高速切削鈦合金的涂層硬質(zhì)合金刀具粘結(jié)磨損*

胡小龍，邵 芳，高占雨，姚淑霞

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州理工學(xué)院教務(wù)處，貴陽 550003；3. 山東濱州渤海活塞股份有限公司，山東 濱州 256602)

0 引言

鈦合金因其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、低密度、良好的耐腐蝕性、優(yōu)異的高溫拉伸強度和蠕變強度，在航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。然而，鈦合金是一種難加工材料，加工性能差，切削溫度高，涂層硬質(zhì)合金刀具是鈦合金加工中最常用的刀具，由于切削過程中元素的擴散和氧化引起的粘結(jié)磨損是硬質(zhì)合金的主要磨損機制[4]。然而，刀具的快速磨損已成為進一步提高鈦合金材料加工效率和質(zhì)量的障礙。文獻[5]研究了inconel718切削過程中刀具磨損的機理，通過掃描電鏡和化學(xué)分析，得出刀具失效的主要磨損原因。文獻[6-7]認為刀具磨損應(yīng)考慮擴散磨損效應(yīng)，當切削溫度低于700 ℃時，刀具的磨損形式包括磨粒磨損和粘結(jié)磨損，一旦超過700 ℃，由于擴散和氧化的原因?qū)觿≌辰Y(jié)磨損。在高速切削過程中，刀具的磨損通常是以這些磨損機理的組合形式發(fā)生的。文獻[8]的研究表明，硬質(zhì)合金刀具的氧化速率隨著空氣中氧含量的增加而增加，氧化粘結(jié)效應(yīng)也更加嚴重。本文對涂層硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金過程中的元素擴散與材料粘結(jié)進行了研究，分析了粘結(jié)磨損形態(tài)、擴散粘結(jié)磨損機理，分析了不同切削速度對元素擴散與材料粘結(jié)的影響，為優(yōu)化切削參數(shù)、提高刀具壽命提供了有益的參考。

1 涂層材料焓值分析

由熱力學(xué)理論可知[9]：

ΔGm=ΔHm-TΔSm

(1)

式中，ΔGm為擴散過程的吉布斯自由能(J)；ΔHm為擴散混合后的焓；ΔSm為擴散后混合熵。

切削過程的熵變函數(shù)方程為：

(2)

即工件材料與刀具材料之間的粘結(jié)吉布斯自由能變方程為：

(3)

式中，T1為初始溫度，設(shè)初始溫度為293 K；T2為切削溫度；C為材料的比熱容(J/(kg·℃))，n為物質(zhì)的量(mol)，ΔSm為擴散后混合熵(J)。

物質(zhì)吉布斯自由能變是判定某一瞬時狀態(tài)下(看作恒溫恒壓狀態(tài))的變化或化學(xué)反應(yīng)能否進行的依據(jù)[10]。

假設(shè)A是工具材料，B是工件材料，則可以根據(jù)吉布斯自由能函數(shù)法計算擴散后的吉布斯自由能來判斷A中元素是否擴散到B中元素中：

ΔHm=HAB-HA-HB

(4)

TΔSm=RT(xAlnxA+xBlnxB)

(5)

式中，Hi為各組分的焓(J)；xi為各組分的濃度。

若ΔGm>0，擴散不會發(fā)生;ΔGm=0，擴散達到平衡狀態(tài);只有當ΔGm<0時擴散才會發(fā)生。硬質(zhì)合金涂層材料的標準生成熱如下:

WC的標準生成熱ΔHst為:ΔHst=-40 041 J/mol;TiC的標準生成熱ΔHst為：ΔHst=-184 096 J/mol； Al2O3的標準生成熱ΔHst為：ΔHst=-1 675 274 J/mol；TiN的標準生成熱ΔHst為：ΔHst=-337 858 J/mol。

表1 涂層材料在不同溫度下的相對焓值和絕對焓值

硬質(zhì)合金涂層刀具主要材料的焓值隨溫度的升高而增加(表1)，因此工具與工件材料之間的擴散現(xiàn)象也隨溫度的升高而增加。由于Al2O3的絕對焓的絕對值最大，Al2O3的混合焓最大，因此在相同溫度條件下，反應(yīng)最難發(fā)生，因此材料的耐磨性能為Al2O3> TiN > TiC > WC。

圖1 掃描電鏡能譜儀

2 實驗設(shè)計

車削加工試驗在數(shù)控機床上完成，涂層硬質(zhì)合金刀具的涂層材料為：Ti(C,N)，TiN ，Al2O3)，工件為鈦合金棒料，切削工藝參數(shù)和鈦合金材料參數(shù)分別見表2、表3。為了探究涂層硬質(zhì)合金刀具切削過程中由于焓變導(dǎo)致的元素相互擴散與粘結(jié)磨損，闡明不同切削速度對元素擴散與材料粘結(jié)的影響機制，在保證工藝參數(shù)(進給量f,切深ap)不變的情況下，進行了鈦合金Ti-6Al-4V的高速車削加工試驗，試驗結(jié)束后，使用SEM-EDS(圖1)對涂層硬質(zhì)合金刀具表面元素進行分析，結(jié)合白光干涉儀(圖2)對刀具表面形貌和材料粘結(jié)深度進行分析。

圖2 白光干涉儀

表2 切削工藝參數(shù)

表3 鈦合金的元素含量(%)

