高速钢刀具的磨损机制
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自从上世纪70年代末期成功地引入了PVD-TiN涂层以来,对高速钢金属切削刀具的学术研究一直集中在开发更好的涂层材料和沉积技术上。
图1 高速钢切削刃的切削原理和温度分布暴露了其承受热负荷的实际限度(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图2 切削力F与切削速度(图a)和进给量(图b)的关系曲线(线性比例)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图3a 高速钢与碳钢和奥氏体不锈钢的热硬性(HV)对比。图中还表明,在整个温度区间中,碳化物、氮化物和氧化物具有更高的热硬性(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图3b 一些常用刀具材料的室温断裂强度(Rmb)与硬度(HV)的关系(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图4 刀具磨损类型示意图(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图5 典型的刀具磨粒磨损外观(工件材料为碳钢)。(a)箭头所指为高速钢刀具材料形成的垄沟,还可以看到刃口破裂的证据;(b)切纸刀。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(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

引言

在金属切削加工中,由难加工材料造成的高切削力、高接触压力、切削高温、剧烈的化学侵蚀等外界条件对刀具和刀具材料提出了极高的要求。此外,刀具几何形状和锋利的切削刃、循环吃刀量、切削液等切削条件也增加了加工的严酷性。切削刀具经常是在接近其耐受这些负荷(特别是热应力和机械应力)的极限状态下工作。
尽管高性能刀具材料——如CVD和PVD涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(CBN)和金刚石——的使用日益增多,但高速钢(HSS)仍然是常用的金属切削刀具材料。高速钢相对较高的韧性,以及能够经济地制造复杂形状刀具的可能性,使其在许多切削加工中的使用仍然具有合理性。与电渣加热(ESH)技术和物理气相沉积(PVD)涂层技术相结合的粉末冶金高速钢牌号的引入,进一步提高了高速钢刀具的切削性能。
自从上世纪70年代末期成功地引入了PVD-TiN涂层以来,对高速钢金属切削刀具的学术研究一直集中在开发更好的涂层材料和沉积技术上。
本文对高速钢刀具(包括未涂层和涂层刀具)的磨损机制进行了简要评述,并详细论述了金属切削过程、刀具失效机制、高速钢材料及其涂层的特性。

金属切削过程

为了理解金属切削的磨损机制,有必要简略了解一下在刀具/工件材料界面处占主导地位的接触状况。图1 所示为常见的正交切削模型,但它适用于任何切削操作,包括车削、铣削、锯削、钻削、攻丝、拉削等。通过工件材料的塑性剪切,以及工件材料相对于刀具后刀面和前刀面的滑移,可以建立一组温度特性曲线。主要的热源位于切屑形成的主剪切区和切屑与刀具之间摩擦接触的副剪切区,因此,在与切削刃有一段距离的前刀面上会达到最高温度。
要通过一张图片阐明作用于刀具切削刃上的切削力和机械应力并不容易,因为这些力随着切削工艺和切削参数的不同而有很大的变化。在采用单一切削刃的断续切削中,刀具从切入工件到退出工件,其受力情况也可能大相径庭。一般来说,总的切削力F 与切削速度和进给量相关。如图2 所示,采用低摩擦涂层可以减小切削力,从而降低切削刃温度,即可以利用低摩擦涂层来提高生产率。
我们从刀具失效机制的类型可知,高速钢刀具使用到接近自己的屈服极限和断裂应力极限时就会失效。当切削刃像一个不断扩展的楔子一样强行切入工件材料内部时,被它撑开的“裂缝”的两个表面呈现为化学活性很高的金属。事实上,由于外部的氧或切削液无法进入该区域,意味着不会形成氧化膜或任何其他可起保护作用的隔层。因此,刀刃也暴露在极为恶劣的条件下。

刀具材料特性

(1)高温强度

金属切削刀具必须能在切削高温下同时保持高硬度(或高屈服强度)和高断裂强度(见图3a)。在断续切削时,后者尤其重要。高导热率也是刀具应该具备的一项特性,因为它可以减轻刀具材料局部热软化的倾向。
碳化物、氮化物和氧化物的高耐热性,表明了它们作为保护性PVD 或CVD 薄涂层的潜能,而当它们以微小颗粒的形式存在于刀具材料中时,也具有显著的强化作用。然而,它们作为强化元素存在于工件材料中的情况也很常见,在这种情况下,它们会加剧刀具的磨粒磨损。

