Al2O3-TiCN涂層硬質(zhì)合金刀具車削N型HT250磨損機(jī)理研究*

林勇傳，董曉梅，朱能熠，王 凱

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西柳鋼物流有限責(zé)任公司，柳州 545002；3.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)車輛與電氣工程系，石家莊 050003)

0 引言

灰鑄鐵是一種石墨形態(tài)為片狀石墨的鑄鐵，具有優(yōu)良的鑄造成形性、耐磨性、消振性和熱傳導(dǎo)性，生產(chǎn)成本低，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[1-2]。灰鑄鐵廣泛應(yīng)用于機(jī)座、齒輪、氣缸等的生產(chǎn)，通常應(yīng)用環(huán)境較惡劣，因此要求其具有足夠的強(qiáng)度[3]。目前國內(nèi)外主要是通過在灰鑄鐵中添加適量的Cu、Cr、Mo、Ni、Sn等合金元素來獲得優(yōu)質(zhì)的高強(qiáng)度灰鑄鐵[4-9]，但是通過添加高合金元素生產(chǎn)的灰鑄鐵存在鑄造工藝性差以及成本較高的問題[10-11]，故急需尋求某種相對(duì)廉價(jià)的合金元素來提高灰鑄鐵強(qiáng)度。N的來源豐富，價(jià)格低廉，通過添加N的方法來制取高牌號(hào)灰鑄鐵可以降低成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

在氮元素強(qiáng)化灰鑄鐵研究方面，RUFF等[12]研究表明N元素能明顯提高灰鑄鐵強(qiáng)度；岡田千里[13]研究成果表明在采用某種未公布工藝添加Fe-Mn-N合金的條件下，N元素含量每增加0.001%，灰鑄鐵的強(qiáng)度可提高5～7 MPa，同時(shí)硬度可增加3～4 HB；MOUNTFORD[14]指出，N含量每增加0.01%，灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度增加25%；周小平等[15]使用尿素作為增氮?jiǎng)?duì)灰鑄鐵進(jìn)行N添加，其試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到400 MPa，硬度達(dá)到HB260；王謙謙等[16]則在N含量為0.012%時(shí)，獲得抗拉強(qiáng)度為395 MPa、硬度為HBW260的灰鑄鐵試樣；WILBERFORS等[17]在添加N的條件下獲得了抗拉強(qiáng)度為347 MPa的灰鑄鐵試樣；昆明某公司進(jìn)行灰鑄鐵加N試驗(yàn)亦獲得了抗拉強(qiáng)度為325 MPa的試樣[18]。

目前關(guān)于灰鑄鐵切削加工性研究主要集中在低牌號(hào)普通合金灰鑄鐵方面，尚未有學(xué)者針對(duì)N強(qiáng)化后的N型高牌號(hào)灰鑄鐵的切削加工性進(jìn)行研究。因此，有必要對(duì)切削加工N型HT250的磨損機(jī)理進(jìn)行研究。本文選用Al2O3-TiCN涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)普通/N型HT250進(jìn)行了系統(tǒng)的車削試驗(yàn)，通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡(FESEM)和能譜分析儀(EDS)，觀察刀具磨損形貌，分析前、后刀面磨損量，研究刀具的磨損機(jī)理，為N型HT250的切削加工提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 工件和刀具

兩種材料的化學(xué)成分如表1所示，車削試驗(yàn)工件(φ100 mm×h250 mm)，試驗(yàn)中的刀具選用京瓷Al2O3-TiCN涂層硬質(zhì)合金刀具TNMG160408KG，刀具幾何角度如表2所示。

表1 兩種灰鑄鐵HT250試樣的化學(xué)成分 (wt%)

表2 刀具幾何角度

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和方案

切削試驗(yàn)平臺(tái)為某機(jī)床廠CY-K360n/1000數(shù)控機(jī)床，選用三因素三水平的正交表(如表3所示)進(jìn)行普通/N型HT250的車削試驗(yàn)，每一輪試驗(yàn)的車削時(shí)間為60 s。使用光學(xué)顯微鏡Axio Scope.A1對(duì)前刀面磨損形貌進(jìn)行觀察拍照，對(duì)后刀面磨損帶寬進(jìn)行測(cè)量，以最大磨損寬度作為刀具的磨損量；使用Hitachi S-3400N掃描電鏡對(duì)前刀面磨損部分進(jìn)行高倍觀察，并進(jìn)行元素能譜分析，進(jìn)而分析磨損機(jī)理。

