真空鍍膜PVD氮化鈦涂層刀具切削性能的試驗研究

隨著制造業的發展，難加工材料日益增多，先進機械加工中心和數控機床相繼出現，人們對刀具的耐用度處理及切削效率提出了更高的要求。在高速鋼刀具的基體上，用物理氣相沉積方法(PVD)，涂覆一層適當厚度的TiN硬質膜，可以大幅度地提高高速鋼刀具的使用性能，對硬質合金刀具也有很好的效果。目前，離子鍍涂層刀具在先進工業國家中已獲得普遍的采用。盡管經過20多年的發展，涂層家族已出現了許多新的成員，但至今工具的主流涂層仍是TiN系涂層，同時TiN系涂層也是制備其它高性能涂層的基礎心。本文探討了TiN涂層刀具的制備工藝和涂層性能，并通過切削試驗對比分析了刀具的使用壽命。

　　1、試驗材料及方法

　　Φ10mm直柄麻花鉆鉆頭的選材為W6M05Cr4V2高速鋼，化學成分(質量分數，％)為0.80～0.90C、5.50～6.75W、4.50～5.50Mo、3.80～4.40Cr、1.75～2.20V、余量Fe。經1260℃淬火、560℃回火3次處理后鉆頭硬度為62HRC。Φ10mm四刃直柄銑刀的選材為YT14硬質合金，化學成分(質量分數，％)為78WC、8TaC、14Co，粉末冶金燒結成型。W6M05Cr4V2高速鋼試樣尺寸為20mm×12mm×2mm，試樣表面經金相砂紙磨制并拋光成鏡面。鉆頭和銑刀在汽油中刷洗初步除油污后經金屬清洗劑和有機溶劑多道次超聲清洗。

真空鍍膜PVD沉積設備配置3個陰極靶，帶有可移動電子分離屏的電子和氬離子刻蝕系統。鍍膜時先抽真空至0.005～0.010Pa本底真空度并對工件進行預熱，隨后進行Ar離子清洗和金屬離子清洗；然后通入0.1～0.5Pa的N2，在50～80A的弧流與150-300V的負偏壓下沉積45min，沉積溫度為450～460℃。工藝參數的設計與調整，應以獲得最佳的涂層結構和性能為依據。通常高負偏壓和低氣體壓力，可產生致密平整的纖維狀組織，涂層強度、硬度高；而低負偏壓和高氣體壓力會導致較粗大的錐狀形態的柱狀晶，組織較為疏松，強韌性低。但負偏壓過高，產生過度的濺射，又會降低沉積速率?；念A熱溫度對涂層內應力有影響，而鍍膜溫度除對基材的強度、硬度有影響外，對膜/基結合力的影響尤甚，較高的鍍膜溫度有利于膜/基結合力的提高。對同爐沉積的TiN涂層試樣進行膜層硬度測試、X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡觀察與分析。試驗設備分別為Leica MeF3型高分辨金相顯微鏡、MICRO—DUROMAT4000型顯微硬度計(施加載荷為0.25N，保荷時間為15s)、Y-4Q型x射線衍射儀和Philips公司XL-30FEG型掃描電子顯微鏡，同時采用WS-92涂層附著力劃痕試驗機測試涂層膜/基結合強度。并對涂層刀具與無涂層刀具進行了現場切削對比試驗。

　　2、試驗結果與分析

　　2.1 試樣的試驗結果

　　圖1為W6M05Cr4V2高速鋼試樣TiN涂層的XRD圖譜。由圖1可知，涂層的組成物相為TiN和少量的Ti，面心立方結構的TiN在(111)面上具有強烈的晶體生長擇優取向，未見四方結構的脆性相Ti2N的衍射峰。Ti的衍射峰是鈦滴所致，Fe為基體相的衍射峰。從晶體學角度分析，TiN相具有與(111)或(222)密排面一致的擇優取向時，微觀上比具有(200)取向的TiN更加致密，這有助于提高涂層結合力和耐氧化性，同時脆性相Ti2N相對減少，給膜-基結合力也會帶來有益的貢獻。

　　圖2為W6M05Cr4V2高速鋼試樣涂層的表面形貌，涂層橫截面厚度為3.2um。由圖2可見，TiN膜層均勻、致密，涂層表面平滑，Ti滴(白色)數量少，并且顆粒大多數較細小。照片中黑色陰影應是沉積時離子轟擊致使液滴脫落而留下的痕跡。液滴數量少及液滴尺寸小，有利于提高TiN涂層的表面硬度及致密性，從而提高涂層的耐磨性及氧化抗力。

　　表1為不同材料顯微硬度的測定結果。由于涂覆的TiN涂層較薄，涂層的硬度受基材硬度的一定影響。由表1可知，鍍膜后顯著提高了刀具的表面硬度，有利于提高刀具表面抵抗磨損的能力。

　　采用WS-92涂層附著力劃痕試驗機對試樣進行膜一基結合力測試，加載速率為100N/min，劃痕速率為4mm/min，停止載荷為100N。每個樣品做3條劃痕試驗，根據劃痕聲測圖上出現連續峰時的實際試驗力，結合金相顯微鏡觀察劃痕邊沿涂層脫落情況，以確定臨界載荷，并以此表征膜一基結合力。綜合分析后得出，TiN涂層的膜-基結合力超過100N。

