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硬质合金刀具切削金属材料的刀具磨损机理研究硬质合金刀具作为一种重要的切削工具，被广泛应用于金属加工领域。
然而，随着切削时间的延长，刀具表面会逐渐出现磨损，导致刀具性能下降。
因此，研究硬质合金刀具切削金属材料的刀具磨损机理对于提高切削效率和延长刀具使用寿命至关重要。
硬质合金刀具磨损机理的研究主要包括磨削磨损、切削磨损和化学磨损三个方面。
首先，磨削磨损是硬质合金刀具在切削过程中与工件表面接触而引起的磨损形式。
当硬质合金刀具与工件表面接触时，由于刀具与工件表面间的形状不匹配，产生了相对运动。
这种运动会导致刀具表面微小颗粒的脱落，从而使刀具表面出现磨削磨损。
磨削磨损的严重程度取决于切削速度、切削深度和工件材料的硬度等因素。
研究表明，磨削磨损是硬质合金刀具切削金属材料时常见的磨损形式之一。
其次，切削磨损是指硬质合金刀具在切削过程中由于高温和高压力等因素引起的磨损形式。
当硬质合金刀具与工件接触时，由于刀具与工件表面间产生的冲击力和摩擦力，刀具表面会出现塑性变形和微裂纹。
随着切削过程的进行，这种塑性变形和微裂纹会逐渐扩展，从而导致切削磨损的发生。
切削磨损的程度取决于切削工艺参数、切削速度和切削深度等因素。
因此，通过合理选择切削工艺参数和改善刀具的抗裂性能等措施，可以有效延长硬质合金刀具的使用寿命。
最后，化学磨损是指硬质合金刀具在切削过程中，由于与工件表面发生化学反应而引起的磨损形式。
刀具表面存在的化学元素，如铁、铝、钛等，会与工件表面的元素发生反应，形成粘附层。
这种粘附层会在切削过程中不断积累，并与刀具表面形成摩擦。
随着切削过程的进行，粘附层会逐渐加重，并可能导致刀具表面的剥离和断裂，从而产生化学磨损。
综上所述，硬质合金刀具在切削金属材料时会发生磨削磨损、切削磨损和化学磨损等多种磨损形式。
刀具磨损的机理与切削工艺参数、工件材料的硬度以及刀具自身的材料和制造工艺等因素密切相关。
因此，我们在实际应用中，应根据具体情况选择合适的刀具材料和加工工艺，以减少刀具的磨损，提高切削效率和刀具的使用寿命。
超硬材料刀具磨损机理及增强措施研究引言超硬材料作为一种具有高硬度和耐磨性的材料，在工业生产中得到了广泛应用。
然而，随着刀具的使用时间增长，其磨损程度也逐渐加剧，降低了切削效率和寿命。
因此，了解超硬材料刀具磨损机理，并采取相应的增强措施，对于提高刀具的使用寿命和工作效率具有重要意义。
一、超硬材料刀具磨损机理超硬材料刀具的磨损主要包括磨粒磨损、刀尖磨损和焊嵌磨损。
其中，磨粒磨损是指工件表面的硬质磨粒损伤了刀具的切削边缘，影响了刀具的切削能力。
刀尖磨损是指由于切削工件的摩擦和冲击作用，导致刀尖的形态变化和材料的脱落。
焊嵌磨损则是指在切削过程中，工件材料与刀具表面高温接触，产生摩擦和冲击力，使刀具表面局部熔化并粘附了一些工件材料。
二、增强措施研究为了提高超硬材料刀具的使用寿命和切削效率，研究人员进行了大量的研究，探索了不同的增强措施。
以下将介绍其中的三个措施。
1. 表面改性技术通过表面改性技术，可以在刀具表面形成一层硬度更高的涂层，以提高刀具的抗磨性能。
常用的涂层材料包括碳化物、氮化物和非晶态材料等。
这些涂层具有较高的硬度和耐磨性，可以有效减少切削时的摩擦和磨损。
同时，涂层还可以提高刀具的热稳定性和防护性能，延长刀具的使用寿命。
2. 刀具几何参数优化通过优化刀具的几何参数，可以改善刀具在切削过程中的应力分布，减少磨损的发生。
常用的优化参数包括刀具的刃角、刃口弯曲度和厚度等。
例如，增加刀具的刃角可以减少切削力和摩擦力，从而减少刀具的磨损。
此外，合理设计刃口的弯曲度和厚度也可以提高刀具的强度和刚度，增加其抗磨损性能。
3. 切削液的选择与应用切削液是切削过程中重要的辅助手段，可以降低切削时的摩擦和热量，减少刀具的磨损。
在选择切削液时，应考虑材料的切削性能和对环境的影响。
一般来说，带润滑和冷却功能的切削液对刀具磨损有较好的抑制作用。
同时，合适的切削液还能起到冷却刀具、清洁切削区域、减少切屑粘附等作用，提高刀具的工作效率和寿命。
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硬质合金材料及其涂层对不锈钢加工中刀具边界磨损的影响在奥氏体不锈钢的加工中，硬质合金刀具耐用度主要是取决于后刀面边界磨损而不是主切削刃后刀面的平均磨损量。
本文针对奥氏体不锈钢SUS304(JIS标准，含Cr19%，含Ni9%，与GB的0Cr19Ni9相似)的加工进行研究分析。
SUS304的机械加工性能较差，在不锈钢类别中亦属难加工的材料。
包括SUS304在内不锈钢的主要特性如下：在一般的加工硬化基础上伴随着马氏体相变而产生的材质硬化，表面硬度可达到HV400。
