TiN塗層與TiAlN塗層在滾刀上的比較應用

2021-01-15 機工刀具世界

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　　現代工業的發展要求切削刀具在越來越高的速度下運行，高速切削產生的摩擦熱使切削刀具刃部處於高溫狀態，因此對於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現刀具使用的高壽命。除了使用性能更好的整體材料來製作切削刀具外，作為表面熱處理技術的一個重要分支的PVD塗層技術已經是現代刀具不可缺少的應用技術，由於能成倍得提高刀具壽命而被譽為高速鋼刀具的一次革命。其實質是在切削刀具的表面沉積一層具有緻密結構、高硬度、熱穩定性、耐磨性和抗氧化性良好的硬質薄膜。

　　最早應用的刀具PVD塗層材料是TiN，是將靶材（金屬固體材料）轉換成電離狀態，在電場作用下金屬離子在工件表面與活化了的氮形成2～4μm厚的薄膜塗層，具有較高的硬度和耐磨性，抗氧化溫度在550～600℃；而進入本世紀後，使用具有一定原子比的鈦鋁合金靶作為靶材， 通過磁控濺射法製得的TiAlN塗層正逐漸代替TiN塗層成為主流塗層，其最高工作溫度可達1 150℃，更好得滿足這種高速高溫切削的需要。

1.試驗過程

　　2012年我廠與瑞士Sulzer公司合作成立塗層中心，實現「廠中廠」運營模式，實現了刀具表面的多種材料PVD塗層，以替代20世紀引進的TiN塗層技術，進一步達到延長刀具使用壽命的目的。我廠熱處理工藝部門對兩種基體材料、異種切削速度、不同修磨狀態下的TiN塗層和TiAlN塗層滾刀分別進行了對比切削試驗，收集數據以分析試驗結果和應用效果，及影響塗層滾刀使用性能的因素，以期對生產應用提供指導。所有滾齒加工試驗均在同一臺滾齒機上進行並採用切削油冷卻。根據相關資料介紹W6（W6Mo5Cr4V2）基體TiN塗層滾刀切削速度一般在40m/min左右， TiAlN塗層滾刀切削速度可達60～100 m/min；而高性能高速鋼M35（W6Mo5Cr4V2Co5）基體TiAlN塗層滾刀切削速度可進一步提高至80～120 m/min。我廠的滾齒切削試驗以此作為試驗根據。

　　（1）首次試驗測試在60m/min的切削速度下，W6基體TiN、TiAlN塗層滾刀的切削性能。其中的4# TiN塗層滾刀加工到279件時已經呈現出了非正常磨損，提前換刀，見附圖。試驗數據見表1。

　　（2）第二次試驗採用100m/min的線速度驗證W6基體TiAlN塗層滾刀是否具備高速切削性能。為方便比較，同期採用W6基體TiN塗層滾刀，線速度依舊採用40 m/min。試驗數據見表2。

　　（3）在120m/min的高速下進行M35基體TiAlN塗層滾刀切削試驗，為方便比較同期採用M35基體TiN塗層滾刀，考慮到基體材料已經更換為高性能高速鋼，切削線速度在W6基體TiN塗層滾刀的基礎上進行提速，採用60 m/min的切削速度。試驗數據見表3。

　　（4）修磨後復塗TiAlN塗層滾刀（重塗之前需要退除原有塗層）的切削性能試驗測試修磨後復塗滾刀的使用性能與新塗層滾刀是否有差異。試驗數據見表4。

2.結果分析

　　TiAlN塗層相對於TiN塗層而言相當於Al原子部分代替了Ti原子，Al原子的原子半徑小於Ti原子，為了減小體系的能量，在原子力的作用下，原TiN塗層fcc（面心立方）晶胞下各原子的振動平衡位置要向內偏移導致晶格常數的減小，膜層相對而言更加緻密。