表3 正交試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 前刀面磨損形貌

刀具前刀面磨損反映的是刀具前刀面與切屑之間的摩擦情況。硬質(zhì)合金刀具在不同車削條件下切削普通/N型HT250的前刀面磨損形貌如表4所示。雖然灰鑄鐵是脆性材料，但是在切削加工過程中，加工表面會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，工件受高溫軟化使得其在切削加工中具有一定的塑性。在高切削速度和背吃刀量的情況下，刀具前刀面受到切屑流出產(chǎn)生的壓力作用，造成一定程度的月牙洼磨損。切削速度較低時(shí)，一般不發(fā)生月牙洼磨損。

表4 前刀面磨損形貌

從表4中可以看出，整體上切削HT250的前刀面磨損均高于普通HT250。對(duì)比表4中的3、6、9號(hào)試驗(yàn)可知，隨著切削速度的增加，刀具前刀面磨損區(qū)域減少，前刀面磨損主要發(fā)生在接近刀尖的較小區(qū)域內(nèi)。這是因?yàn)榍邢魉俣鹊脑黾訉?dǎo)致刀具與切屑接觸長度變短，切屑流出的壓力易在刀尖處產(chǎn)生集中效應(yīng)。對(duì)比表4中的9、7、8(或5、6、4)號(hào)試驗(yàn)可知，隨著背吃刀量的增加，刀具前刀面磨損面積增大，且磨損程度也更為嚴(yán)重。這是因?yàn)楸吵缘读繘Q定前刀面與工件直接接觸的面積，隨著背吃刀量的增加，刀具前刀面與工件接觸面積增大，刀具所承受的切削力也相應(yīng)增大，進(jìn)而導(dǎo)致前刀面磨損嚴(yán)重。對(duì)比表4中的7、8、9(或4、5、6)號(hào)試驗(yàn)可知，隨著進(jìn)給量的增加，刀面前刀面磨損未發(fā)生明顯的變化。

2.2 后刀面磨損量

刀具后刀面磨損主要是由刀尖及切削刃與工件摩擦造成的，會(huì)影響工件的表面質(zhì)量、尺寸精度。硬質(zhì)合金刀具在不同車削條件下切削普通/N型HT250的后刀面磨損量如圖1所示。

圖1 切削普通/N型HT250后刀面磨損量

從圖1中可以看出，切削N型HT250的后刀面磨損量均大于普通HT250。這是因?yàn)樵诠簿踢^程中，由于N原子與C原子具有相似的原子半徑和理化性質(zhì)，N原子以置換的形式固溶于石墨的六邊形層狀結(jié)構(gòu)中，再加上N原子原子半徑略小于C原子，置換后導(dǎo)致基體組織發(fā)生晶格畸變。硬度主要取決于基體的硬度，隨著N元素的添加，導(dǎo)致其顯微硬度增加，使得N型HT250的硬度大于普通HT250。在車削過程中，硬度的提升會(huì)導(dǎo)致切削抗力增大，同時(shí)含N夾雜物(如TiN)增多，硬質(zhì)點(diǎn)隨之增多，進(jìn)而導(dǎo)致刀具后刀面磨損加劇。由圖1中的1、2、3號(hào)試驗(yàn)可知，低速車削時(shí)(Vc=100 m/min)，切削N型HT250的后刀面磨損量遠(yuǎn)大于普通HT250。雖然此時(shí)獲得了最小加工效率，但卻產(chǎn)生了較大的后刀面磨損，因此該切削速度不適合涂層硬質(zhì)合金刀具切削N型HT250使用。由圖1中的4、5、6、7、8、9號(hào)試驗(yàn)可知，高速車削時(shí)(250≤Vc≤400 m/min)，切削N型HT250的后刀面磨損量略大于普通HT250。因此，可以認(rèn)為在此切削參數(shù)下，切削加工性并沒有隨著工件力學(xué)性能的優(yōu)化而急劇惡化，處于可接受的范圍內(nèi)。