因此，在切削加工中，处于切削表面附近的切削刃口极易损伤，造成比后刀面平均磨损大数倍的边界磨损或大面积崩刃；热传导率很低。
与低碳钢相比，100℃时只为其1/2，900℃时仅为其1/3。
因此，在各种切削速度下，其切削温度均较45钢高出100℃以上；由于材料具有相当大的韧性和强度，加工中很容易与刀具发生粘连。
从切削力分布不均匀状况以及切削温度高等特性可以看出，不锈钢的切削加工性很差，而边界部沟槽状磨损将决定刀具耐用度的优劣。
本文对物理涂层(PVD)硬质合金刀具在奥氏体不锈钢的车削及铣削加工中的情况进行了研究。
为探讨刀具的耐用度，基体材料分别为M20、K20和Z20硬质合金，涂层材料分别采用TiN、Ti(C，N)和(Ti，Al)N。
为保证排屑通畅，在车削中采用具有特殊断屑槽的机夹可转位刀片；在铣削中，为降低切削力采用大前角铣刀。
2.试验步骤2.1 车削试验被加工材料为含Cr19%、Ni9%的奥氏体不锈钢SUS304。
车削试验采用PTGNLN3225P16刀杆和无后角的TNMG160408-SF机夹可转位刀片(见图1)。
切削参数为切削速度v＝100m/min，进给量f＝0.25mm/rev，切削深度d=2mm，湿式切削。
2.2 铣削试验铣削试验采用大前角圆盘铣刀“超轻快”DSG45-4100R(φ100mm，5齿)，其轴向前角为+30°，径向前角-2°，主偏角+45°，铣刀片SGHN1203AZN-21的后角+30°(见图2)，切削参数为切削速度v＝138m/min，进给量f＝0．2mm/齿，切削深度d＝2mm，切削宽度w＝77．5mm，干式切削。
硬质合金刀具Al2O3涂层摩擦磨损性能研究陈崇亮刘利国安孝玲（江南大学机械工程学院江苏无锡214122）摘要：对硬质合金刀具进行等离子体化学气相沉积氧化铝涂层处理，并将其与未涂层刀具试样在干摩擦条件下进行滑动摩擦试验，比较其摩擦磨损性能并分析磨损机制。
结果表明，等离子体化学气相沉积氧化铝涂层能使刀具获得高硬涂层，平均硬度比未涂层刀具提高30.1%，能有效降低刀具表面摩擦系数，明显提高硬质合金刀具的耐磨性能。
关键词：硬质合金；等离子体化学气相沉积；Al2O3；摩擦磨损中图分类号：TH117.1文献标识码：AResearch on Friction Wear Behavior of Al2O3 CoatedCarbide ToolChen Chongliang Liu Liguo An Xiaoling(School of Mechanical Engineering, Jiangnan University,Wuxi Jiangsu 214122)Abstract: The carbide tool was coated Al2O3films by Plasma Chemical Vapour Deposition. The sliding friction and wear behaviors of carbide tool and Al2O3 coated carbide tool were evaluated in dry sliding condition, then the friction and wear mechanism was analyzed. The results show that there are higher surface hardness, the average hardness of the tools with Al2O3films increase 30.1% than untreated carbide tool, lower friction coefficient for Al2O3 coated carbide tool. The deposition of Al2O3 coatings onto carbide tool can offer better wear resistance.Keywords: carbide; Plasma Chemical Vapour Deposition; Al2O3; Friction and wear1前言Al2O3涂层具有很多优异的力学、物理性能，如硬度高，耐磨、高温稳定性和化学稳定性好，高介电常数，低电导率，热导率适当，抗辐照损伤能力强，抗碱离子渗透能力强以及在很宽的波长范围内透明，所以Al2O3涂层作为耐磨涂层，应用于硬质合金切削刀片、在高温下工作的机械部件以及抗腐蚀等众多领域；在微电子器件、电致发光器件、光波导器件也有着广泛的应用[1]。
硬质合金刀具材料的研究现状与发展思路【深度解读】内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作用。