　　切削過程中因摩擦會產生大量的熱量，刀具表面發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基本要求。塗層的氧化過程往往是塗層氧化成疏鬆組織而後氧比較容易滲入基體發生反應，或者是氧通過塗層的孔隙或者缺陷到達基體發生氧化反應。TiN塗層刀具在使用過程中發生TiN到TiO2的轉變形成體積膨脹，導致壓應力，在表面的局部區域產生應力集中，造成氧化層開裂，使氧容易滲入造成基體氧化。而據相關研究資料表明TiAlN塗層刀具在使用中當氧化溫度低於600℃時，塗層內多種組成成分都存在，但含量隨著溫度的上升而逐步降低。當氧化溫度達到600℃以後TiN會消失，剩下含量不斷減少的TiO2，這是由於氧原子從薄膜表層向裡層擴散，鈦和鋁由裡向外擴散，且鋁更容易出來和氧反應。隨著氧化溫度逐步升高，鋁和氧在薄膜表面層的含量會逐漸增加，Al2O3成為主要存在形式。作為主要存在相Al2O3相對於TiN氧化後生成的TiO2結構而言更加緻密，更好的阻止了氧向裡層甚至基體的擴散，以阻止膜和基體被進一步氧化，體現了更好的抗氧化性。另外由於TiAlN塗層的熱導率低，切削過程中產生的熱量容易被碎屑帶走，從而有效的防止了因切削溫度太高使得塗層內部產生熱應力而失效。

　　TiN塗層刀具適用在低速和低溫切削條件下，磨損形式主要是粘著磨損和磨粒磨損，表面脆性大，抗拉強度低，塗層當中常常存在有殘餘應力。而TiAlN塗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緻密的Al2O3保護膜具有潤滑作用，減少了切削摩擦及切屑對於刀具的黏著，使得切削力進一步減少。

　　Al是增加表面硬度最有效的元素，和N有很強的親和力，可以改變氮的活性係數，從而改變氮的溶解度，具有較好的結合強度和硬度，因此TiN塗層硬度為1900～2200HV，而TiAlN塗層硬度可高達3000～3500HV。

　　TiAlN塗層的硬度比較大的另外一個原因是Al的加入引起晶格畸變，晶格畸變度大的晶界比較多，位錯比較多且不容易滑移，硬度得到提高，且晶粒更加細小。高硬度增加了其耐磨性，熱硬性好，再加上摩擦因數低等優點，及輔以基體的良好韌性，使得TiAlN塗層刀具適合於在高溫高速條件下切削加工甚至乾式切削加工，與傳統的溼式切削加工相比，即提高了加工效率，又減少了對於環境的汙染，使TiAlN塗層刀具的使用壽命明顯高於TiN塗層刀具。

3.結語

　　（1）在60m/min的切削速度下，W6基體TiN塗層滾刀產生了嚴重的非正常磨損（俗稱「勒刀」），而TiAlN塗層滾刀的磨損量非常小，切削性能優異，塗層無剝落。即W6基體TiN塗層滾刀無法適應60m/min較高速度下的長時間切削。

　　（2）比較在100m/min的線速度下，W6基體TiAlN塗層滾刀和在40m/min的線速度下W6基體TiN塗層滾刀的使用效果知前者每加工一件齒坯滾刀後刀面平均磨損量僅為0.93um，而後者在切削線速度大大慢於前者、加工時間大大少於前者的情況下其平均磨損量也已經達到近3.6um，是前者的3.87倍。

　　（3）比較在120m/min高速下的M35基體TiAlN塗層滾刀和在60 m/min的速度下，M35基體TiN塗層滾刀的使用效果知前者刀齒的平均磨損量僅為0.155μm，而後者在切削線速度大大慢於前者，加工件數大大少於前者的情況下刀齒平均磨損量達0.833μm，是前者的5.37倍。即M35基體TiAlN塗層滾刀可在120m/min的高速下正常切削，而M35基體TiN塗層滾刀無法適應較高速度下的切削。

　　（4）修磨後重新塗層滾刀的切削性能與新刀相差無幾。 即證明在現有滾刀修磨條件下，滾刀重複塗層的再應用是可行的。

　　TiAlN塗層刀具以其優越的切削性能展現出在高速切削中廣闊的應用前景，其普及應用將大大提高刀具壽命，減少加工輔助時間，降低切削加工成本，提升企業經濟效益。值得注意的是對於可重複修磨的刀具，當刀具修磨後塗層的功效已大部分喪失，需要將塗層退除後再重新塗層。由於塗層系統投資很大，塗層價格普遍較貴，因此對於高端刀具修磨及復塗帶來的效益非常明顯；而對於低端刀具，採用復塗技術帶來的收益比較有限，若是在刀具的使用和修磨等環節上管理不善，得到的收益會更加難以保證。

（本文刊登在《金屬加工（冷加工）》2013年第15期，作者單位：東風汽車有限公司刃量具廠 ）

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