PVD法制備的TiAIN/Al2O3復合涂層氧化鋁陶瓷刀具切削性能研究
發布時間：2019-07-25
引言氧化鋁陶瓷刀具具有高硬度、耐磨和高溫穩定性等優點。但氧化鋁陶瓷材料的固有脆性大，強度與抗熱震性較差，在切削過程的振動與熱沖擊影響下容易崩刃甚至出現刀體破碎。所以，在氧化鋁陶瓷基體表面通過化學氣相沉積法(CVD)或物理氣相沉積法(PVD)得到一層或多層具有韌性、耐磨的涂層可以有效提高氧化鋁陶瓷刀具的切削性能。其中，CVD法較高的沉積溫度(800℃以上)對刀具基體有不良影響且制備過程伴隨環境污染。而PVD法能制備高性能涂層且對環境基本無污染。
L.A.Dobrzanski等人采用PVD工藝在氧化鋁基體上沉積TiN、TiCN，TiAlN等涂層，發現PVD硬質涂層有較高的硬度和耐磨性，且可改善加工表面質量，但PVD涂層的結合力較弱。隨后，M.Sokovic等人改進沉積工藝，采用陰極電弧蒸發鍍(PVD-CAE)在SiC晶須增韌氧化鋁陶瓷表面沉積多種PVD涂層，提高了涂層與陶瓷基體結合強度，在切削球墨鑄鐵試驗中，發現該涂層可以大大延長刀具壽命和改善加工質量。Xing等人在Al2O3/TiC陶瓷刀具表面使用PVD法制備WS2/Zr涂層，還發現PVD涂層具有降低切削力、切削溫度和摩擦磨損程度的作用。曾俊杰等采用陰極電弧蒸發鍍(PVD-CAE)在氧化鋁陶瓷上沉積了TiN、TiSiN涂層并研究切削性能時，發現PVD涂層還能有效阻止氧化鋁刀具崩刃，且其主要磨損機理是磨粒磨損。
與氧化物涂層相比，由于氮化物涂層具有高硬度、耐磨等優點且易于使用PVD技術，上述大部分研究者對PVD涂層的研究工作側重于氮化物硬質涂層。但氮化物涂層的高溫抗氧化性能明顯弱于氧化物涂層，不適用于高速、干切削等嚴苛加工環境。所以采用PVD工藝在陶瓷表面制備能綜合氮化物耐磨和氧化物抗氧化優點的高性能多層復合涂層，是一種較新的研究方向。本文即利用PVD-CAE工藝在氧化鋁陶瓷基體上沉積TiAlN/Al2O3。雙層復合涂層，使復合涂層同時具備耐磨和高溫穩定性的優異特性，以大幅度提高氧化鋁陶瓷刀具的切削性能。
1、實驗材料與方法
1.1試驗刀具與切削參數
試驗刀具基體采用特固克AB20氧化鋁陶瓷刀具，型號為RNGN120700(Φ12.7mm×7.94mm)。隨后，采用物理氣相沉積(PVD)中的陰極電弧蒸發鍍(CAE)技術在刀具表面涂覆一層TiAlN作為耐磨、硬質層，再采用PEM設備輔助PVD工藝在該刀具表面沉積Al2O3涂層。
試驗機床為ETC3650h數控機床，機床主軸功率15kW，最高轉速4000rpm。裝夾刀桿編號為CRGN525M1207，刀片安裝角度為：前角γ0=-6°，后角α0=6°，主偏角Kr=45°。刀具失效標準為后刀面磨損量VB=0.3mm。切削用量為：Vc=300m/min，f=0.1mm/r，ap=0.5mm。工件材料為HT250灰口鑄鐵，工件尺寸為Φ100mm×150mm，該鑄鐵的化學成分與機械性能如表1所示。
1.2測試方法
PVD涂層微觀結構觀察采用Quanta400場發射掃描電子顯微鏡(SEM)，該設備自帶電子能譜(EDS)可以分析涂層截面上不同方位的元素含量。兩種涂層的表面硬度采用HXD-1000TM/LCD顯微硬度計分別表征，使用菱形壓頭加載50g的測量力并保壓15s。刀具切削過程中的后刀面磨損量VB值，采用OLYMPUSSZ61TR體式顯微鏡測量。工件表面粗糙度采用便攜式粗糙度儀(TR200型)測量，每次采集5個點取平均值。切削試驗后采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察刀具切削磨損形貌，并采用EDS能譜輔助分析刀具磨損機理。
2、結果與討論
2.1涂層截面微觀結構與力學性能
圖1為氧化鋁陶瓷刀具表面TiAlN/Al2O3，涂層截面的SEM照片及其上的EDS線掃描元素分析。圖中涂層截面形貌有條明顯的涂層分界線，從Line1的EDS線掃描元素成分分析可看出：Al2O3涂層作為最外層的化學屏障層，厚度大約1.1um；TiAlN涂層作為中間硬質、耐磨層，厚度大約2.4um。TiAlN和Al2O3涂層晶粒細小均勻，結構致密。且處于中層的TiAIN與外層的Al2O3和基體兩個界面均貼合緊密，不存在微縫隙，說明TiAlN/Al2O3涂層層間和膜基間結合良好，不易剝落。