国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔10年几乎提高一倍”。
刀具材料已从20世纪初的高速钢、硬质合金发展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐热温度已由500——600℃提高到1200℃以上，允许切削速度已超过1000m/min，使切削加工生产率在不到100 年时间内提高了100多倍。
因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发展史。
常规刀具材料的基本性能1) 高速钢1898 年由美国机械工程师泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)发明的高速钢至今仍是一种常用刀具材料。
高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其含碳量为0.7%——1.05%。
高速钢具有较高耐热性，其切削温度可达600℃，与碳素工具钢及合金工具钢相比，其切削速度可成倍提高。
高速钢具有良好的韧性和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。
但是，高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求；此外，高速钢材料中的一些主要元素(如钨)的储藏资源在世界范围内日渐枯竭，据估计其储量只够再开采使用40——60年，因此高速钢材料面临严峻的发展危机。
2) 陶瓷与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。
因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10——20倍，其红硬性比硬质合金高2——6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。
制這.材料表面残余应力对涂层硬质合金刀具磨损影响的研究现状!□朱新宇口冒航宇□张嘉x江苏大学机械工程学院江苏镇江212013摘要：涂层硬质合金刀具具有良好的抗机械和抗热载荷冲击性能，以及较低的摩擦因数，在常温及高温下耐磨损性能优异，广泛应用于难加工材料的精密、半精密加工。
对涂层硬质合金刀具进行表面处理后，刀具表面残余应力会发生演变，并会对刀具磨损产生影响。
介绍了针对以上问题的国内外研究现状，并对高性能涂层硬质合金刀具的未来发展进行了展望#关键词：涂层硬质合金刀具表面残余应力磨损影响中图分类号：TH117.1文献标志码：A文章编号：1000-4998(2020)05-0047-04Abstracr:The coated carbine tool has good capability to resist mechanical impact and thermdl load inipact,and has low faction factor.With excellent wear resistance at room temperature and high temperature$the coated carbide tool is w X—y used in pocision and semi—pocision machining of the dmicult—to—machine mateeals.After sumace treatment of the coated carbide tool,the residual stress on the tool sumace will evolveand feet the tool wear.The research status at home and abroad for the above issues were introduced,and the futuro development of the high—pemomance coated carbine tool was prospected.Keywordt:Coatd Cardine Tool Surfacc Residual Strest Wear Influencc1研究背景涂层刀具作为一种新兴刀具近年来发展迅速，尤其在工业发达国家，涂层刀具的应用占比达到80%以上。
收稿日期:2005年3月涂层硬质合金刀具磨损机理的研究贾庆莲 乔彦峰中国科学院长春光学精密机械与物理研究所摘 要:通过高速切削试验,观察了涂层刀片的磨损过程,描述了其磨损形态,分析了涂层刀片磨损率不同的原因,提出了涂层硬质合金刀具的磨损机理模型以及涂层硬质合金刀具的磨损类型。
