CrAlSiN 涂层刀具切削钛合金的失效机理研究

2021-04-08唐啟峰梁杨梦甜范其香王铁钢

天津职业技术师范大学学报 2021年1期

唐啟峰，王欣，梁杨梦甜，范其香，王铁钢

（1.天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222；2.天津职业技术师范大学工程实训中心，天津 300222）

钛合金因其具有高比强度、高温强度和耐蚀性等一系列优良的物理和化学性能而被广泛应用于航空、航天、核能、化工、石油、医疗器械等领域[1]。但钛合金在切削加工时，具有导热系数低、切削温度高、单位面积切削力大、冷硬现象严重等缺点[2-4]，导致刀具使用寿命短，加工表面质量差，被称为难加工材料。采用涂层技术可有效提高切削刀具的表面硬度、耐磨性、化学稳定性、耐热耐氧化能力，使刀具获得优良的综合机械性能。另外，涂层还可作为化学屏障和热屏障，减少刀具与工件之间的扩散和化学反应，减少月牙洼磨损，有效提高切削刀具使用寿命、切削效率和加工表面质量[5-6]。在涂层发展初期，其成分主要为TiN、TiC等碳化物或氮化物[7]。近年来，由于CrAlSiN 涂层具有超高硬度，且具有较低的摩擦系数和优异的抗高温氧化性能，得到越来越多研究者的青睐[8-11]。目前关于CrAlSiN 涂层刀具针对钛合金切削失效机理的研究还鲜有报道。因此，本文采用脉冲直流磁控溅射和电弧离子镀复合技术在YG8 硬质合金四刃立铣刀上沉积了CrAlSiN 梯度涂层，分析涂层的组织结构，探讨切削TC4 钛合金时CrAlSiN 涂层刀具的失效过程。

1 实验方法

1.1 涂层的制备

在V-TECH-HiPIMS610 型磁控溅射系统上，采用脉冲直流磁控溅射和电弧离子镀共沉积技术，在（100）单晶Si 片和YG8 硬质合金四刃立铣刀表面沉积CrAlSiN纳米梯度涂层。CrAlSi 靶连接脉冲直流磁控溅射电源，Cr 靶连接电弧电源。镀膜之前将基片和铣刀在酒精和超纯水中先后清洗15 min，随后取出烘干并放入炉中。关闭炉门，先进行粗抽。当压力达到3.5 Pa 时，打开精抽阀门进行精抽，当炉内压力达到6.8×10-3Pa时，加热使炉内的温度升到350 ℃并设置旋转架以40 Hz 的速度在炉内旋转。当炉内真空度再次达到9×10-3Pa 以下时，通入250 sccm 的氩气并调节节流阀使炉内压力保持1.5 Pa。接着调节偏压至-800 V 进行辉光清洗，此过程持续20 min。辉光放电完成之后打开Cr 靶和CrAlSi 靶，降低偏压至-650 V，然后通入150 sccm 的氩气，调节节流阀，使炉内压力保持在1 Pa，轰击清洗试样10 min。轰击清洗完成后，开始沉积Cr 过渡层，保持氩气流量和炉内压力不变，偏压设置为-80 V，沉积8 min。之后通入150 sccm 的氮气，将氩气流量减小至50 sccm，此时依然保持炉内压力为1 Pa，沉积CrN 过渡层10 min。最后沉积CrAlSiN 梯度涂层，保持Cr 靶电流为80 A，CrAlSi 靶采用电源线性控制功能使其功率由0.6 kW 线性增加至1.2 kW，沉积240 min。

1.2 涂层的性能表征

采用 XRD 衍射仪（D8Advance，Bruker）表征CrAlSiN梯度涂层的相结构。采用扫描电镜（Sigma 300，ZEISS）观察涂层表面形貌，并用能谱仪（Oxford）分析涂层成分。采用汉川XH715D 型立式加工中心测试CrAlSiN 纳米梯度涂层的切削性能。工件材料为TC4钛合金，切削过程中不使用冷却液，切削深度设定为2 mm，边吃刀量为0.3 mm，主轴转速为6 366 r/min，切削进给速度为1 200 mm/min。实验过程中每切削10 min 使用热成像仪（Fluke TiX640）测量并记录切削区切削温度；每20 min 暂停切削，取下车刀通过超景深显微镜（VHX-1000）观察车刀后刀面磨损宽度并记录数据，当后刀面平均磨损宽度达到0.15 mm 时，停止切削。

2 试验结果与分析

2.1 涂层的相结构与形貌分析

图1 为CrAlSiN 梯度涂层的XRD 衍射图谱。从图1 中可以看出，CrAlSiN 纳米梯度涂层主要相结构为fcc-CrN 相，同时也检测到Cr2N 和hcp-AlN 相。与标准衍射峰相比，涂层的衍射峰向低角度偏移，这可能是因为涂层中存在压应力[12]。在沉积过程中，Al、Cr原子在电场和磁场的作用下高速撞击基体表面与N 原子发生反应沉积，起到类似喷丸的作用，一般在涂层内产生压应力[13]。另外，涂层中并未检测到Si 的衍射峰，这可能是因为涂层中Si 含量较低，其固溶于CrN 相中或以非晶相形式存在于涂层中。

