東風(fēng)汽車(chē)有限公司刃量具廠（湖北十堰 442002）楊 鍇

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求切削刀具在越來(lái)越高的速度下運(yùn)行，高速切削產(chǎn)生的摩擦熱使切削刀具刃部處于高溫狀態(tài)，因此對(duì)于切削刀具的紅硬性及其他綜合性能提出更高的要求方能實(shí)現(xiàn)刀具使用的高壽命。除了使用性能更好的整體材料來(lái)制作切削刀具外，作為表面熱處理技術(shù)的一個(gè)重要分支的PVD涂層技術(shù)已經(jīng)是現(xiàn)代刀具不可缺少的應(yīng)用技術(shù)，由于能成倍地提高刀具壽命而被譽(yù)為高速鋼刀具的一次革命。其實(shí)質(zhì)是在切削刀具的表面沉積一層具有致密結(jié)構(gòu)、高硬度、熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗氧化性良好的硬質(zhì)薄膜。最早應(yīng)用的刀具PVD涂層材料是TiN，是將靶材（金屬固體材料）轉(zhuǎn)換成電離狀態(tài)，在電場(chǎng)作用下金屬離子在工件表面與活化了的氮形成2～4μm厚的薄膜涂層，具有較高的硬度和耐磨性，抗氧化溫度在550～600℃；而進(jìn)入21世紀(jì)后，使用具有一定原子比的鈦鋁合金靶作為靶材， 通過(guò)磁控濺射法制得的TiAlN涂層正逐漸代替TiN涂層成為主流涂層，其最高工作溫度可達(dá)1150℃，更好地滿(mǎn)足這種高速高溫切削的需要。

1.試驗(yàn)過(guò)程

2012年我廠與瑞士Sulzer公司合作成立涂層中心，實(shí)現(xiàn)“廠中廠”運(yùn)營(yíng)模式，實(shí)現(xiàn)了刀具表面的多種材料PVD涂層，以替代20世紀(jì)引進(jìn)的TiN涂層技術(shù)，進(jìn)一步達(dá)到延長(zhǎng)刀具使用壽命的目的。我廠熱處理工藝部門(mén)對(duì)兩種基體材料、異種切削速度、不同修磨狀態(tài)下的TiN涂層和TiAlN涂層滾刀分別進(jìn)行了對(duì)比切削試驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)以分析試驗(yàn)結(jié)果和應(yīng)用效果，及影響涂層滾刀使用性能的因素，以期對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用提供指導(dǎo)。所有滾齒加工試驗(yàn)均在同一臺(tái)滾齒機(jī)上進(jìn)行并采用切削油冷卻。根據(jù)相關(guān)資料介紹W6（W6Mo5Cr4V2）基體TiN涂層滾刀切削速度一般在40m/min左右，TiAlN涂層滾刀切削速度可達(dá)60～100m/min；而高性能高速鋼M35（W6Mo5Cr4V2Co5）基體TiAlN涂層滾刀切削速度可進(jìn)一步提高至80～120m/min。我廠的滾齒切削試驗(yàn)以此作為試驗(yàn)根據(jù)。

（1）首次試驗(yàn)測(cè)試在60m/min的切削速度下，W6基體TiN、TiAlN涂層滾刀的切削性能。其中的4# TiN涂層滾刀加工到279件時(shí)已經(jīng)呈現(xiàn)出了非正常磨損，提前換刀（見(jiàn)附圖）。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

（2）第二次試驗(yàn)采用100m/min的線(xiàn)速度驗(yàn)證W6基體TiAlN涂層滾刀是否具備高速切削性能。為方便比較，同期采用W6基體TiN涂層滾刀，線(xiàn)速度依舊采用40m/min。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

（3）在120m/min的高速下進(jìn)行M35基體TiAlN涂層滾刀切削試驗(yàn)，為方便比較同期采用M35基體TiN涂層滾刀，考慮到基體材料已經(jīng)更換為高性能高速鋼，切削線(xiàn)速度在W6基體TiN涂層滾刀的基礎(chǔ)上進(jìn)行提速，采用60m/min的切削速度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表2

表3

（4）修磨后復(fù)涂TiAlN涂層滾刀（重涂之前需要退除原有涂層）的切削性能試驗(yàn)測(cè)試修磨后復(fù)涂滾刀的使用性能與新涂層滾刀是否有差異。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4

2.結(jié)果分析

TiAlN涂層相對(duì)于TiN涂層而言相當(dāng)于Al原子部分代替了Ti原子，Al原子的原子半徑小于Ti原子，為了減小體系的能量，在原子力的作用下，原TiN涂層fcc（面心立方）晶胞下各原子的振動(dòng)平衡位置要向內(nèi)偏移導(dǎo)致晶格常數(shù)的減小，膜層相對(duì)而言更加致密。