表2列出了無涂層和TiAlN/Al2O3涂層的硬度表征結果，可見PVD法沉積的硬質涂層可顯著提高氧化鋁刀具硬度，作為硬質、耐磨中間層的TiAlN涂層可將刀具表面硬度提高40％，從而有效增加刀具耐磨性。而充當TiAlN耐磨層化學屏障角色的Al2O3涂層，其硬度也比氧化鋁基體高10％左右。涂層的顯微硬度與涂層材質和微觀結構有關，同等材質下，致密細晶結構的硬度更高。
2.2刀具壽命與磨損
用上述PVD法制備的TiAlN/Al2O3復合涂層氧化鋁陶瓷刀具干車削灰鑄鐵，與無涂層氧化鋁陶瓷刀具對比，研究該PVD涂層氧化鋁刀具的磨損情況。圖2為切削試驗中TiAlN/Al2O3，涂層和無涂層氧化鋁陶瓷刀具切削灰鑄鐵的磨損曲線。PVD涂層氧化鋁刀具在正常切削時，其刀具磨損量隨切削時間變化均呈線性變化，這表明TiAlN/Al2O3涂層在切削過程中未出現剝落，并且其磨損機理未發生本質性改變。無涂層氧化鋁刀具高速干車削灰鑄鐵10min后發生刀具破損，刀具形體破壞而無法繼續使用，而TiAlN/Al2O3涂層刀具干切削灰鑄鐵20min之后仍能繼續正常使用，所以其壽命至少是無涂層氧化鋁刀具的兩倍以上。這是因為多層復合結構的PVD涂層有緩沖和減弱切削微沖擊作用，在一定程度上增加了刀具表面韌性，可以有效防止氧化鋁刀具發生崩刃和破損；并且涂層中TiAlN作為硬質耐磨層具有更高表面硬度，從而大幅度地提高該種刀具的切削壽命。
圖4為TiAlN/Al2O3涂層氧化鋁刀具切削灰鑄鐵后的磨損形貌，可見其切削刃完整，無崩刃情況，這說明TiAlN/Al2O3涂層可在切削過程中起緩沖、減震的作用，使氧化鋁刀具切削刃形狀保持完好形態，從而有效保護刀具基體。PVD涂層氧化刀具的后刀面磨損表面較光滑，主要存在眾多劃痕和少量白色粘結物。刀具表面上的劃痕是磨粒磨損的典型形貌，切削加工時，工件材料中碳化物等硬質點與刀具表面相互擠壓、劃擦時會在刀具表面產生細小密集的劃痕形貌。為了研究涂層氧化鋁刀具磨損表面上的白色粘結物形成緣由，對粘結物進行EDS能譜分析。檢測發現粘結物存在大量Fe、C工件元素和Ti、Al、O等涂層元素，這說明可能是因為TiAlN涂層在切削高溫下氧化失效并與工件材料粘合而導致的粘結形貌。TiAlN涂層抗高溫氧化溫度只有700℃，容易在陶瓷刀具干式切削高溫場合下失效并導致較嚴重的粘結磨損。而本試驗中的Al2O3外層穩定地發揮抗高溫氧化的性能，與TiAlN硬質層高耐磨性互補，減少因硬質層抗氧化性不足而引致的粘結磨損情形，從而有效提高刀具的使用性能。試驗表明TiAIN/Al2O3涂層氧化鋁刀具在高速干切削灰鑄鐵中主要發生磨粒磨損和少量的粘結磨損。
圖5為TiAlN/Al2O3涂層和無涂層氧化鋁刀具干車削灰鑄鐵過程中已加工表面粗糙度(刀具加工質量)變化曲線。從圖中可看出，兩種刀具的加工質量均隨著切削時間的增加而降低。無涂層氧化鋁刀具干車削灰鑄鐵的表面質量在前5min變化不大，隨后迅速變差。與無涂層刀具相比，TiAIN/Al2O3涂層刀具的加工質量更加穩定而優良，只是隨著刀具磨損的增加而略微變差，其加工質量穩定在1.3um以內。這與兩種刀具材料的磨損進程密切相關。無涂層氧化鋁刀具切削灰鑄鐵5min后出現崩刃，而后在崩刃位置發生部分刀體材料缺損。殘缺不全的刀具表面所加工出的工件表面質量變差，并隨著切削中刀具崩刃情況加重而加劇。涂層氧化鋁刀具中因有TiAlN/Al2O3涂層對刀具基體的保護作用，在切削過程中未出現崩刃現象，仍能較完好保存刀具切削刃形狀，故涂層刀具的加工質量較為穩定。但隨著切削加工持續進行，刀具．工件間接觸溫度急劇上升，高溫使得涂層失效并與工件材料產生的粘結物一起硬焊在磨損表面，導致局部刀具表面的平整性變差，從而使刀具擠壓剪切出的工件表面質量變差。所以TiAlN/Al2O3涂層氧化鋁刀具干切削灰鑄鐵的加工質量在切削后期隨粘結形貌增多而變差，其表面粗糙度從最初的0.7um緩慢上升至1.3um左右。
(1)采用PVD法在氧化鋁刀具上沉積了中間TiAlN耐磨硬質層和Al2O3抗高溫氧化層，兩層涂層均具有細晶致密的微觀結構。涂層能有效提高刀具表面硬度，且中間TiAlN耐磨硬質層對刀具硬度的提升效果最佳。
(2)高速干切削灰鑄鐵試驗中發現，無涂層氧化鋁刀具不適合切削灰鑄鐵，加工時會發生崩刃破損；而TiAlN/Al2O3涂層氧化鋁刀具主要發生磨粒磨損和少量的粘結磨損，刀具使用壽命至少是前者的兩倍。
(3)無涂層氧化鋁刀具切削灰鑄鐵的加工質量由于刀具崩刃而迅速變差；而TiAlN/Al2O3涂層氧化鋁刀具得益于涂層對基體的保護作用，在切削過程中無崩刃現象，其加工表面質量更加穩定而優越。
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