图1 CrAlSiN 梯度涂层的XRD 衍射图谱

图2 为采用扫描电镜观察的CrAlSiN 梯度涂层的表面形貌。从图2 可以看出，涂层表面比较均匀，但存在一些小颗粒，以及少量的孔洞。涂层制备过程中，靶材表面有半熔融态的Cr 或Al 液滴生成，运输到基体表面与N 反应形成小颗粒。这些CrAlN 颗粒在降温过程中会发生收缩，同时由于其与周围涂层热膨胀系数不一致而发生剥落，在表面形成孔洞。采用EDS 分析涂层表面的平均成分为40.05Cr-5.77Al-0.89Si-53.29 N（at.%）。

图2 CrAlSiN 梯度涂层的表面形貌

2.2 切削性能测试

2.2.1 刀具切削寿命与切削温度

图3 为无涂层铣刀和CrAlSiN 涂层铣刀切削钛合金时刀面磨损宽度与切削时间关系图。从图3 可以看出，当切削时间为20 min 时，无涂层铣刀与CrAlSiN涂层铣刀的刀具磨损量分别为0.14 mm 和0.07 mm。无涂层铣刀磨损宽度是CrAlSiN 涂层铣刀的2 倍。这是因为无涂层铣刀比CrAlSiN 涂层铣刀表面粗糙度更大，新刀具与工件接触时为峰点接触，正向压力大，加速刀具磨损。切削60 min 时，无涂层铣刀的后刀面的磨损量达到0.18 mm，而CrAlSiN 涂层铣刀切削在120 min 后磨损量才达到0.17 mm。以磨损宽度0.15 mm为磨钝标准，无涂层铣刀和CrAlSiN 涂层铣刀切削寿命分别约为42 min 和106 min。CrAlSiN 涂层铣刀寿命是无涂层铣刀寿命的2.5 倍，这说明在硬质合金铣刀表面沉积CrAlSiN 涂层，可以提高铣刀的硬度和耐磨性，降低刀具表面粗糙度，减少刀具与工件之间的摩擦，提高刀具的切削性能，从而延长刀具的寿命[14]。

图3 无涂层铣刀和CrAlSiN 梯度涂层刀具磨损宽度与切削时间关系图

图4 为无涂层铣刀和CrAlSiN 涂层铣刀切削温度随切削时间变化的趋势图。切削温度为切削区的平均温度，由红外测温仪采集。从图4 可以看出，无涂层铣刀和CrAlSiN 涂层铣刀切削时，温度随时间呈波动上升状态，这是由于随着切削时间延长，刀具磨损更加严重，与工件材料之间的摩擦阻力增大，产生更多的切削热。无涂层铣刀在切削30 min 时切削温度低于切削20 min 时的切削温度，这是因为前20 min 刀具为新刀，与工件材料为磨合期，产生较大的切削热，切削温度迅速增加，而此时为测量刀具磨损宽度停止切削，刀具被取出，温度降低为室温，故当切削总时间为30 min 时切削温度降低。CrAlSiN 涂层在切削50 min 时切削温度略微下降，这可能是由于断续切削原因造成。无涂层铣刀切削失效时最高温度为200 ℃左右，CrAlSiN 涂层铣刀切削失效时最高温度上升到430 ℃左右。

图4 无涂层铣刀和CrAlSiN 梯度涂层刀具切削温度与切削时间趋势图

2.2.2 刀具磨痕形貌

图5 为无涂层铣刀和CrAlSiN 涂层铣刀切削20min后的后刀面磨损形貌。从图5（a）中可以看出，无涂层铣刀刀尖处发生磨损，后刀面出现条纹状磨损带和较大凹坑，磨损较为严重。后刀面出现凹坑是因为切屑与刀具发生粘结，刀具材料被切屑带走而形成黏着磨损[15]。此时无涂层铣刀的磨损宽度已经达到 0.14 mm，磨损失效形式以磨粒磨损和黏着磨损为主。从图 5（b）可知，CrAlSiN 涂层铣刀切削 20 min 后的后刀面和刀尖磨损都很轻微，后刀面有轻微的条纹状磨损带，磨损宽度为0.07 mm。CrAlSiN 涂层刀具磨损以磨粒磨损为主。

图5 切削20 min 后的后刀面磨损形貌

铣削60 min 后，观察后刀面磨损形貌，可以看到无涂层铣刀的刀尖有严重的磨损，后刀面出现大量凹坑。刀刃的磨损宽度已经达到0.18 mm，此时刀具磨损失效形式为粘结磨损。观察发现，CrAlSiN 涂层铣刀的后刀面发生了轻微的磨损，刀尖磨损依然比较小。

图6 为CrAlSiN 涂层铣刀切削140 min 后的形貌。从图6 可以看出，在切削大约132 min 时出现明显异响，在第140 min 时测量温度并停止切削。取下刀具，用超景深显微镜观察发现CrAlSiN 涂层铣刀后刀面崩裂，刀具失效。这是因为此时切削温度高达400 ℃以上，刀刃的韧性和硬度均降低，在切削力作用下，刀刃局部发生断裂。