关键词:T i N 涂层, 硬质合金刀具, 磨损机理, 高速切削S tudy on Wearing Mechanism of C oated C emented C arbide ToolJia Qinglian Qiao YanfengAbstract:Based on experiments of hi gh speed cutting,the wear process and wear appearance of the coated cemented carbide tools are studied.T he causes of different quanti ties of wear in the experiments are analyzed.T he model of wear mechanism of the coated cemented carbide tools and the wear styles of the coated cemented carbide tools such as di ffuse wear,plastic distortion wear and fatigue flake are presented.Keywords:TiN coating, cemented carbide tools, wearing mechanism, high -speed cutting1 引言用化学气相沉积法(CVD 法)在WC 基硬质合金表面涂覆一薄层高硬度的难熔金属化合物(如TiC 、TiN),所制备的涂层硬质合金具有高耐磨性的表层和足够韧性的基体。
高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理研究随着科技的不断发展，钛合金作为一种优良的结构材料，已被广泛应用于航空航天等重要领域。
然而，由于其高硬度、高强度等特性，对于钛合金的高速车削加工要求刀具具有更高的耐磨性和切削寿命。
因此，针对钛合金的高速车削加工，研究硬质合金刀具的磨损机理，具有重要的现实意义和科学价值。
针对高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理研究，本文进行了详细的探讨和分析。
首先，介绍了钛合金的特性及其在航空航天领域的应用。
随后，引入了硬质合金刀具的相关知识，包括其材料组成、制备工艺和性能特点等。
然后，结合高速车削的原理，对硬质合金刀具在高速车削钛合金时的磨损机理进行了深入的分析。
主要涉及以下几方面：1.机械磨损：由于钛合金的高硬度和强韧性，使得硬质合金刀具在切削时会遭受较大的冲击和摩擦力，导致刃口和刀柄表面出现划痕、磨损和细微裂纹等，降低了刀具的整体性能。
2.热磨损：高速车削钛合金时，由于刀具接触表面温度过高，导致刀具的表面产生热态变化，发生氧化脱碳、软化变色等现象，并在刀具切削区附近形成高温流动区，使得切削液不能有效冷却，导致刀具热变形和损伤，严重影响了刀具寿命和效率。
3.化学磨损：钛合金具有一定的化学反应性，容易与气氛中的氧化物和水分发生反应，导致表面出现粘附、脱落、转化等化学磨损现象，严重降低了刀具的稳定性和耐磨性能。
最后，本文提出了几点切实可行的改进措施，以增强硬质合金刀具在高速车削钛合金时的耐磨性和切削寿命。
如大幅降低刀具表面温度、采用气体润滑冷却技术、优化刀具几何形状和涂层材料等，这些改进措施对提高刀具的生产效率、降低成本和实现可持续发展具有积极意义和深远意义。
综上所述，高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理研究是一个复杂而又实用的问题，需要深入研究和不断探索，以满足工业生产的不断需求和社会发展的要求。
本文在研究高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理的基础上，还对现有的一些研究成果进行了总结和分析，旨在为相关领域的研究者提供参考和借鉴。
涂层铣刀铣削ADI材料刀具磨损的研究□李强伟【摘要】球墨铸铁经过等温淬火热处理后，力学性能大大提高，但是其切削加工性能随之变差。
TiSiN涂层铣刀，铣削ADI材料时的切削加工性能、刀具磨损和磨损机理对于扩大在实际生产中的应用具有重要意义。
【关键词】ADI；TiSiN涂层铣刀；刀具磨损【作者单位】李强伟，苏州大学工程训练中心一、刀具磨损试验（一）刀具磨损试验方案。
试验采用采用TiSiN涂层铣刀分别加工淬火温度为250ħ、300ħ、350ħ，淬火时间为60min 的ADI材料，标号分别为ADI－1、ADI－2、ADI－3。
试验过程中，为比较刀具材料干切削三组ADI材料的磨损情况，选定切削用量为a p=8mm，a e=0．15mm，v c=63m/min，f z=0．045mm/z。
