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涂层刀具的磨损机制

【编者按】TiN涂层应用于高速钢金属切削刀具以来，PVD涂层已成为刀具磨损防护的标准手段，本文阐述了涂层刀具的磨损机制。

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　　自从上世纪70年代末期TiN涂层应用于高速钢金属切削刀具以来，PVD涂层已成为刀具磨损防护的标准手段，而如今的涂层中心可以为高速钢刀具提供各种类型的陶瓷薄涂层。厚度为1－10μm的PVD薄涂层主要以两种方式来保护刀具切削刃：①作为抵御磨料磨损和轻微粘结磨损的保护层；②通过减少刀具与工件材料之间的摩擦，尤其是切屑与前刀面之间的摩擦，来降低刀具温度。

　　这种涂层将很高的硬度（高耐磨性）和与金属材料相对较低的化学反应活性（低可溶度）结合在一起，而后者可防止作为粘结磨损先决条件的熔焊机制的产生。因此，如今的大多数常用PVD涂层都是通过疲劳和不连续的剥离/脱落而失效，而不是通过缓慢的逐渐磨损被去除。一旦表面涂层被去除，涂层刀具的磨损机理就变得与未涂层刀具相同，而且由于涂层刀具通常采用的切削参数更严苛，因此其磨损程度也更剧烈。

　　（1）由于基体制备不良造成涂层脱落

　　高速钢刀具基体制备不良主要可能有两种情况：在粗磨/精磨加工时，基体表面温度超过了奥氏体化温度，从而形成了脆性较大的未回火马氏体表面层；或导致基体表面过于粗糙。

　　高速钢作为PVD涂层基体时，磨削高温形成的未回火马氏体脆性表面层将使涂层的附着力降低。高速钢刀具的PVD涂层具有数量级为1－5GPa的内部压应力。通常，沉积在高速钢上的TiN涂层具有大约4GPa的横向残余压应力。这种压应力有利于增强涂层内部的结合力，但却对涂层与基体的粘附性具有不利影响。过高的压应力加上粗糙的基体表面，可能会导致在没有任何外部载荷的情况下，涂层自行脱离。其原因是，涂层中的横向压应力加上粗糙的基体，将会在整个涂层/基体界面上产生拉应力。如果该系统受到外部载荷的作用，涂层就很容易沿着拉应力最大的区域（即沿着刀具上粗糙的垄沟）发生脱落。这些垄沟是磨削工艺过于粗放或磨削参数选择不当造成的。

　　由基体表面形貌引起涂层失效的另一个例子也表明，在涂层中形成的裂纹可能会蔓延到高速钢材料的表层以下。通过疲劳效应，这些裂纹随后可能会引起切削刃崩刃和严重的刃口破裂。

　　（2）由于基体热软化造成的涂层脱落

　　一旦高速钢基体材料达到了会发生过度软化的温度水平，就无法承受接触压力和涂层的脆性断裂。涂层下方较暗的酸蚀断面明暗对比表明因过度回火而发生了热软化。然后，这种涂层断裂和个别碎片又被分解为更细小的碎片。

　　切削刃磨损的分布与演变

　　以上描述的磨损机制最终将会导致刀具的磨损超过磨钝判别标准（或者是给定的后刀面、前刀面磨损宽度，或者是某种程度的刃口变钝）。

　　以TiN涂层滚刀刀齿上一个大月牙洼的形成过程（被加工材料为碳钢）为例，这种最终会制约刀具寿命的磨损发生在前刀面上。最初，滚刀刀齿遭受程度有限的崩刃。与此同时，发生在前刀面的刀具材料热软化（邻近涂层处较暗的明暗对比揭示出过度回火的迹象）降低了涂层的承载能力，使涂层因破裂和脆性断裂而失效。一旦涂层被去除，就会因为剧烈的粘结磨损，在失去保护的高速钢刀齿上迅速形成一个大月牙洼。

　　初始阶段的磨损往往会通过轻微破裂（崩刃）使刀尖变钝，随之而来的是以磨料磨损和粘结磨损为主的线性稳态磨损机制。渐进式的刀尖变钝是切削刃温度持续升高的原因之一，最终，通过刃口破裂或严重的塑性变形，达到加速磨损状态。

　　提高刀具表面的平滑性和刃口的锋利性可以延长刀具寿命。涂层的应用进一步强化了这种作用。然而，通过涂层来提高耐磨性，往往是为了提高生产率，而不是为了获得更长的刀具寿命。

　　通常，刀具会遭受两种或多种磨损机制的共同作用，但要判断哪一种磨损机制起主导作用可能相当困难。

未涂层刀具的磨损机制

【编者按】未涂层刀具的磨损机制主要分为：磨粒磨损，粘结磨损，大范围塑性变形，疲劳与断裂。【参阅金属切削刀具材料特性】

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　　（1）磨粒磨损

　　磨粒磨损在高速钢铣刀切削刃的后刀面磨损和月牙洼磨损中起着主导作用。磨损沟槽是工件材料中硬质颗粒的刮擦作用与刀具材料中硬质相抵抗刮擦的保护作用共同形成的。在刀具材料较大的碳化物后面，从切屑流动方向可以看到，存在可对刀具材料起保护作用的典型垄沟。极其微小的磨粒在刀具磨损中起主导作用，而只有硬质碳化物能抵抗磨损。高速钢的高屈服强度（高硬度）和较多的碳化物含量可以增强其抵抗磨粒磨损的能力。

　　（2）粘结磨损

　　在较低放大倍数下观测时，铣刀刀齿的主要磨损机制似乎是磨粒磨损，即工件材料（碳钢）中硬质颗粒的耕犁作用。但是，在较高放大倍数下观测时发现，更准确地说，其磨损是磨粒磨损与粘结磨损的共同作用。起主导作用的粘结磨损（通常称为轻微粘结磨损）是表层高速钢材料被高剪切力撕裂造成的，而这种剪切力则是由表层材料的缓慢拖曳和在切屑流动方向材料的剪切破碎形成的。

　　如果刀具在其耐热性的上限温度下使用，就可能造成严重的粘结磨损，在切屑流动方向形成大范围的表面材料塑性流动。

　　如果切削刃达到很高的温度（即以很高切削速度加工时），则后刀面磨损和月牙洼磨损将以粘结磨损为主。当切削化学侵蚀性较高的工件材料时，粘结磨损将会进一步加剧。高速钢材料主要是通过其在高温下的高屈服强度（高红硬性）来抵抗轻度和重度粘结磨损。

　　（3）大范围塑性变形

　　有时，高速钢刀具刃口承受的负荷超过了其屈服强度，并引起大范围塑性变形，从而导致刃口钝化。

　　（4）疲劳与断裂

　　整个刀具的宏观断裂有可能会发生，但却是小概率事件。更常见的是刀具刃口的局部崩刃。需要注意，崩刃似乎是从与刃口平行的磨痕开始的。