針對高速加工的新材質等級設計

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合金材質等級設計的新進展。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計。這種新涂層將一種改善韌性的功能材質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)通過快速的技術發(fā)展而充滿了閃光點腾它。這是由諸如全球化、加劇的市場競爭死讹、允許更高切削速度的功率更大更穩(wěn)定的機床瞒滴、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果。其結果是赞警，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)改進的要求妓忍。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。
       新的法律法規(guī)將提高冷卻潤滑液的使用成本愧旦。這促進干加工(圖 1)的使用世剖。然后，這將增加對于更耐熱涂層硬質合金的需求并強迫金屬加工業(yè)考慮新的替代方法锥桐。

圖1. 硬質合金刀片高速切削菲贝。

尤其是在汽車工業(yè)，關于降低能耗的市場需求將強調材料選擇的重要性鳄砸。例如威跟，優(yōu)先選用輕合金。除鋁和其它輕合金外惧圆，專門設計的高強度鋼材在將來會使用得更多往茄。

下述為市場上最重要的趨勢：針對提高生產率的更高切削速度。

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

      所有這些趨勢對對相同刀具材質等級的耐磨性澳坟、抗塑性變形和韌性提出更多要求笔畜。如果韌性是唯一的問題， PVD （物理氣相沉積）涂層可被看作一種選擇孤殿。然而在耐磨性上PVD涂層不能與現(xiàn)代CVD（化學氣相沉積）涂層競爭粱快。PVD涂層沉積厚度通常小于5 mm，而CVD涂層可能有20 mm厚叔扼。

傳統(tǒng)設計
      一種燒結硬質合金切削刀片就是一種針對某種特定應用領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等級漫雷。設計一種新的材質等級就是要找到基體和涂層物理性能的最佳組合瓜富。最重要的特性是硬度與韌性鳍咱，然而它們反過來與材料性能相互關聯(lián)。結果在刀具研發(fā)時与柑，通常必然在耐磨性和韌性之間折中谤辜。在本文里，我們將通過一些新的途徑來克服這種窘境价捧，例如耐磨性與韌性的結合丑念。本文將探討一種設計用于高速切削的耐磨材質等級的研發(fā)。

      以WC-Co基為基體的性能可通過Co含量结蟋、WC顆粒大小和立方碳化物相數(shù)量的變化來控制脯倚。應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。使用這種方法嵌屎，可獲得硬的基體核心而不犧牲切削刃的韌性鸯流。在耐磨應用場合使用，通常要求抗塑性變形的基體與傳統(tǒng)的硬基體滴督，通常還沒有使用功能梯度分布的基體址靶。其不利點是在很多難加工材料里降低了韌性。

      在傳統(tǒng)涂層里瘫碾，不同的涂層材料根據(jù)普遍接受的磨損模型乔盹，創(chuàng)建多層結構來組合與優(yōu)化。內部（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合金基體之間有良好結合力的TiC-Ti(C,N)-TiN組合奴爷。最常用的中間層是Ti(C,N) 叨剧，而且今天它幾乎專門使用中溫化學氣相沉積（MTCVD）進行沉積。 Al₂O₃傳統(tǒng)地使用在中間層的上面贝渣，起降低前刀面月牙洼磨損的作用阶铝，而且還作為熱障來使用。最后确告，一層薄的TiN通常沉積在復合涂層的頂面惊也，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)遇患、Al₂O₃與TiN組合構成统台。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)定同素異形體啡邑，諸如g贱勃、h、d谤逼、q贵扰、c 和 k ，以及穩(wěn)定的 a-Al₂O₃相流部。所有這些改變緊接著將轉化到穩(wěn)定的a-Al₂O₃ 相戚绕，例如在沉積過程中的熱處理纹坐、沉積后的熱處理與金屬切削過程中。三種 Al₂O₃ 相a-Al₂O₃舞丛、 k-Al₂O₃和g-Al₂O₃ 能以某種受控的方式被CVD沉積耘子。表1給出了這些相的特性。

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

表 1: 穩(wěn)定與不穩(wěn)定CVD Al₂O₃ 相特性晃烟。

	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	? ?