　　2.2 鉆頭切削試驗

　　試驗機床為Z5140A立式鉆床，切削主軸轉速分別為500r/min、710r/min和1000r/min，進給量為0.112mm/r，鉆孔深度為22mm，切削方式為干切削。被加工材料為40Cr鋼，經調質處理后硬度為36-40HRC。在試驗過程中，當鉆頭發出劇烈尖叫聲或異常震動等不能正常切削的現象時，立即停止試驗。當切削主軸轉速為500r/min時，無涂層鉆頭和有TiN涂層鉆頭都能夠平穩地進行切削，且切削聲音較小，有TiN涂層鉆頭的壽命約是無涂層鉆頭的5倍以上；當主軸轉速為710r/min時，無涂層鉆頭已不能穩定地切削，且切削聲音大；有TiN涂層鉆頭則能平穩地進行切削，且切削聲音相對較小，有TiN涂層鉆頭的壽命大約是無涂層鉆頭的6倍以上。當主軸轉速為1000r/min時，無涂層鉆頭在剛開始鉆孑L時就發出較大的尖叫聲，第一孔還沒鉆完，鉆頭已經發紅，發生了嚴重的燒損；有TiN涂層鉆頭卻能相對平穩地進行切削，但切削聲音也很大，壽命大約是無涂層鉆頭的7倍以上。切削試驗數據和結果如表2所示。由表2的試驗數據可知，隨著切削速度的提高，涂層鉆頭相對無涂層鉆頭的優勢更加明顯。有涂層高速鋼鉆頭可以適用于高速切削加工，壽命大約是無涂層鉆頭的5～7倍。

　　2.3 銑刀切削試驗

　　試驗機床型號為XK5032數控立銑升降臺銑床，GSK CNC Series990M控制系統。切削主軸轉速分別為600r/min、1180r/min、1500r/min和1800r/min，進給量為0.13mm/r，銑削深度為2mm，切削方式為干切削。被加工材料為40Cr鋼，經調質處理后硬度為36～40HRC。試驗在被加工材料實體上銑削凹槽。在4種切削主軸轉速的試驗方案中，當無涂層銑刀發出劇烈尖叫聲時，停止切削，檢驗發現4條側刃后刀面磨損帶VB≥0.5 mm(測量位置距離刃尖1mm)，切削刃口已經磨鈍或崩刃，因此認為無涂層銑刀已經達到刀具壽命的極限。而有TiN涂層銑刀切削聲音相對較小，且側刃后刀面磨損帶仍較小，VB=0.2～0.3mm，還可以繼續正常切削加工。由表3現場試驗結果可以看出，有TiN涂層銑刀的壽命大約是無涂層銑刀的3~11倍。涂層硬質合金銑刀要在適當的切削速度中才能更好發揮刀具的使用壽命，其機理有待進一步探索。

　　2.4 結果分析

　　試驗數據表明，刀具表面鍍覆一層TiN硬質膜后，表面硬度顯著提高，抗磨損能力和切削性能大大改善。由于TiN是間隙相，具有高硬度、高耐磨性、高穩定性等特點，同時TiN涂層能減少工具表面的摩擦系數，降低刀具切削刃部的溫度，提高工具的加工速度和工件表面質量，因而使刀具的使用壽命成倍提高。這對于難加工材料和高速切削的工況條件，效果更加明顯。

根據磨損理論，鋼件在低速切削時，主要是粘著磨損，當切削速度提高時，主要是磨粒磨損和熱磨損及氧化磨損。對于粘著磨損，若以每單位滑動長度相應的磨損體積定義為磨損率W，則W=α?k?P/H，式中α為系數，k為磨屑形成幾率，P為法向載荷，H為材料硬度，因此磨損率與材料的硬度成反比。對于磨粒磨損，磨損率W=K?P?tgθ/H，式中K為系數，θ為磨粒圓錐面與軟材料平面問的夾角，同樣磨損率與材料的硬度成反比。由此可見，高硬度的TiN涂層磨損率低。另外從掃描電鏡照片和劃痕試驗結果可以看出，TiN涂層均勻、致密，與基體結合良好，可以認為TiN膜對切削熱起到了有效的隔離作用；同時，對金屬陽離子的向外擴散和氧離子向內傳輸，起到抑制作用，制約了氧化膜的生長，從而提高了高溫氧化抗力。由于TiN涂層的摩擦系數僅為0.4，耐熱溫度達600℃以上，這對降低熱磨損或氧化磨損也是相當有利的。試驗過程中發現用TiN涂層刀具進行切削作業時，機床的震動和摩擦噪聲較小，切削平穩性提高，切削阻力較小。

　　3、結論

　　(1)高性能的真空PVD鍍膜涂層設備是制備高品質TiN涂層的物質基礎，合理的涂層工藝參數設置是獲得高性能涂層的技術保證。利用多功能電弧等離子體鍍膜機，輔之以合理的鍍膜工藝，可以在刀具上鍍出性能優良的TiN涂層。

　　(2)本試驗制備的TiN涂層具有高硬度、高耐磨性、高膜基結合力等優異的綜合性能；所鍍覆的TiN涂層刀具使用性能好，服役壽命長，有涂層高速鋼鉆頭使用壽命是無涂層鉆頭的5-7倍，有涂層硬質合金銑刀使用壽命是無涂層銑刀的3～11倍。

　　(3)有TiN涂層刀具相對無涂層刀具而言，切削時機床的震動和摩擦噪聲較小，切削平穩性提高，切削阻力較小，切削輕快，機床消耗功率小，切削效率高，經濟性好。