針對高速加工的新材質(zhì)等級設(shè)計

摘要

        這篇論文闡述了一種針對高速切削金屬時提高耐磨性與抗塑性變形能力的涂層硬質(zhì)合金材質(zhì)等級設(shè)計的新進(jìn)展挺赞。簡單描述了一種基于對涂層材料磨損特性了解深入以后的新涂層設(shè)計盘贤。這種新涂層將一種改善韌性的功能材質(zhì)基體與刀具的切削刃強度組合在一起。

加工趨勢
       金屬加工業(yè)通過快速的技術(shù)發(fā)展而充滿了閃光點掸阶。這是由諸如全球化凳贰、加劇的市場競爭、允許更高切削速度的功率更大更穩(wěn)定的機床窟著、難加工材料的使用以及環(huán)境問題日益增長的覺悟等因素作用的結(jié)果哗励。其結(jié)果是，刀具的最終用戶就刀具性能表現(xiàn)對刀具制造商提出持續(xù)改進(jìn)的要求危暇。金屬加工業(yè)的總趨勢是發(fā)展更多的性價比好的加工工藝界橱。
       新的法律法規(guī)將提高冷卻潤滑液的使用成本。這促進(jìn)干加工(圖 1)的使用托祖。然后丛君，這將增加對于更耐熱涂層硬質(zhì)合金的需求并強迫金屬加工業(yè)考慮新的替代方法。

圖1. 硬質(zhì)合金刀片高速切削舟肉。

尤其是在汽車工業(yè)修噪，關(guān)于降低能耗的市場需求將強調(diào)材料選擇的重要性。例如，優(yōu)先選用輕合金黄琼。除鋁和其它輕合金外樊销，專門設(shè)計的高強度鋼材在將來會使用得更多。

下述為市場上最重要的趨勢：針對提高生產(chǎn)率的更高切削速度脏款。

為了降低成本和環(huán)境方面的原因而進(jìn)行干加工和/或最小量潤滑（MQL）围苫。
難加工材料，例如為了零件更輕的高強度材料弛矛。

      所有這些趨勢對對相同刀具材質(zhì)等級的耐磨性够吩、抗塑性變形和韌性提出更多要求。如果韌性是唯一的問題丈氓， PVD （物理氣相沉積）涂層可被看作一種選擇周循。然而在耐磨性上PVD涂層不能與現(xiàn)代CVD（化學(xué)氣相沉積）涂層競爭。PVD涂層沉積厚度通常小于5 mm万俗，而CVD涂層可能有20 mm厚湾笛。

傳統(tǒng)設(shè)計
      一種燒結(jié)硬質(zhì)合金切削刀片就是一種針對某種特定應(yīng)用領(lǐng)域定制的基體與涂層的優(yōu)化組合，通常被看作是一種材質(zhì)等級辆泄。設(shè)計一種新的材質(zhì)等級就是要找到基體和涂層物理性能的最佳組合蟋真。最重要的特性是硬度與韌性，然而它們反過來與材料性能相互關(guān)聯(lián)铐坠。結(jié)果在刀具研發(fā)時酷它，通常必然在耐磨性和韌性之間折中。在本文里遂涛，我們將通過一些新的途徑來克服這種窘境悦阿，例如耐磨性與韌性的結(jié)合。本文將探討一種設(shè)計用于高速切削的耐磨材質(zhì)等級的研發(fā)乏乔。

      以WC-Co基為基體的性能可通過Co含量丝板、WC顆粒大小和立方碳化物相數(shù)量的變化來控制。應(yīng)用功能梯度的方法也是可行的：緊挨在涂層下面的基體創(chuàng)建富含Co的區(qū)域并同時耗盡硬的立方碳化物表層蜂镇。使用這種方法吓篙，可獲得硬的基體核心而不犧牲切削刃的韌性。在耐磨應(yīng)用場合使用给酥，通常要求抗塑性變形的基體與傳統(tǒng)的硬基體深怕，通常還沒有使用功能梯度分布的基體。其不利點是在很多難加工材料里降低了韌性泵肄。

      在傳統(tǒng)涂層里捆交，不同的涂層材料根據(jù)普遍接受的磨損模型，創(chuàng)建多層結(jié)構(gòu)來組合與優(yōu)化凡伊。內(nèi)部（中間）的涂層通常是基于保證良好的抗后刀面磨損及與硬質(zhì)合金基體之間有良好結(jié)合力的TiC-Ti(C,N)-TiN組合零渐。最常用的中間層是Ti(C,N) 窒舟，而且今天它幾乎專門使用中溫化學(xué)氣相沉積（MTCVD）進(jìn)行沉積。 Al₂O₃傳統(tǒng)地使用在中間層的上面诵盼，起降低前刀面月牙洼磨損的作用惠豺，而且還作為熱障來使用。最后风宁，一層薄的TiN通常沉積在復(fù)合涂層的頂面洁墙，為了使刀具得到金黃色并有助于容易地察覺磨損。今天市場上大多數(shù)涂層是由Ti(C,N)戒财、Al₂O₃與TiN組合構(gòu)成热监。通常在Al₂O₃ 上面僅覆蓋一薄層TiN。

