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材料熱處理學報CrAlTiN涂層高速鋼刀具的切削性能和磨損特性肖繼明李言白力靜2，袁啟龍鄭建明1（1.西安理工大學機械與精密儀器工程學院，陜西西安710048；2西安理工大學材料科學與工程學院，陜西西安710048）行切削試驗，研宄其切削性能和磨損特性。結果表明，CrAlTiN涂層可顯著提高高速鋼刀具的切削性能，延長刀具壽命。在鉆削45鋼和30CrMnSiA鋼時，鉆頭平均壽命分別比未涂層鉆頭提高172倍和11.8倍。試驗發(fā)現(xiàn)，CrAlTiN涂層鉆頭后刀面磨損的圖形特征更為明顯，在不同加工條件下各磨損區(qū)域具有不同的磨損特性。要充分發(fā)揮涂層的作用，必須合理地選擇刀具幾何參數(shù)和切削用量。
干式切削技術是一種非常有前途的切削新技術將成為金屬切削技術發(fā)展的一個方向111.但干式切削不使用切削液，大量切削熱無法散發(fā)，切削溫度和切削力大幅度上升，刀具磨損加快，壽命縮短。因此，干式切削對刀具的高溫硬度、耐磨性和熱化學穩(wěn)定性等要求更高。涂層刀具的出現(xiàn)為干式切削提供了基本的前提條件121.物理氣相沉積（PVD）的處理溫度一般在5⑴°以下，可作為*終處理工藝用于高速鋼刀具的涂層，提高高速鋼刀具的切削性能，因而得到了迅速推廣和應用13.但傳統(tǒng)的氮化物涂層（如TiN）硬度低，耐磨性差，尤其熱穩(wěn)定性差145，限制了其在干式切削（尤其是鉆削）刀具中的應用。通過引入合金元素（如Al、Zr、Cr、V等）到TiN涂層，形成新的多元涂層體系，可提高涂層硬度，改善涂層的抗磨損性和熱穩(wěn)定性4~61.目前將Al原子植入TiN晶格間形成的新型TiAlN涂層，己成為全球制造業(yè)中使用*廣泛的刀具涂層之一178.近年來，為了進一步提高刀具涂層的高溫硬度和抗氧化性能，改善涂層與基體的結合強度，使涂層刀具更適于干式切削等惡劣的加工條件，研究的重點己集中到多元、多層復合涂層體系5~11.：2⑴5~03~14；修訂日期：2005-0531基金項目：中英合作先進鍍層，TiN涂層鉆頭磨損初期階段增長也較快，約鉆孔5個后進入正常階段，但持續(xù)時間較短，約鉆孔60個后又開始加快，平均鉆孔90個后達到磨鈍標準。而CrAlTiN涂層鉆頭磨損初期階段增長則較為緩慢，約鉆孔15個后進入正常階段，直到達到磨鈍標準；鉆削30CrMnSiA鋼時，如（b）所示，TiN和CrAlTiN涂層鉆頭，初期磨損階段均較短，正常磨損階段較長，分別約鉆孔60個和80個后鉆頭磨損開始加快，并分別平均鉆孔72個和91個后達到磨鈍標準。說明CrAlTiN涂層能更好地阻礙刀具磨損。盡管隨著鉆頭后刀面磨損寬度的增大，磨損區(qū)的涂層逐漸被磨穿，但殘留的涂層仍起著邊界阻礙作用，使后刀面磨損緩和，正常磨損階段大大延長。
在鉆削過程中，未涂層鉆頭前刀面上常易產(chǎn)生粘結，形成積屑瘤（（a））；而涂層鉆頭前刀面上形成積屑瘤的現(xiàn)象則很少（（b））。表明CrAlTiN涂層的摩擦系數(shù)小，減少了切削時的摩擦力和切削熱。擴展速度較快；而主切削刃中間部分磨損帶較為均勻，其寬度VB較小，在鉆削過程中擴展速度緩慢（（b））。大量的試驗表明，無論鉆削速度高低或在磨損的不同階段，CrAlTiN涂層鉆頭磨損的這種圖形特征基本保持不變。是CrAlTiN涂層鉆頭不同磨損區(qū)域的SEM形貌。表明在不同加工條件下CrAlTiN涂層鉆頭各磨損區(qū)域具有不同的磨損特性。因此，要充分發(fā)揮涂層的作用，必須合理地選擇高速鋼刀具的基體材料和硬度，以及刀具幾何角度和切削用量等。