      很令人驚訝蕾崔，與不穩(wěn)定 k-Al₂O₃相比，穩(wěn)定的a-Al₂O₃ 已被發(fā)現(xiàn)是工業(yè)應用里最難的CVD沉積椒缀。這就是為什么所有CVD氧化鋁涂層里大約80%由 k-Al₂O₃構成的理由了垦亲。但是k-Al₂O₃ 是一種不穩(wěn)定相，在沉積過程中脑播，還有在金屬切削過程中（尤其在高速下）常迹，可能轉化成穩(wěn)定的a-Al₂O₃ 相。在相變中碰到的體積收縮將降低并最終破壞k-Al₂O₃層的粘著冗级。

      市場上的很多商用a-Al₂O₃ 涂層是在沉積過程中k ? a 相轉化的結果奖卒。因此，這種涂層展現(xiàn)出熱裂紋并且是易碎的（圖2a）咸耍。僅僅是最近才發(fā)現(xiàn)淘巩，通過調節(jié)晶核表面的化學作用就可能完全控制并使a-Al₂O₃相成核。形成的涂層由細顆粒a-Al₂O₃ 組成努儒，避免了轉化裂紋（圖2b）遇穷。結果，圖2b顯示的結果與早先技術得到的a-Al₂O₃ 以及目前的k-Al₂O₃ 層相比申屹，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性绘证。

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

      經典磨損模型以及傳統(tǒng)涂層設計是有疑問的。舉例講哗讥，歸因于 Al₂O₃ 的化學穩(wěn)定性高得達到鋼材的熔點嚷那，Al₂O₃ 的月牙洼磨損最不可能是一個受約束的擴散過程。Al₂O₃ 的月牙洼磨損實際上更是塑性變形的結果杆煞。因此魏宽，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，而且可以預計表現(xiàn)出的抗后刀面磨損總是優(yōu)于Al₂O₃决乎。由此队询，有需要根據(jù)下面的例子討論新的涂層設計。

圖3 表示了在同一基體上總厚度相等的兩種實驗涂層，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）娘摔。在后面的例子里Ti(C,N) 層保護Al₂O₃層避免月牙洼和后刀面磨損并允許完全利用Al₂O₃ 的熱障特性窄坦。如圖4所示，這種新設計（圖4b）比傳統(tǒng)途徑出眾凳寺。尤其是抗后刀面磨損能力提高而且與傳統(tǒng)涂層設計相比，抗變形能力增加旧搔。根據(jù)新設計得到的涂層壽命超出傳統(tǒng)涂層約100%旁核。

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

圖 4. 圖3所示假設涂層的切削性能。

a) 傳統(tǒng)設計 b) 根據(jù)新設計种鳖。

新涂層概念
      涂層結構如圖5所示惹你。細顆粒a-Al₂O₃ 層夾在兩層MTCVD Ti(C,N) 之間。最醒目的特點是一厚層Ti(C,N)涂在 a-Al₂O₃ 層上面哈滥。最后糊扑，一薄層TiN應用于 Ti(C,N)涂層上面以察覺磨損。涂層的總厚度約為20 μm喷总，并且具有設計用于高速切削的功能梯度分布基體樟闽。

圖 5. 具備精確功能梯度分布的加強結構控制的硬質合金基體允許應用保持韌性的更厚、更耐磨的CVD涂層柳卒。CVD涂層厚度大約為 20 um笨扁。

      如圖5所示，緊接在涂層下面的富鈷區(qū)是相當厚的列疗，但是與可察覺磨損的尺寸大小相比滑蚯，其厚度則是可忽略不計的。當與很硬的基體組合在一起時抵栈，抗塑性變形能力是不會下降的告材。

驗證設想
      一些已經完成的現(xiàn)場測試驗證了實驗室的試驗結果。這些實驗集中于用新的材質等級設計與市場上的傳統(tǒng)涂層作比較竭讳。下面舉了三個有代表性的例子创葡。它們包含了三種不同的鋼材、三種不同的加工（其中一種有冷卻绢慢，兩種干加工）灿渴。這些例子清楚地表明，與傳統(tǒng)涂層設計的產品相比胰舆，耐磨性提高了骚露。

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

切削速度v_c = 430 m/min
進給量 f_n = 0.3 mm/r
切削深度a_p = 1.5 mm

新設計

傳統(tǒng)涂層 A

傳統(tǒng)涂層 B

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

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

切削速度v_c = 385 m/min
進給量 f_n = 0.4 mm/r
切削深度a_p = 2.0 mm

新設計

傳統(tǒng)涂層A

傳統(tǒng)涂層B

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

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

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

新設計

傳統(tǒng)設計

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

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

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涂層刀具金屬加工潤滑機床加工

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