氧化物困境
      Al₂O₃存在許多不穩(wěn)定同素異形體饮寞，諸如g悬占、h、d拜岂、q邓秕、c 和 k ，以及穩(wěn)定的 a-Al₂O₃相庵偏。所有這些改變緊接著將轉(zhuǎn)化到穩(wěn)定的a-Al₂O₃ 相轻江，例如在沉積過程中的熱處理、沉積后的熱處理與金屬切削過程中母掀。三種 Al₂O₃ 相a-Al₂O₃挤帕、 k-Al₂O₃和g-Al₂O₃ 能以某種受控的方式被CVD沉積。表1給出了這些相的特性焰哮。

      應(yīng)用到工業(yè)范疇僅有的CVD相是a-Al₂O₃ 和k-Al₂O₃贤泥。 g-Al₂O₃ 還沒有作為降低磨損或摩擦涂層被商業(yè)化使用，即使它最常見地被PVD Al₂O₃ 相獲得安影。

表 1: 穩(wěn)定與不穩(wěn)定CVD Al₂O₃ 相特性腻喇。

	a-Al₂O₃	k-Al₂O₃	g-Al₂O₃
晶格體系	三方晶系	斜方晶系	立方晶系
空間組	R3c	Pna2₁	Fd3m
晶格參數(shù)(埃)	a=4.7587 c= 12.9929	a=4.8351 b=8.3109 c=8.9363	a=7.92
單元Al原子數(shù)	12	16	63/3
單元O原子數(shù)	18	24	32
Al-配位排列	八面體	75% 八面體 25% 四面體	? ?

      很令人驚訝竣康，與不穩(wěn)定 k-Al₂O₃相比膏蚓，穩(wěn)定的a-Al₂O₃ 已被發(fā)現(xiàn)是工業(yè)應(yīng)用里最難的CVD沉積。這就是為什么所有CVD氧化鋁涂層里大約80%由 k-Al₂O₃構(gòu)成的理由了畸写。但是k-Al₂O₃ 是一種不穩(wěn)定相驮瞧，在沉積過程中，還有在金屬切削過程中（尤其在高速下）枯芬，可能轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的a-Al₂O₃ 相论笔。在相變中碰到的體積收縮將降低并最終破壞k-Al₂O₃層的粘著。

      市場上的很多商用a-Al₂O₃ 涂層是在沉積過程中k ? a 相轉(zhuǎn)化的結(jié)果千所。因此狂魔，這種涂層展現(xiàn)出熱裂紋并且是易碎的（圖2a）蒜埋。僅僅是最近才發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)晶核表面的化學(xué)作用就可能完全控制并使a-Al₂O₃相成核最楷。形成的涂層由細(xì)顆粒a-Al₂O₃ 組成整份，避免了轉(zhuǎn)化裂紋（圖2b）。結(jié)果籽孙，圖2b顯示的結(jié)果與早先技術(shù)得到的a-Al₂O₃ 以及目前的k-Al₂O₃ 層相比烈评，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性。

  a)    b)
圖 2.
a) 早先技術(shù)a-Al₂O₃ 的微觀結(jié)構(gòu) b) 具有控制成核和細(xì)顆粒尺寸的現(xiàn)代a-Al₂O₃ 微觀結(jié)構(gòu)

      經(jīng)典磨損模型以及傳統(tǒng)涂層設(shè)計是有疑問的犯建。舉例講该捎，歸因于 Al₂O₃ 的化學(xué)穩(wěn)定性高得達(dá)到鋼材的熔點，Al₂O₃ 的月牙洼磨損最不可能是一個受約束的擴散過程张相。Al₂O₃ 的月牙洼磨損實際上更是塑性變形的結(jié)果枝扭。因此，在很多鋼件加工時Ti(C,N)表現(xiàn)出比Al₂O₃ 有更優(yōu)異的抗月牙洼磨損能力蝗腻，而且可以預(yù)計表現(xiàn)出的抗后刀面磨損總是優(yōu)于Al₂O₃尉利。由此，有需要根據(jù)下面的例子討論新的涂層設(shè)計敏盒。

圖3 表示了在同一基體上總厚度相等的兩種實驗涂層汤顷，根據(jù)傳統(tǒng)方法考慮的把Al₂O₃ 沉積到Ti(C,N)層的上面（圖3a）和在兩層Ti(C,N)層之間沉積Al₂O₃ （圖3b）。在后面的例子里Ti(C,N) 層保護(hù)Al₂O₃層避免月牙洼和后刀面磨損并允許完全利用Al₂O₃ 的熱障特性翁凳。如圖4所示递促，這種新設(shè)計（圖4b）比傳統(tǒng)途徑出眾。尤其是抗后刀面磨損能力提高而且與傳統(tǒng)涂層設(shè)計相比县趴，抗變形能力增加送魁。根據(jù)新設(shè)計得到的涂層壽命超出傳統(tǒng)涂層約100%。

