16]通過研究發現,采用物理氣相沉積法制備刀具涂層過程中，工作氣壓降低及基體偏壓升高均有助于增大涂層的殘余壓應力，而隨著涂層厚度的增大,涂層平均殘余壓應力減小。因此,在金屬基體涂層的過程中,對涂層進行合適的參數設置及結構設計,有利于提高刀具的綜合力學性能。

2.4 涂層表面處理

微噴砂表面涂層后處理技術是利用磨料顆粒沖擊涂層,增大涂層殘余壓應力,提高涂層力學性能的高效、低成本性能提升方法[20-21]，影響噴砂后處理的工藝參數主要包括噴砂壓力、噴砂時間、磨料形狀等。隨著噴砂壓力的增大與噴砂時間的增加,表面涂層的強度會提高,殘余壓應力會相應增大[22]。涂層經過微噴砂處理后,物理氣相沉積法獲得的TiAlN涂層表面及金屬基體均引入殘余壓應力,涂層的脆硬性、疲勞壽命、表面硬度及耐磨性得以改善。采用Al2O3磨粒進行微噴砂處理時,殘余應力增大效果更加明顯。增大微噴砂壓力在提高薄膜硬度的同時,會提高薄膜的脆性,導致刀具的疲勞壽命縮短。對于干式微噴砂,僅在低壓及合適的磨粒條件下才可以延長刀具的疲勞壽命。而采用濕式微噴砂,粗銳的磨粒可以延長刀具的疲勞壽命。相比而言，濕式微噴砂對于延長刀具壽命更加有效[23]。徐培利等[24]對比干式微噴砂與濕式微噴砂兩種不同微噴砂處理工藝,發現經過微噴砂后處理,刀具的殘余壓應力明顯增大,涂層疲勞失效等問題得到緩解,并且在相同條件下,濕式微噴砂相比干式微噴砂，對于延長涂層刀具壽命更加有效,對環境的污染更小。劉燦宇[25]應用濕式噴砂對化學氣相沉積法涂層進行表面后處理,發現微噴砂后處理工藝可以明顯提高涂層硬質合金刀具殘余壓應力水平,使刀具壽命得以延長。經過球狀ZrO2磨料微噴砂處理60 s后,Al2O3/TiCN涂層刀具壽命得到明顯延長。綜合以上研究可見,與金屬基體表面處理相類似,對涂層進行適當的表面處理,通過改變涂層的殘余應力,可以在一定程度上提高涂層的力學性能。

3 表面殘余應力對刀具磨損的影響

王海洋等[26]通過研究指出，TiN涂層厚度為2.0 μm時,涂層殘余應力最大,涂層硬度最低，TiN涂層基體呈現殘余壓應力，且隨涂層厚度的增大而減小。TiAlN涂層基體主要呈現殘余拉應力,并且會隨涂層厚度的增大而增大。TiAlN涂層殘余壓應力增大，會明顯提高涂層的力學性能,進而延長涂層硬質合金刀具的使用壽命。但若殘余壓應力過于增大,則會使涂層的脆性提高,進而加劇涂層硬質合金刀具的磨損程度[27]。Denkena等[17]對物理氣相沉積法TiAlN涂層硬質合金刀具分別進行磨削和拉絲處理后,進行車削試驗,確認對相同形狀因數的刀具進行處理時,磨削后的刀具耐磨損效果更好。原因在于采用磨削處理相較于拉絲處理,基體的殘余壓應力更大,耐磨損效果更好。刀具磨損情況如圖1所示。

▲圖1 刀具磨損情況

涂層硬質合金刀具亞表面殘余應力分布會對切削過程中產生的較高殘余拉應力狀態進行補償,進而提高涂層硬質合金刀具的耐磨損性能。劉建華[28]通過研究發現,涂層中殘余拉應力是導致涂層厚度方向產生微裂紋的主要原因,而殘余壓應力則會促進微裂紋在界面方向的拓展延伸。當涂層硬質合金刀具導熱系數整體提高時,會減小刀具的熱應力梯度,進而提高刀具抵抗熱磨損的能力。Gonzalo等[29]通過研究發現,ZrCN和TiN 涂層硬質合金刀具的磨損情況與涂層殘余應力有直接關系,涂層殘余壓應力越大,涂層硬質合金刀具的側面磨損情況越嚴重,刀具的使用壽命就越短。Breidenstein等[30]對AISI 4140 和 Ti-6Al-4V兩種不同基體的涂層硬質合金刀具進行切削試驗,結果表明涂層殘余應力狀態與刀具磨損情況有相關性,尤其與磨損類型密切相關。提高刀具表面及基體物理氣相沉積法TiAlN涂層的殘余壓應力水平,刀具抵抗牙洼磨損、后刀面磨損及崩刃的能力相應提高。基體附近殘余應力為較高的殘余壓應力水平時,刀具抵抗崩刃的能力更強。在切削過程中,刀具與試件長時間接觸會使刀具失效,主要存在熱疲勞與磨損兩種損傷機制。Teppernegg等[31]通過研究指出,涂層硬質合金刀具在銑削全過程，以及直至以磨損為主要損傷機制的失效,始終存在殘余壓應力。在以熱疲勞損傷為主的涂層硬質合金刀具中,初始狀態的殘余壓應力轉變為殘余拉應力。劉燦宇[25]通過研究發現,化學氣相沉積法涂層硬質合金刀具涂層內分布殘余拉應力,通過濕式微噴砂處理可將殘余拉應力轉變為殘余壓應力,較高的殘余壓應力水平可以抑制涂層硬質合金刀具萌生或擴展微裂紋,進而增強涂層的耐磨性。因此,涂層硬質合金刀具表面殘余應力為殘余壓應力時，能夠適當提高刀具的耐磨損性能。當殘余壓應力過大或者刀具表面殘余應力為殘余拉應力時,會降低刀具的耐磨損性能。

4 展望

涂層硬質合金刀具相較于未涂層硬質合金刀具,可以明顯減小切削加工過程中的磨損,顯著提高切削效率，延長自身使用壽命[32-33]。當前,涂層硬質合金刀具在汽車、航空、航天等領域關鍵零部件的加工中得到廣泛應用。雖然國內外研究學者針對涂層硬質合金刀具進行了大量研究，并取得較多成果,但其耐磨損性能仍有待進一步提高。目前,國內外學者主要針對涂層硬質合金刀具表面處理后應力分布狀況、力學性能，以及刀具磨損對刀具表面殘余應力分布影響等方面進行相關研究,而對于涂層硬質合金刀具表面殘余應力分布對刀具磨損性能影響的研究則相對較少,因此有必要進行更加深入的研究。相信在不久的將來,隨著研究的深入,低成本、高壽命的涂層硬質合金刀具將得到廣泛應用。