采用86量制鲁字01000109号JC10读书显微镜随切削时间的变化观察刀片后刀面磨损量VB，并记录数据。
（二）刀具后刀面磨损试验结果分析。
从图1可以看出，热处理工艺参数中等温淬火温度对切削刀具切削三种ADI 材料随切削时间的变化的磨损曲线图，各曲线陡峭程度不同。
刀具在初级磨损阶段，是由于刃磨后的新刀具，其后刀面与加工表面间的实际接触面积很小，压强很大，而且新刃磨后的刀面上存在微观粗糙度不平，使得刀具磨损较快，但刀具磨损量较小。
图1可以看出TiSiN刀具切削三组ADI材料刀具初级磨损量时间随时间的变化分别为：ADI－1，6027s =0．047mm；ADI－2，12594s=0．049mm；ADI－3，9843s=0．045mm。
从图1可以看出TiSiN刀具切削三组ADI材料在刀具初级磨损阶段斜率大致相同。
刀具经过初期磨损后，后刀面上被磨出一条狭窄的棱面，压强减小，刀具的磨损量缓慢增加，进入正常磨损阶段，在整个刀具切削加工阶段这一阶段时间最长。
TiSiN刀具铣削ADI材料，随着时间的增加，刀具磨损量增加越快，而且三种材料的磨损量由大到小为：ADI －1－ADI－3－ADI－2。
硬质合金刀具类金刚石涂层的摩擦磨损性能安孝玲，刘利国*（江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122）摘 要：以等离子体化学气相沉积技术在硬质合金刀具表面制备了类金刚石(DLC)涂层。
研究了DLC涂层刀具和无涂层刀具的硬度，不同载荷、不同转速下两种刀具的摩擦磨损性能，以及在水润滑和油润滑条件下DLC涂层刀具的滑动摩擦行为。
结果表明，DLC涂层刀具的平均硬度为2 099.9 HV，比无涂层刀具提高了48.3%；DLC涂层刀具的摩擦因数明显低于无涂层刀具，其磨损率随着载荷的增加而增大，随转速的增大而减小；油润滑比水润滑能更有效减缓摩擦作用。
关键词：硬质合金刀具；类金刚石膜；等离子体化学气相沉积；摩擦学中图分类号：TB43; TH117.1文献标志码：A文章编号：1004 – 227X (2009) 06 – 0068 – 04Friction wear behavior of diamond-like carbon films on carbide cutting tool // AN Xiao-ling, LIU Li-guo* Abstract: Diamond-like carbon (DLC) films were prepared on the surface of carbide tool by plasma chemical vapor deposition. The hardness and friction wear properties under different loads and at different rotation speeds for the tools with and without DLC films, as well as the sliding friction behavior of the tools with DLC films under water and oil lubricating conditions were studied. The results showed that the average hardness of the tools with DLC films is 2 099.9 HV, an increase of 48.3% as compared with the untreated carbide tool. The friction factors of the tools with DLC films are remarkably lower than that of the tools without DLC films. The wear rate is increased with increasing load, but decreased with increasing speed. The friction effect under oil lubrication is decreased more efficiently than that under water lubrication.Keywords: carbide cutting tool; diamond-like carbon film; plasma chemical vapor deposition; tribologyFirst-author’s address:School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China1 前言类金刚石膜(diamond-like carbon films，简称收稿日期：2009–03–05 修回日期：2009–04–01作者简介：安孝玲（1983–），女，湖北襄樊人，在读硕士研究生，主要研究方向为表面工程。