圖 3. a) 傳統(tǒng)涂層設(shè)計锭汛。氧化鋁作為擴散屏障置于Ti(C,N)層上面笨奠。 b) 一厚層Ti(C,N) 沉積在氧化鋁上面以減小塑性變形。

圖 4. 圖3所示假設(shè)涂層的切削性能唤殴。

a) 傳統(tǒng)設(shè)計 b) 根據(jù)新設(shè)計般婆。

新涂層概念
      涂層結(jié)構(gòu)如圖5所示。細(xì)顆粒a-Al₂O₃ 層夾在兩層MTCVD Ti(C,N) 之間朵逝。最醒目的特點是一厚層Ti(C,N)涂在 a-Al₂O₃ 層上面蔚袍。最后，一薄層TiN應(yīng)用于 Ti(C,N)涂層上面以察覺磨損配名。涂層的總厚度約為20 μm啤咽，并且具有設(shè)計用于高速切削的功能梯度分布基體。

圖 5. 具備精確功能梯度分布的加強結(jié)構(gòu)控制的硬質(zhì)合金基體允許應(yīng)用保持韌性的更厚渠脉、更耐磨的CVD涂層宇整。CVD涂層厚度大約為 20 um瓶佳。

      如圖5所示，緊接在涂層下面的富鈷區(qū)是相當(dāng)厚的鳞青，但是與可察覺磨損的尺寸大小相比涩哟，其厚度則是可忽略不計的。當(dāng)與很硬的基體組合在一起時焊循，抗塑性變形能力是不會下降的帝愉。

驗證設(shè)想
      一些已經(jīng)完成的現(xiàn)場測試驗證了實驗室的試驗結(jié)果。這些實驗集中于用新的材質(zhì)等級設(shè)計與市場上的傳統(tǒng)涂層作比較沈跷。下面舉了三個有代表性的例子暖麻。它們包含了三種不同的鋼材、三種不同的加工（其中一種有冷卻亮铛，兩種干加工）瘾手。這些例子清楚地表明，與傳統(tǒng)涂層設(shè)計的產(chǎn)品相比受卒，耐磨性提高了光拥。

例 1
      第一個例子有關(guān)軸的外圓干式粗加工。工件材料為硬度HB180的16MnCr5 筋蝴。切削參數(shù)是：

切削速度v_c = 430 m/min
進(jìn)給量 f_n = 0.3 mm/r
切削深度a_p = 1.5 mm

新設(shè)計

傳統(tǒng)涂層 A

傳統(tǒng)涂層 B

圖 6. 光學(xué)顯微照相表明在車削 6.5分鐘后厨摔，基于新設(shè)計刀片的切削刃磨損與兩種主要競爭對手傳統(tǒng)涂層設(shè)計并有相似基體的材質(zhì)等級的對照比較。

例 2
第二個例子有關(guān)軸的外圓干式粗加工岛涝。工件材料為硬度HB240的42CrMo4脓杉。切削參數(shù)是：

切削速度v_c = 385 m/min
進(jìn)給量 f_n = 0.4 mm/r
切削深度a_p = 2.0 mm

新設(shè)計

傳統(tǒng)涂層A

傳統(tǒng)涂層B

圖 7. 光學(xué)顯微照相表明在車削3分鐘后，基于新設(shè)計刀片的切削刃磨損與兩種主要競爭對手傳統(tǒng)涂層設(shè)計并有相似基體的材質(zhì)等級的對照比較简逮。

例 3
第三個例子有關(guān)小軸承環(huán)外徑和端面的車削球散。該試驗加冷卻液。工件材料為HB=190 的100Cr6散庶。切削參數(shù)是：

切削速度v_c = 480 m/min
進(jìn)給量 f_n = 0.23-0.73 mm/r
切削深度a_p = 1.0 mm

新設(shè)計

傳統(tǒng)設(shè)計

圖 8. 光學(xué)顯微照相表明基于新設(shè)計刀片的切削刃磨損和最佳表現(xiàn)的基于傳統(tǒng)涂層設(shè)計的競爭對手材質(zhì)等級蕉堰。

圖 9. 圖表表示了基于新設(shè)計產(chǎn)品的以被加工零件數(shù)量衡量的預(yù)期刀具壽命以及后刀面磨損同最佳表現(xiàn)的基于傳統(tǒng)涂層設(shè)計的競爭對手材質(zhì)等級的對比。

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刀具涂層金屬加工機床加工

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