2.鉆削力表2為鉆削45鋼時未涂層與CrAlTiN涂層鉆頭在不同磨損階段的鉆削力均值?？梢钥闯?，未涂層與表2CrAlTiN涂層與未涂層鉆頭切削力均值比較合的結果使得扭矩減小。
的現(xiàn)象減少1切屑i變形減小小1排屑順暢E1這些因素茲lishin化快導致在鉆削過程中鉆削力的波動較大且隨頭磨損量的增大而增大，但兩者軸向力之間的差異很小。對于扭矩，CrAlTiN涂層鉆頭則在不同磨損階段均小于未涂層鉆頭。這是由于標準麻花鉆橫刃前角是很大的負前角，鉆削時橫刃處發(fā)生嚴重的擠壓作用，造成很大的軸向力。試驗表明，橫刃產(chǎn)生的軸向力約占總軸向力的50%60%其切削條件很差。橫刃區(qū)在強烈的擠壓作用下基體會發(fā)生塑性變形，甚至開裂，導致涂層很快因開裂和剝落而喪失作用，所以涂層對橫刃的改性作用不明顯。而標準麻花鉆的扭矩主要是由主切削刃產(chǎn)生。試驗表明，主切削刃產(chǎn)生的扭矩約占總扭矩的80%.從前述分析可知，涂層的抗磨作用使得鉆頭主切削刃磨損緩慢，磨損帶寬度相對穩(wěn)定，尤其是中間部分磨損帶寬度較小，切削刃保持鋒利。此外，CrAlTiN涂層鉆頭表面摩擦系數(shù)較小，具有一定固體潤滑作用，在前刀面上產(chǎn)生粘結為鉆削45鋼時未涂層與CrAlTiN涂層鉆頭在不同磨損階段的鉆削力波形。由此可以更直觀地看出，未涂層鉆頭在鉆削過程中鉆削力的波動較大，并在鉆頭磨損達到一定程度時，隨著鉆孔深度的增大鉆削力增大的趨勢明顯；涂層鉆頭在鉆削**個孔時，鉆削力在開始階段較為平穩(wěn)，但隨著鉆孔深度的增大，鉆削力（尤其是扭矩）波動變大，且有上升的趨勢；涂層鉆頭隨著鉆孔數(shù)量的增加，鉆削過程中鉆削力趨于平穩(wěn)。這是由于未涂層鉆頭表面摩擦系數(shù)較大，在前刀面上易產(chǎn)生粘結，排屑不暢，磨損帶寬度變著鉆孔深度和數(shù)量的加明顯大。涂層鉆頭在磨損的初期階段，所鉆孔孔徑擴大量較小，隨著鉆孔深度的加，切削溫度升高，外緣轉角及韌帶與孔壁間的摩擦大，因而使鉆削力波動較大；隨著鉆頭磨損的大，外緣轉角處逐漸失去涂層保護，當基體露出后易形成積屑瘤，導致孔徑尺寸擴大，外緣轉角和韌帶與孔壁之間的摩擦減小，所以鉆削力較為平穩(wěn)。
3結論CrAlTiN涂層與高速鋼基體的結合和匹配較為理想，涂層組織均勻、致密，具有高的硬度和韌性，優(yōu)異的抗摩擦、磨損性能和高溫穩(wěn)定性等；CrAlTiN涂層可顯著提高高速鋼刀具的切削性能，減小刀具磨損，延長刀具壽命。在干式切削條件下，鉆削45鋼和30QMnSiA鋼時，鉆頭平均壽命分別比未涂層鉆頭提高約17. 2倍和11.8倍；CiAlTiN涂層鉆頭鉆削過程較為平穩(wěn)，在鉆削45鋼時，與未涂層鉆頭相比，軸向力之間的差異不明顯，而扭矩較??；CrAlTiN涂層鉆頭后刀面磨損的圖形特征更為明顯，在不同加工條件下各磨損區(qū)域具有不同的磨損特性。要充分發(fā)揮涂層的作用，必須合理地選擇刀具幾何參數(shù)和切削用量。
來源：中國刀具網(wǎng)