整体硬质合金刀具磨削裂纹的原因分析及其工艺改进1 引言整体硬质合金刀具在航空航天业、模具制造业、汽车制造业、机床制造业等领域得到越来越广泛的应用，尤其是在高速切削领域占有越来越重要的地位。
在高速切削领域，由于对刀具安全性、可靠性、耐用度的高标准要求，整体硬质合金刀具内在和表面的质量要求也更加严格。
而随着硬质合金棒材尤其是超细硬质合金材质内在质量的不断提高，整体硬质合金刀具表面的质量情况越来越受到重视。
众所周知，硬质合金刀具的使用寿命除了与其耐磨性有关外，也常常表现在崩刃、断刃、断裂等非正常失效方面，磨削后刀具的磨削裂纹等表面缺陷则是造成这种非正常失效的重要原因之一。
这些表面缺陷包括经磨削加工后暴露于表面的硬质合金棒料内部粉末冶金制造缺陷(如分层、裂纹、未压好、孔洞等)以及磨削过程中由于不合理磨削在磨削表面造成的磨削裂纹缺陷，而磨削裂纹则更为常见。
这些磨削裂纹，采用肉眼、放大镜、浸油吹砂、体视显微镜和工具显微镜等常规检测手段往往容易造成漏检，漏检的刀具在使用时尤其是在高速切削场合可能会造成严重的后果，因此整体硬质合金刀具产品磨削裂纹缺陷的危害很大。
因此对整体硬质合金刀具磨削裂纹的产生原因进行分析和探讨，并提出有效防止磨削裂纹的工艺改进措施具有很重要的现实意义。
2 整体硬质合金刀具磨削裂纹的原因分析1.整体硬质合金刀具的磨削加工特点硬质合金材料由于硬度高，脆性大，导热系数小，给刀具的刃磨带来了很大困难，尤其是磨削余量很大的整体硬质合金刀具。
硬度高就要求有较大的磨削压力，导热系数低又不允许产生过大的磨削热量，脆性大导致产生磨削裂纹的倾向大。
因此，对硬质合金刀具刃磨，既要求砂轮有较好的自砺性，又要有合理的刃磨工艺，还要有良好的冷却，使之有较好的散热条件，减少磨削裂纹的产生。
一般在刃磨硬质合金刀具时，温度高于600℃，刀具表面层就会产生氧化变色，造成程度不同的磨削烧伤，严重时就容易使硬质合金刀具产生裂纹。
TiA1N镀层硬质合金结构及性能研究摘要：本文研究了TiAlN镀层硬质合金的结构和性能。
通过采用物理气相沉积技术，在WC-Co硬质合金表面沉积了TiAlN涂层。
通过X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对涂层样品进行表征，发现涂层具有沉积致密、均匀和无裂纹等特点。
研究了涂层的硬度、附着力和磨损性能，并与未镀层的样品进行对比。
结果表明，TiAlN镀层硬质合金具有较高的硬度和附着力，同时具有良好的磨损性能，可以显著提高硬质合金刀具的使用寿命。
关键词：TiAlN涂层，硬质合金，物理气相沉积，硬度，附着力，磨损性能正文：引言硬质合金是一种重要的刀具材料，通常用于加工高硬度材料、粉末冶金工件等。
但是，硬质合金具有较低的耐磨性和切削性能，限制了其在实际生产中的应用。
因此，研究如何提高硬质合金的性能成为了一个重要的研究领域。
涂层技术是一种有效的方法，可以通过在硬质合金表面沉积不同的材料，改善其表面性能。
实验设计为了研究TiAlN涂层对硬质合金性能的影响，我们采用物理气相沉积技术，在WC-Co硬质合金表面沉积了不同厚度的TiAlN涂层（厚度范围为1~5μm）。
沉积过程采用Ar/N2气体混合物，沉积压力为2.5×10^-3Pa，沉积速率为0.5μm/min。
结果与讨论通过XRD测试，我们发现TiAlN涂层主要由TiN和AlN两种物质组成，且涂层具有良好的结晶性和Oriented growth性质。
如图1所示，TiAlN涂层沉积后，具有沉积致密、均匀和无裂纹的表面结构。
同时，我们研究了涂层硬度和附着力的性能。
结果表明，涂层硬度随着厚度的增加而增加，当厚度为5μm时，涂层硬度达到32.8GPa。
涂层的附着力也随着涂层厚度的增加而增加，当涂层厚度为5μm时，涂层的附着力可以达到150N。
最后，我们研究了涂层的磨损性能，并与未涂层的样品进行比较。
结果表明，涂层样品具有更长的使用寿命和更好的磨损性能，如图2所示。
收稿日期:2005年3月涂层硬质合金刀具磨损机理的研究贾庆莲 乔彦峰中国科学院长春光学精密机械与物理研究所摘 要:通过高速切削试验,观察了涂层刀片的磨损过程,描述了其磨损形态,分析了涂层刀片磨损率不同的原因,提出了涂层硬质合金刀具的磨损机理模型以及涂层硬质合金刀具的磨损类型。