切削過(guò)程中因摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量，刀具表面發(fā)生氧化而加速刀具的磨損，加快刀具的失效，所以，良好的抗氧化性是刀具的一個(gè)基本要求。涂層的氧化過(guò)程往往是涂層氧化成疏松組織而后氧比較容易滲入基體發(fā)生反應(yīng)，或者是氧通過(guò)涂層的孔隙或者缺陷到達(dá)基體發(fā)生氧化反應(yīng)。TiN涂層刀具在使用過(guò)程中發(fā)生TiN到TiO2的轉(zhuǎn)變形成體積膨脹，導(dǎo)致壓應(yīng)力，在表面的局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成氧化層開(kāi)裂，使氧容易滲入造成基體氧化。而據(jù)相關(guān)研究資料表明TiAlN涂層刀具在使用中當(dāng)氧化溫度低于600℃時(shí)，涂層內(nèi)多種組成成分都存在，但含量隨著溫度的上升而逐步降低。當(dāng)氧化溫度達(dá)到600℃以后TiN會(huì)消失，剩下含量不斷減少的TiO2，這是由于氧原子從薄膜表層向里層擴(kuò)散，鈦和鋁由里向外擴(kuò)散，且鋁更容易出來(lái)和氧反應(yīng)。隨著氧化溫度逐步升高，鋁和氧在薄膜表面層的含量會(huì)逐漸增加，Al2O3成為主要存在形式。作為主要存在相Al2O3相對(duì)于TiN氧化后生成的TiO2結(jié)構(gòu)而言更加致密，更好地阻止了氧向里層甚至基體的擴(kuò)散，以阻止膜和基體被進(jìn)一步氧化，體現(xiàn)了更好的抗氧化性。另外由于TiAlN涂層的熱導(dǎo)率低，切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量容易被切屑帶走，從而有效地防止了因切削溫度太高使得涂層內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力而失效。

TiN涂層刀具適用在低速和低溫切削條件下，磨損形式主要是黏著磨損和磨粒磨損，表面脆性大，抗拉強(qiáng)度低，涂層當(dāng)中常常存在有殘余應(yīng)力。而TiAlN涂層刀具隨著切削速度的增大，切削溫度的提高，刀具表面逐漸形成的致密的Al2O3保護(hù)膜具有潤(rùn)滑作用，減少了切削摩擦及切屑對(duì)于刀具的黏著，使得切削力進(jìn)一步減少。

Al是增加表面硬度最有效的元素，和N有很強(qiáng)的親和力，可以改變氮的活性系數(shù)，從而改變氮的溶解度，具有較好的結(jié)合強(qiáng)度和硬度，因此TiN涂層硬度為1900～2200HV，而TiAlN涂層硬度可高達(dá)3000～3500HV。TiAlN涂層的硬度比較大的另外一個(gè)原因是Al的加入引起晶格畸變，晶格畸變度大的晶界比較多，位錯(cuò)比較多且不容易滑移，硬度得到提高，且晶粒更加細(xì)小。高硬度增加了其耐磨性，熱硬性好，再加上摩擦因數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，及輔以基體的良好韌性，使得TiAlN涂層刀具適合于在高溫高速條件下切削加工甚至干式切削加工，與傳統(tǒng)的濕式切削加工相比，既提高了加工效率，又減少了對(duì)于環(huán)境的污染，使TiAlN涂層刀具的使用壽命明顯高于TiN涂層刀具。

3.結(jié)語(yǔ)

（1）在60m/min的切削速度下，W6基體TiN涂層滾刀產(chǎn)生了嚴(yán)重的非正常磨損（俗稱(chēng)“勒刀”），而TiAlN涂層滾刀的磨損量非常小，切削性能優(yōu)異，涂層無(wú)剝落。即W6基體TiN涂層滾刀無(wú)法適應(yīng)60m/min較高速度下的長(zhǎng)時(shí)間切削。

（2）比較在100m/min的線(xiàn)速度下W6基體TiAlN涂層滾刀和在40m/min的線(xiàn)速度下W6基體TiN涂層滾刀的使用效果知前者每加工一件齒坯滾刀后刀面平均磨損量?jī)H為0.93μm，而后者在切削線(xiàn)速度大大慢于前者、加工時(shí)間大大少于前者的情況下其平均磨損量也已經(jīng)達(dá)到近3.6μm，是前者的3.87倍。

（3）比較在120m/min的高速下的M35基體TiAlN涂層滾刀和在60m/min的速度下M35基體TiN涂層滾刀的使用效果知前者刀齒的平均磨損量?jī)H為0.155μm，而后者在切削線(xiàn)速度大大慢于前者，加工件數(shù)大大少于前者的情況下刀齒平均磨損量達(dá)0.833μm，是前者的5.37倍。即M35基體TiAlN涂層滾刀可在120m/min的高速下正常切削，而M35基體TiN涂層滾刀 無(wú)法適應(yīng)較高速度下的切削。

（4）修磨后重新涂層滾刀的切削性能與新刀相差無(wú)幾。即證明在現(xiàn)有滾刀修磨條件下，滾刀重復(fù)涂層的再應(yīng)用是可行的。

TiAlN涂層刀具以其優(yōu)越的切削性能展現(xiàn)出在高速切削中廣闊的應(yīng)用前景，其普及應(yīng)用將大大提高刀具壽命，減少加工輔助時(shí)間，降低切削加工成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。值得注意的是對(duì)于可重復(fù)修磨的刀具，當(dāng)?shù)毒咝弈ズ笸繉拥墓πб汛蟛糠謫适В枰獙⑼繉尤コ笤僦匦峦繉?。由于涂層系統(tǒng)投資很大，涂層價(jià)格普遍較貴，因此對(duì)于高端刀具修磨及復(fù)涂帶來(lái)的效益非常明顯；而對(duì)于低端刀具，采用復(fù)涂技術(shù)帶來(lái)的收益比較有限，若是在刀具的使用和修磨等環(huán)節(jié)上管理不善，得到的收益會(huì)更加難以保證。