涂层硬质合金刀具磨损机理的研究(3)

涂层刀具磨损

2005年第39卷№11

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(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”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

。

到了有效的“支承”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”作用和前述的“渗透”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;,,,后刀面上的Ⅳ、,Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ区则承受着塑性在切削过程中,因热胀量较小而稍呈洼状的Ⅱ、Ⅵ磨穿区完全被切屑底部的熔融状工件材料所填

(a)新涂层刀片(TiC)

平。用电子探针沿切屑流动方向扫描发现,Ⅱ区Fe元素扫描线出现峰值,Ⅰ、Ⅲ区则以Ti元素为主。此时,Ⅱ、Ⅴ区受到涂层材料的两次“渗透”作用(涂层工艺过程中和涂层未磨穿时),已暴露的基体材料以复杂固溶液体(Ti、W)C+Co组成,故在高速切削条件下,涂层刀片的耐磨性大大提高。

313　疲劳剥落磨损

在高速切削条件下,由于切削温度较高,刀具材料塑性有所提高,涂层表面承受塑性变形,产生塑性滑移,致使涂层内部形成许多裂纹。由于涂层材料的热胀量大于基体材料,因此涂层表面必然会出现早期剥落,以释放残余应力。但其磨损面形态很光滑,在剥落块边界无明显台阶。在切削初期,涂层材料内裂纹密度高达015根/微米,由于高速切削时切削力平稳,材料塑性较好,涂层内裂纹非常稳定地度过了正常磨损阶段(或者说,此时裂纹的扩展速率极慢)。随着切削过程的继续,当刀具材料达到塑性疲劳极限时,刀具刃口处、甚至整个磨损面上的涂层很快疲劳剥落,涂层刀片的切削寿命终止。　　4　结论

(1)在高速切削条件下,涂层硬质合金刀具的

(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,ap,t)

200,0.2,2,2200,0.2,2,4.5200,0.2,2,2200,0.2,2,2

TiC涂层0.2730.1480.2130.236

YW30.1010.1250.0770.095

测试位置

ⅤⅤⅡⅡ

　　312　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

表面涂层在切削早期就被磨穿;刀具的正常工作是

处于涂层已局部被磨穿的情况下进行的;此时,刀具涂层磨穿区的磨损以扩散磨损为主,未磨穿区以塑性变形磨损为主。

(2)由于表面涂层对基体材料的渗透作用以及涂层未磨穿区对磨穿区的支承作用,致使涂层硬质合金刀具的磨损率很低;在相同的切削条件下,与未涂层刀片相比,涂层刀片的后刀面磨损耐用度可提高2～4倍,抗月牙洼磨损能力可提高5～10倍。

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