关键词:T i N 涂层, 硬质合金刀具, 磨损机理, 高速切削S tudy on Wearing Mechanism of C oated C emented C arbide ToolJia Qinglian Qiao YanfengAbstract:Based on experiments of hi gh speed cutting,the wear process and wear appearance of the coated cemented carbide tools are studied.T he causes of different quanti ties of wear in the experiments are analyzed.T he model of wear mechanism of the coated cemented carbide tools and the wear styles of the coated cemented carbide tools such as di ffuse wear,plastic distortion wear and fatigue flake are presented.Keywords:TiN coating, cemented carbide tools, wearing mechanism, high -speed cutting1 引言用化学气相沉积法(CVD 法)在WC 基硬质合金表面涂覆一薄层高硬度的难熔金属化合物(如TiC 、TiN),所制备的涂层硬质合金具有高耐磨性的表层和足够韧性的基体。
在高速切削条件下,涂层硬质合金刀具的切削性能较佳,其原因之一是由于刀具表面的涂层材料向基体材料一方的/渗透0作用,使刀具上涂层材料已磨穿区的抗扩散磨损能力提高;原因之二是由于刀具刃口涂层材料被磨损的滞后性,即在继续切削过程中,刃口涂层材料起到了有效的机械支承作用,提高了涂层刀片的耐磨性。
一般情况下,涂层硬质合金的低速切削性能较差,这是因为在低速切削条件下,涂层的磨损会以磨损率很高的脆性疲劳剥落磨损为主。
2 高速切削试验试验中以TiC 涂层硬质合金刀片在无级变速车床上加工材料为38Cr Ni3Mo VA 的工件,切削用量为:f =012m m/r,a p =2mm,v =70~300m/min 。
由试验可知,在较高切削速度范围内,涂层刀片的磨损过程大致可划分为三个阶段(见图1)。
(1)初磨阶段自切削开始至刀具表面涂层材料被磨穿前的这个阶段称为初磨阶段。
由于涂层刀片表面存在残余拉应力,其表面不平度约为2~4L m,在刀具)切屑(或工件)间的强烈摩擦下,表面涂层材料沿切屑流动(或主运动)方向发生塑性滑移。
其后果必导致前、后刀面的涂层材料发生塑性断裂,即塑性疲劳剥落磨损,前、后刀面的涂层在图1a 所示R 、F 处被磨穿。
图1 磨损特征(2)正常磨损阶段大量观察表明,在正常磨损阶段,前、后刀面涂层磨穿区均离刃口一定距离(见图1b)。
也就是说,刀片刃口的涂层完整性尚好。
为便于分析,将前、后刀面磨损面划分为六个区(见表1)。
表1 磨损区域划分区域特征Ñ前刀面近主刃处未磨穿区Ò前刀面已磨穿区Ó前刀面远离主刃处未磨穿区Ô后刀面近主刃处未磨穿区Õ后刀面已磨穿区Ö后刀面远离主刃处未磨穿区据观察,已被磨穿的Ò、Õ区磨损面呈均匀的晶粒状,未磨穿的前刀面Ñ、Ó区,后刀面Ô、Ö区均呈/脊沟0状浅擦痕,深度为1~3L m,其方向平行于切屑流动方向(或主运动方向)。
据分析,可以认为磨损面上的脊沟是涂层材料沿切屑流动方向的塑性滑移所形成。
(3)终磨阶段经过一定时间后,刀具刃口上的涂层材料终因塑性疲劳而被剥落。
大量观察表明,一旦刃口处涂层材料的完整性被破坏(见图1c),涂层刀片便迅速丧失切削能力。
在切削试验中,随着时间的推移,刀片处于不同的磨损阶段,其磨损形态、磨损机理及磨损速率均随之变化。
图2所示即为一种刀片磨损模型。
图2 磨损模型3 试验结果分析311 扩散磨损(1)未磨穿区的扩散磨损率很低涂层刀片切削后,用电子探针对任意八个刀片未磨穿区表面进行微区分析,得到W 、Ti 、Co 等元素的浓度沿刀)屑界面上的线分布情况(见表2和图3)。
图3a 为尚未切削的新涂层刀片W 、Ti 、C o 等元素的浓度变化情况。
刀片表面富钛区显然是TiC 涂层材料;基体(YW3)内部的W 、Ti 、Co 元素浓度分布均匀;在涂层材料和基体材料的结合面附近存在着1~2L m 厚的相互扩散层,这个扩散层在涂层工艺过程中已经形成。
图3b 是已经切削过的刀片W 、Ti 、Co 等元素的浓度变化情况。
界面处的富钛区是TiC 涂层材料,表明该刀片尚未被磨穿。
与图3a 所示新涂层刀片相比,富钛区内W 、Co 元素浓度增大,由此可以判断,基体材料中的W 、Co 元素正穿过涂层向工件(切屑)扩散。
电子探针对任意八个刀片未磨穿区表面进行微区分析的结果证明了W 、Ta 、Nb 、C o 元素向外扩散的普遍性。
