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[分享资料] CrAlTiN涂层高速钢刀具的切削性能和磨损特性

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发表于 2017-5-15 20:25:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
CrAlTiN涂层高速钢刀具的切削性能和磨损特性:

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材料热处理学报CrAlTiN涂层高速钢刀具的切削性能和磨损特性肖继明李言白力静2,袁启龙郑建明1(1.西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安710048;2西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048)行切削试验,研宄其切削性能和磨损特性。结果表明,CrAlTiN涂层可显著提高高速钢刀具的切削性能,延长刀具寿命。在钻削45钢和30CrMnSiA钢时,钻头平均寿命分别比未涂层钻头提高172倍和11.8倍。试验发现,CrAlTiN涂层钻头后刀面磨损的图形特征更为明显,在不同加工条件下各磨损区域具有不同的磨损特性。要充分发挥涂层的作用,必须合理地选择刀具几何参数和切削用量。

  干式切削技术是一种非常有前途的切削新技术将成为金属切削技术发展的一个方向111.但干式切削不使用切削液,大量切削热无法散发,切削温度和切削力大幅度上升,刀具磨损加快,寿命缩短。因此,干式切削对刀具的高温硬度、耐磨性和热化学稳定性等要求更高。涂层刀具的出现为干式切削提供了基本的前提条件121.物理气相沉积(PVD)的处理温度一般在5⑴°以下,可作为最终处理工艺用于高速钢刀具的涂层,提高高速钢刀具的切削性能,因而得到了迅速推广和应用13.但传统的氮化物涂层(如TiN)硬度低,耐磨性差,尤其热稳定性差145,限制了其在干式切削(尤其是钻削)刀具中的应用。通过引入合金元素(如Al、Zr、Cr、V等)到TiN涂层,形成新的多元涂层体系,可提高涂层硬度,改善涂层的抗磨损性和热稳定性4~61.目前将Al原子植入TiN晶格间形成的新型TiAlN涂层,己成为全球制造业中使用最广泛的刀具涂层之一178.近年来,为了进一步提高刀具涂层的高温硬度和抗氧化性能,改善涂层与基体的结合强度,使涂层刀具更适于干式切削等恶劣的加工条件,研究的重点己集中到多元、多层复合涂层体系5~11.:2⑴5~03~14;修订日期:2005-0531基金项目:中英合作先进镀层,TiN涂层钻头磨损初期阶段增长也较快,约钻孔5个后进入正常阶段,但持续时间较短,约钻孔60个后又开始加快,平均钻孔90个后达到磨钝标准。而CrAlTiN涂层钻头磨损初期阶段增长则较为缓慢,约钻孔15个后进入正常阶段,直到达到磨钝标准;钻削30CrMnSiA钢时,如(b)所示,TiN和CrAlTiN涂层钻头,初期磨损阶段均较短,正常磨损阶段较长,分别约钻孔60个和80个后钻头磨损开始加快,并分别平均钻孔72个和91个后达到磨钝标准。说明CrAlTiN涂层能更好地阻碍刀具磨损。尽管随着钻头后刀面磨损宽度的增大,磨损区的涂层逐渐被磨穿,但残留的涂层仍起着边界阻碍作用,使后刀面磨损缓和,正常磨损阶段大大延长。

  在钻削过程中,未涂层钻头前刀面上常易产生粘结,形成积屑瘤((a));而涂层钻头前刀面上形成积屑瘤的现象则很少((b))。表明CrAlTiN涂层的摩擦系数小,减少了切削时的摩擦力和切削热。扩展速度较快;而主切削刃中间部分磨损带较为均匀,其宽度VB较小,在钻削过程中扩展速度缓慢((b))。大量的试验表明,无论钻削速度高低或在磨损的不同阶段,CrAlTiN涂层钻头磨损的这种图形特征基本保持不变。是CrAlTiN涂层钻头不同磨损区域的SEM形貌。表明在不同加工条件下CrAlTiN涂层钻头各磨损区域具有不同的磨损特性。因此,要充分发挥涂层的作用,必须合理地选择高速钢刀具的基体材料和硬度,以及刀具几何角度和切削用量等。

  2.钻削力表2为钻削45钢时未涂层与CrAlTiN涂层钻头在不同磨损阶段的钻削力均值。可以看出,未涂层与表2CrAlTiN涂层与未涂层钻头切削力均值比较合的结果使得扭矩减小。

  的现象减少1切屑i变形减小小1排屑顺畅E1这些因素兹lishin化快导致在钻削过程中钻削力的波动较大且随头磨损量的增大而增大,但两者轴向力之间的差异很小。对于扭矩,CrAlTiN涂层钻头则在不同磨损阶段均小于未涂层钻头。这是由于标准麻花钻横刃前角是很大的负前角,钻削时横刃处发生严重的挤压作用,造成很大的轴向力。试验表明,横刃产生的轴向力约占总轴向力的50%60%其切削条件很差。横刃区在强烈的挤压作用下基体会发生塑性变形,甚至开裂,导致涂层很快因开裂和剥落而丧失作用,所以涂层对横刃的改性作用不明显。而标准麻花钻的扭矩主要是由主切削刃产生。试验表明,主切削刃产生的扭矩约占总扭矩的80%.从前述分析可知,涂层的抗磨作用使得钻头主切削刃磨损缓慢,磨损带宽度相对稳定,尤其是中间部分磨损带宽度较小,切削刃保持锋利。此外,CrAlTiN涂层钻头表面摩擦系数较小,具有一定固体润滑作用,在前刀面上产生粘结为钻削45钢时未涂层与CrAlTiN涂层钻头在不同磨损阶段的钻削力波形。由此可以更直观地看出,未涂层钻头在钻削过程中钻削力的波动较大,并在钻头磨损达到一定程度时,随着钻孔深度的增大钻削力增大的趋势明显;涂层钻头在钻削第一个孔时,钻削力在开始阶段较为平稳,但随着钻孔深度的增大,钻削力(尤其是扭矩)波动变大,且有上升的趋势;涂层钻头随着钻孔数量的增加,钻削过程中钻削力趋于平稳。这是由于未涂层钻头表面摩擦系数较大,在前刀面上易产生粘结,排屑不畅,磨损带宽度变着钻孔深度和数量的加明显大。涂层钻头在磨损的初期阶段,所钻孔孔径扩大量较小,随着钻孔深度的加,切削温度升高,外缘转角及韧带与孔壁间的摩擦大,因而使钻削力波动较大;随着钻头磨损的大,外缘转角处逐渐失去涂层保护,当基体露出后易形成积屑瘤,导致孔径尺寸扩大,外缘转角和韧带与孔壁之间的摩擦减小,所以钻削力较为平稳。

  3结论CrAlTiN涂层与高速钢基体的结合和匹配较为理想,涂层组织均匀、致密,具有高的硬度和韧性,优异的抗摩擦、磨损性能和高温稳定性等;CrAlTiN涂层可显著提高高速钢刀具的切削性能,减小刀具磨损,延长刀具寿命。在干式切削条件下,钻削45钢和30QMnSiA钢时,钻头平均寿命分别比未涂层钻头提高约17. 2倍和11.8倍;CiAlTiN涂层钻头钻削过程较为平稳,在钻削45钢时,与未涂层钻头相比,轴向力之间的差异不明显,而扭矩较小;CrAlTiN涂层钻头后刀面磨损的图形特征更为明显,在不同加工条件下各磨损区域具有不同的磨损特性。要充分发挥涂层的作用,必须合理地选择刀具几何参数和切削用量。
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