(2)断裂强度与硬度

高硬度与高脆性是联系在一起的,对金属材料进行强化(如经过马氏体淬硬、硬质颗粒弥散等处理而获得高速钢)通常会导致材料的断裂强度降低(见图3b)。

高速钢刀具适合加工的常见工件材料

一般来说,用高速钢刀具切削加工的工件材料的宏观硬度都要低于刀具硬度(见表1)。然而,许多工件材料中包含的一些成分(如碳化物、氮化物和氧化物)的硬度(HV1500-3000)和耐热性都要高于高速钢刀具基体(如图3a 所示),并会通过磨蚀加快刀具失效。在切屑形成过程中,工件材料的高韧性、大的断裂伸长率(延展性)和加工硬化能力都会导致产生切削高温。而高温会降低高速钢刀具的强度,同时还会加剧刀具与工件材料之间的化学反应,增大形成金属间相的可能性。这将增大刀具与工件材料之间的摩擦,从而进一步加剧这种不利状况。

表1 高速钢刀具加工的常见工件材料
工件材料硬度(HV)硬质颗粒延展性冷作硬化
碳钢200-250渗碳体
铸铁200-250渗碳体  
G钢
180-250
铝合金100-150氧化物,AlFeSi
钛合金
200-350
镍基合金200-350

图6 切削低碳钢时,高速钢铣刀上产生的月牙洼(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图7 (a)切削奥氏体不锈钢后滚刀刀齿截面的光学显微照片。(b)图a 的局部放大图。箭头所指分别为切屑流方向和高速钢表面材料的流动型式。后者显示存在严重的粘结磨损(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图8 高速钢刀具刃口的塑性变形。(a)画面中间部分的刃口线正在向下塑性移动,并即将脱离刃口。(b)发生塑性变形的刃口断面显示出绝热剪切的迹象(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图9 由于局部过载和疲劳导致滚刀刀齿产生的微小崩刃(a)和较大崩刃(b)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图10 经过精磨的高速钢材料表面金相断面。(a)精磨时因过热而产生的未回火马氏体表面层;(b)恰当加工的高速钢精磨表面(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图11 (a)在大多数PVD涂层中都存在的横向压应力σ将会产生界面应力S。即在磨削垄沟的顶部,该应力是一种“向上”的拉应力,其大小可能会达到与残余应力σ相同的数量级。这些垄沟可能是由粗磨加工造成的。(b)TiN涂层沿着高速钢刀具的磨削垄沟发生脱落(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图12 在切削碳钢的滚刀刀齿接近切削刃的前刀面上观察到的显微疲劳裂纹;(b)是(a)的放大图。需要注意,裂纹的方向与表面精磨方向一致(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
在比较刀具材料与工件材料的机械性能时,必须考虑的另一个事实是,切屑的形成通常是在极高的剪切率下发生的。考虑到很高的应变率,图3a 中的工件材料曲线会上升,从而使碳钢相应的RT硬度可以与切削刃在其工作温度下的硬度很好地匹配(如图中两个椭圆形所示)。在断续切削时,当温度很高的切削刃突然切入冷的工件材料时,需要特别注意图3a所示这种情况。

刀具磨损的类型

以正交切削作为研究模型,高速钢刀具磨损的一般特征如图4所示。刀具的切削性能主要取决于切削方式、切削参数、工件材料和刀具材料,它还会受到刀尖磨损、后刀面磨损、月牙洼磨损、刃口崩刃,或这些因素共同作用的制约。取决于同样这些参数,刀具磨损或者以磨粒磨损的方式逐渐发生;或者通过产生塑性变形的粘结磨损方式;或者通过离散断裂机制,造成刀具材料越来越多的分散丧失;或者是通过这些机制的综合作用。
下面,我们分别利用一些使用过的高速钢滚刀的扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜(OM)显微照片,举例说明图4所示的各类磨损机制。