3 討論

由于N型HT250在鑄造中添加了Si、Ti等元素，車削時(shí)工件中存在的極小的硬質(zhì)點(diǎn)(如TiN、TiC、SiC等)會(huì)對(duì)刀具各個(gè)面造成磨粒磨損，其中以前刀面最為明顯，且磨粒磨損伴隨于車削的每個(gè)狀態(tài)中。在低速切削時(shí)(Vc=100 m/min)，由于切削力、低頻剛性沖擊較大，刀具基體的斷裂韌性較差，磨粒磨損程度比較嚴(yán)重，造成的犁溝痕跡深淺不一。在較高速度切削時(shí)(Vc≥250 m/min)，磨粒磨損現(xiàn)象逐漸減弱，其犁溝痕跡趨于規(guī)則化，如表4所示。

通過對(duì)刀具前刀面形貌進(jìn)行觀察，可知工件材料與刀具之間發(fā)生了粘結(jié)，導(dǎo)致切屑在前刀面堆積形成積屑瘤后脫落進(jìn)而帶走刀具涂層形成了不規(guī)則的凹坑破損。通過對(duì)比圖2a和圖2b可知，相較于切削N型HT250，切削普通HT250的月牙洼磨損更為嚴(yán)重，刀具在倒棱附近出現(xiàn)了明顯的因切屑粘結(jié)而導(dǎo)致的剝落凹坑。雖然圖2b出現(xiàn)了涂層脫落，但這些脫落位置均位于前刀面，且其深度較淺、面積較小，對(duì)于刀尖強(qiáng)度、月牙洼磨損的影響不大，可視為正常磨損。采用掃描電鏡對(duì)附著在前刀面上的粘結(jié)物進(jìn)行成分檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)物中含有大量的Fe、C元素和微量的Si元素，如圖4和圖5所示，說明此時(shí)灰鑄鐵中有大量的鐵和石墨在倒棱附近堆積粘結(jié)，導(dǎo)致粘結(jié)處因強(qiáng)度不足而脫落或斷裂，帶走刀具涂層甚至是刀具基體，對(duì)刀具造成嚴(yán)重的粘結(jié)磨損。從圖5中可以看出，6號(hào)試驗(yàn)刀具前刀面雖然存在粘結(jié)磨損，但粘結(jié)磨損程度明顯減輕。在高切削速度時(shí)(Vc=400 m/min)，基本未發(fā)現(xiàn)明顯粘結(jié)物和脫落現(xiàn)象，如圖7所示。上述表明，低速車削時(shí)(Vc≤250 m/min)，粘結(jié)磨損現(xiàn)象比較嚴(yán)重，隨著切削速度的增加，現(xiàn)象逐漸得到改善。當(dāng)切削速度Vc=100 m/min時(shí)，刀具粘結(jié)磨損最嚴(yán)重。