3 實驗結(jié)果與分析

使用SEM-EDS對涂層硬質(zhì)合金刀具磨損表面形貌和原子含量進行了分析,如圖3所示。可以看出涂層硬質(zhì)合金刀具切削之后的磨損區(qū)和未磨損區(qū)。

圖3 v=200 m/min的刀具表面形貌與元素檢測區(qū)域示意圖

在刀具表面取區(qū)域1，其原子含量見表4，此區(qū)域元素來自于刀具與工件，Al元素和Ti元素可能來自涂層材料，或是來自鈦合金工件材料，各原子元素含量不能分辨該處有粘結(jié)于刀具表面的工件材料，但由CO元素含量可知，刀具表面涂層可能已經(jīng)磨損裸露，此處應(yīng)為切削過度磨損區(qū)，粘結(jié)磨損不明顯。

表4 區(qū)域1的能譜含量

在刀具表面取區(qū)域2，其元素含量見表5，Al的原子含量為34.34%，遠大于6%，顯然此處的鋁元素是來自刀具表面涂層，而且Ti元素的原子含量僅為1.67%，也遠小于工件材料中Ti元素的含量90%，故該區(qū)域的元素來自刀具表面涂層，顯然該區(qū)域?qū)儆诘毒呶窗l(fā)生粘結(jié)磨損區(qū)。

表5 區(qū)域2的能譜含量

在刀具表面取區(qū)域4，其元素含量見表6，Ti元素的原子百分比含量高達92.06%，與工件材料TC4的鈦元素含量很接近，表明在刀-屑接觸區(qū)溫度很高，工件材料焓值升高，粘結(jié)到刀具表面。

表6 區(qū)域4的元素含量

圖4是在切削速度為300 m/min時的刀具表面形貌。可以發(fā)現(xiàn)，工件材料在刀具表面的粘結(jié)很輕微，僅在局部區(qū)域有粘結(jié)。刀具表面的涂層區(qū)的粘結(jié)磨損不明顯。

圖4 v=300 m/min的刀具表面形貌與元素檢測區(qū)域示意圖

在刀具表面取區(qū)域1，元素含量見表7，該區(qū)域的Ti原子含量為90.07%，與工件材料TC4中Ti元素的含量相近，表明此處發(fā)生了粘結(jié)磨損。由表8可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)域3包含三種元素O、Al和Ti，原子含量分別為65.07%、33.35%和1.58%，顯然元素來自涂層，從Al和Ti元素含量中可以發(fā)現(xiàn)，鋁元素含量遠高于鈦元素，說明氧化鋁涂層膜還未被磨損掉，也證明了氧化鋁材料極低的焓值，非常適合做涂層材料，尤其是最外層涂層材料，所以此區(qū)域未發(fā)生刀具-工件之間的元素擴散與粘結(jié)磨損。

表7 區(qū)域1的能譜分析

表8 區(qū)域3的能譜含量

切削實驗完畢后，取下涂層硬質(zhì)合金刀具，在前刀面磨損區(qū)取定點進行白光干涉，得到所取位置的三維形貌圖，可以清晰地觀察到材料粘結(jié)與表面磨損。如圖5是在相同的切削時間下三維形貌圖，直觀來看，刀具表面的粘結(jié)磨損程度隨切削速度的變化發(fā)生了改變。通過白光干涉儀觀測形貌圖中的藍色代表刀具表面材料厚度小于0，紅色和黃色代表刀具表面材料厚度大于0。所以，我們可以看出隨著切削速度的增加，刀具表面形貌出現(xiàn)了凹坑、厚粘結(jié)層與薄粘結(jié)層。其粘結(jié)厚度分別為-1.72 μm、3.53 μm和1.5 μm，表明：當切削速度為100 m/min時，刀具磨損速度大于粘結(jié)速度，白光干涉儀觀察到粘結(jié)厚度為負值；當切削速度為200 m/min時，刀具的粘結(jié)深度最深，粘結(jié)速度較快；當切削速度為300 m/min時，刀具粘結(jié)厚度有所下降，隨著高速切削速度的提高，刀具磨損與粘結(jié)效應(yīng)呈現(xiàn)增長后降低的趨勢，如圖6所示，說明高速切削對刀具表面粘結(jié)磨損具有改善作用。

(a)v =100 m/min (b)v =200 m/min

(c) v =300 m/min

圖6 不同切削速度的粘結(jié)厚度

這是由于切削速度的提升，切削時工件接觸表面的局部焓值升高，涂層硬質(zhì)合金刀具與鈦合金材料均有變軟，促使兩種材料的粘結(jié)厚度增加，但是當切削速度增加到臨界值之后，鈦合金的軟化速度更快，涂層硬質(zhì)合金刀具與鈦合金工件之間的范德華力減小，粘結(jié)厚度降低。切削速度的繼續(xù)提高，更高的溫度環(huán)境下將使得刀具-工件之間發(fā)生擴散，從而加劇刀具磨損。

4 結(jié)論

(1)硬質(zhì)合金的涂層材料的耐磨性能不同，硬質(zhì)合金刀具涂層時應(yīng)按照合理的順序進行涂層。

(2)材料粘結(jié)較易發(fā)生在中速切削時，元素擴散較易發(fā)生在高速切削時。

(3)在高速切削和長時間切削的情況下，刀具磨損機理將更加復(fù)雜，除粘結(jié)磨損外，還可能存在擴散磨損與氧化磨損。