由图3b 还可发现,刀)屑界面附近(约2L m 左右)的Ti 元素浓度略有下降,这是因为涂层材料TiC 也正向工件一方扩散和溶解。
表2 涂层未磨穿区微区元素分析切削条件v ,f ,a p ,t 刀片涂层对应区域(见表1)Ti W Co Nb Ta 200,0.2,2,20TiN Ñ99.4150.3310.0130.2320.009200,0.2,2,6TiC Ñ98.071 1.3680.3610.1620.032200,0.2,2,6TiC Ó98.3980.9980.4030.1350.066200,0.2,2,20TiN Ó95.921 3.1200.9200.0300.009200,0.2,2,20TiC Ô96.132 2.368 1.1320.1530.215200,0.2,2,6TiN Ô95.689 2.357 1.8560.0630.035200,0.2,2,20TiC Ö98.8630.8750.1780.0120.070200,0.2,2,20TiNÖ97.9331.7670.1340.0850.081由上述试验分析可知,涂层刀片表面涂层未磨穿区确实存在扩散磨损,但该区的扩散磨损率是微不足道的。
其原因有以下三点:¹与WC 相比,TiC 、TiN 的形成自由能$G 较低。
因而涂层表面的化合物(TiC 或TiN)状态稳定,不易分解,因而限制了Ti 元素的扩散;º在1250e 高温时,TiC 化合物在Fe 中的溶解度只是WC 的1/14,因而,与WC 相比,TiC 整体溶入工件材料中去的速率是极低的;»处于高温作用下的基体材料(WC 、Co 等)虽有向涂层外扩散的趋势,但由于表面层的扩散屏障作用,阻碍了WC 、C o 的扩散。
(2)磨穿区以扩散磨损为主当磨损面上的涂层被磨穿后,基体材料暴露在界面上。
这时的扩散磨损作用机理已与一般硬质合金的扩散磨损作用机理并无大的区别。
在刀)屑界面附近约3~5L m 范围内,刀具材料中的Ti 含量高于原基体中的Ti 含量。
为了进行比较,在相同的切削条件下,分别对涂层磨穿区及非涂层基体刀片(YW3)相对应的磨损部位进行微区分析,结果表明,TiC 涂层刀片的Ti/W 比值普遍高于YW3刀片(见表3)。
这种磨损区表面Ti 含量略高的现象称为涂层材料向基体材料在化学成分上的/渗透0作用。
据研究,WC 在立方碳化物TiC 中的溶解度高达70%,形成复杂固溶体(Ti 、W)C 。
随着含Ti 量的增大,(Ti 、W)C 固溶体随之增多。
由于其固溶强化作用,(Ti 、W)C 的高温强度、高温硬度均比WC 有所提高;(Ti 、W)C 在工件材料中的溶解度是WC 的1/14。
由此可知,涂层的/渗透0作用调整了磨穿区基体材料的化学成分比例,提高了磨穿区基体材料的抗扩散磨损能力。
这就是为什么在涂层材料被早期磨穿后,涂层刀片仍具有较高耐磨性的原因之一。
(a)新涂层刀片(TiC)(b)切削后涂层未磨穿区图3 W 、Ti 、C 元素在刀)屑界面上的线分布表3 涂层已磨穿区与YW3刀片的Ti/W 比值切削条件(v ,f ,a p ,t )Ti C 涂层YW3测试位置200,0.2,2,20.2730.101Õ200,0.2,2,4.50.1480.125Õ200,0.2,2,20.2130.077Ò200,0.2,2,20.2360.095Ò312 塑性变形磨损涂层刀片刃口附近的工作条件与非涂层刀片无本质差别:该处的切削温度不是最高,与工件间的相对速度较低。
同时由于切削刃刃口钝圆半径远比涂层厚度大,故后刀面上涂层首先被磨穿部分应在离开刃口向下约011mm 的F 处(见图1)。
由于涂层刀片的切削刃在涂镀前经过钝化,处于三向压应力状态,从而大大提高了刀具材料的塑性,因此此时该处的工作条件(受力状态、温度及相对速度)和材料状态均有利于其抗磨损能力的提高。
试验中观察到,涂层刀片的刃口完整性与刀具失效密切相关,即一旦涂层刀片的刃口完整性被破坏,刀片就进入终磨阶段(见图1c)。
分析认为,完整的刃口为前、后刀面涂层已磨穿区的继续磨损起到了有效的/支承0保护作用,从而延缓了前、后刀面涂层已磨穿区的扩展。
这种/支承0作用和前述的/渗透0作用是涂层材料被磨穿后涂层刀片仍具有较高耐磨性的两个主要原因。
由于涂层材料的热膨胀系数高于基体材料,在高温作用下,沿涂层厚度方向上的热膨胀量大于基体材料;又由于涂层材料的高温硬度高于基体材料,故在切削过程中,前刀面上的Ñ、Ó区,后刀面上的Ô、Ö区分别起到了机械支承作用,保护了已磨穿的Ò、Õ区;而未磨穿的Ñ、Ó、Ô、Ö区则承受着塑性变形磨损。
在切削过程中,因热胀量较小而稍呈洼状的Ò、Ö磨穿区完全被切屑底部的熔融状工件材料所填平。
用电子探针沿切屑流动方向扫描发现,Ò区Fe 元素扫描线出现峰值,Ñ、Ó区则以Ti 元素为主。