(a) 切削普通HT250 (b) 切削N型HT250圖2 切削普通/N型HT250的刀具前刀面形貌

(a) 初始刀具前刀面涂層 (b) 能譜分析

(c) 原子分?jǐn)?shù)圖3 初始刀具前刀面涂層的能譜分析

(a) 倒棱附近粘結(jié)部位 (b) 能譜分析

(c) 原子分?jǐn)?shù)圖4 2號(hào)試驗(yàn)刀具倒棱附近粘結(jié)部位的能譜分析

(a) 前刀面粘結(jié)部位 (b) 能譜分析

(c) 原子分?jǐn)?shù)圖5 6號(hào)試驗(yàn)刀具前刀面粘結(jié)部位的能譜分析

(a) 刀具倒棱面 (b) 能譜分析

(c) 原子分?jǐn)?shù)圖6 6號(hào)試驗(yàn)刀具倒棱附近的能譜分析

(a) 刀具倒棱附近 (b) 能譜分析

(c) 原子分?jǐn)?shù)圖7 7號(hào)試驗(yàn)刀具倒棱附近的能譜分析

由圖8可知，在2號(hào)試驗(yàn)刀具前刀面基本未檢測(cè)到Ti、N元素，說明此時(shí)TiCN涂層可能已完全磨損；雖然O元素的原子個(gè)數(shù)百分比較高，但此時(shí)刀具仍存在Al2O3涂層，通過對(duì)比Al元素可以發(fā)現(xiàn)，O元素的高占比是由于Al2O3涂層的存在，因此可以認(rèn)為當(dāng)Vc=100 m/min時(shí)刀具基本不發(fā)生氧化磨損。與刀具基體的元素含量相比如圖3所示，刀具磨損區(qū)域的O元素含量較高如圖6和圖7所示。氧化磨損與車削溫度的高低密不可分，隨著切削速度的增加，切削溫度逐漸變高，空氣中的O元素越容易與刀具發(fā)生氧化還原反應(yīng)，造成嚴(yán)重的氧化磨損。

擴(kuò)散磨損涉及工件與刀具之間的元素?cái)U(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致刀具材料成分與比例發(fā)生變化，影響刀具的抗磨損性能。由于Fe元素在硬質(zhì)合金刀具中的溶解度很低，當(dāng)?shù)毒咔邢魅刑幙梢詸z測(cè)到微量的Fe元素時(shí)，即可能存在著擴(kuò)散磨損。由圖6可知，6號(hào)試驗(yàn)刀具倒棱附近可以檢測(cè)到微量的Fe元素，同時(shí)存在Ti、C和N元素。因?yàn)槊鎾呙璺治鰠^(qū)域較大，且未在檢測(cè)區(qū)域發(fā)現(xiàn)明顯粘結(jié)物，因此可以推測(cè)此時(shí)刀具涂層尚未全部磨損并伴隨有擴(kuò)散磨損現(xiàn)象產(chǎn)生。對(duì)比圖6和圖7，觀察6號(hào)試驗(yàn)刀具倒棱附近和7號(hào)試驗(yàn)刀具倒棱附近的形貌和EDS結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：6號(hào)試驗(yàn)刀具倒棱附近的Ti、C和N元素多于7號(hào)試驗(yàn)刀具倒棱附近，這說明6號(hào)正交試驗(yàn)的最外層TiCN涂層磨損量小于7號(hào)；6號(hào)試驗(yàn)刀具倒棱附近的Fe元素少于7號(hào)試驗(yàn)刀具倒棱附近，同時(shí)在低切削速度(Vc=100 m/min)時(shí)，除了明顯的粘結(jié)部位外，基本未檢測(cè)到Fe元素，如圖4和圖8所示。綜上所述，隨著切削速度的增加，刀具擴(kuò)散磨損程度逐漸加重。

(a) 刀具前刀面 (b) 能譜分析

(c) 原子分?jǐn)?shù)圖8 2號(hào)試驗(yàn)刀具前刀面的能譜分析

4 結(jié)論

(1)切削N型HT250的前、后刀面磨損量均高于普通HT250。隨著切削速度的增加，刀具前刀面磨損區(qū)域減?。浑S著背吃刀量的增加，刀具前刀面磨損面積增大；隨著進(jìn)給量的增加，刀具前刀面磨損未發(fā)生明顯的變化。

(2)在對(duì)車削N型HT250的刀具磨損形式分析時(shí)發(fā)現(xiàn)：低速車削時(shí)(100≤Vc≤250 m/min)，刀具主要以磨粒磨損和粘結(jié)磨損為主；隨著切削速度的增加，刀具算法收斂速度較快，整體平均適應(yīng)值逐漸降低，其中CADE算法優(yōu)化效果最出色，由圖4可知，關(guān)節(jié)路徑優(yōu)化效果好，角度跟蹤誤差小，魯棒性強(qiáng)，算法收斂速度較快，證明本文所提算法的有效性。

的磨粒磨損和粘結(jié)磨損程度逐漸減小。高速車削時(shí)(250≤Vc≤400 m/min)，刀具主要以擴(kuò)散磨損和氧化磨損為主，磨損程度隨著切削速度的增加呈現(xiàn)緩慢增大趨勢(shì)；同時(shí)也存在一定程度的磨粒磨損。當(dāng)切削速度Vc=100 m/min時(shí)，刀具的粘結(jié)磨損最為嚴(yán)重且產(chǎn)生了較大的后刀面磨損。