未涂层刀具的磨损机制

(1)磨粒磨损

如图5所示,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。图中的沟槽图案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。由于单个磨粒的刮擦痕迹太小,因此在图中无法分辨。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(图6a),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(图6b),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(图7)。
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(见图8),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(见图9)。需要注意,图9a 中的崩刃似乎是从与刃口平行的磨痕开始的。

涂层刀具的磨损机制

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。
图13 切削碳钢齿轮的滚刀刀齿的涂层脱落。(a)由于基体热软化造成的涂层断裂;(b)细小的涂层碎片脱落涂层下高速钢材料的初期磨损。涂层碎片的厚度与原来的涂层厚度相同(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图14 扫描电镜(SEM)照片和经过酸蚀的金相断面揭示了TiN 涂层滚刀刀齿的连续磨损过程。(a)使用过的滚刀一个刀齿的整体形态;(b)前刀面上涂层基体发生崩刃和热软化的初始阶段;(c)金相断面中崩刃的放大图;(d)严重月牙洼磨损的后期阶段。(b)和(c)的酸蚀断面揭示了表层热效应的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图15 刀具磨损的演变。三个椭圆分别表示刀具的初始磨损、稳态磨损和灾难性磨损阶段。图中还表示了刀具表面制备和涂层的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(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(见图10)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(见图11a)。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(即沿着图11b所示刀具上粗糙的垄沟)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如图12所示,它也表明,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(见图13)。请注意图中涂层下方较暗的酸蚀断面明暗对比,它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刀具切削刃的宏观磨损类型如图4所示。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,或者是某定程度的刃口变钝)。图14 显示了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),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(图14b)。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(图14c)。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(图14d)。
无论最严重的磨损位于什么位置,其演变过程都可以用图15 来表示。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。
图15 还表明,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。
表2 高速钢刀具的常见磨损机制、原因及抗磨损性
磨损机制磨损原因刀具抗磨损特性
磨粒磨损工件材料中的硬质颗粒或其他硬质相通过一种耕犁作用去除刀具材料高基体硬度,大量硬质相,硬涂层
轻微和严重粘结磨损高速切削使刀具表面产生切削高温,促使工件与刀具材料之间发生严重粘结。切削加工导热性差、强度高、延展性好的工件材料时情况尤为严重光滑的表面,锋利的切削刃,高热硬性,高导热性,化学惰性(抗粘结)涂层
塑性变形高速切削与大切削负荷的共同作用造成切削刃温度过高高热硬性,高导热性
断裂和疲劳断续切削强度高、延展性好的工件材料(尤其在高速切削和使用切削液的共同作用下);使用不够锋利的刀具切削刃光滑的刀具表面,基体和硬质相均为细晶粒结构、无缺陷的高速钢具有的高断裂韧性
图16 减小高速钢微观结构成分的粒度和提高洁净度,可以改进其硬度/韧性比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图17 AP 2023高速钢的表面状态对四点抗弯强度的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
表2总结了高速钢刀具的磨损机制。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。表2中还表明,由工件特性、刀具材料以及切削参数共同作用而引起的磨损机制有何不同。

提高高速钢刀具性能的途径

(1)改进高速钢材料

从以上描述的高速钢刀具磨损机制,我们可以得出结论:硬度、耐热性(热硬性)和断裂韧性——包括宏观和微观层面的——是刀具获得高切削性能的先决条件。近年来,高速钢的技术发展主要集中在高速钢的均匀性和洁净度上。通过粉末冶金(PM)技术,能够获得细晶粒的均质结构。然而,笔者认为,仍有可能进一步改进高速钢的硬度/韧性比。通过应用纳米技术,将基体晶粒和硬质相颗粒的尺寸进一步减小到纳米范围内,完全有可能使高速钢刀具性能“更上层楼”。图16所示为高速钢硬度/韧性的一般关系。

(2)提高表面完整性

进一步改进高速钢刀具性能的另一种途径是提高刀具表面光洁度,即避免因产生过多切削热而导致高速钢表层材料恶化。高速钢刀具的宏观强度和抗崩刃性能对表面制备时产生的表面缺陷非常敏感(见图17),因此,为了避免刀具提前失效,就必须对刀具刃口表面进行制备。光滑的刀具表面有助于抵御微裂纹,避免涂层过早脱落。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2011年第5期
上载于:2015-7-21 10:56:52

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