涂层刀具磨损
38
(3)终磨阶段
工具技术
经过一定时间后,刀具刃口上的涂层材料终因塑性疲劳而被剥落。大量观察表明,一旦刃口处涂层材料的完整性被破坏(见图1c),涂层刀片便迅速丧失切削能力。
在切削试验中,随着时间的推移,刀片处于不同的磨损阶段,其磨损形态、磨损机理及磨损速率均随之变化。图2所示即为一种刀片磨损模型
。
涂层刀片切削后,用电子探针对任意八个刀片未磨穿区表面进行微区分析,得到W、Ti、Co等元素的浓度沿刀—屑界面上的线分布情况(见表2和图3)。
图3a为尚未切削的新涂层刀片W、Ti、Co等元
素的浓度变化情况。刀片表面富钛区显然是TiC涂层材料;基体(YW3)内部的W、Ti元素浓度分布均匀;1～2W、Ti、Co等元素的浓度变化情况。界面处的富钛区是TiC涂层材料,表明该刀片尚未被磨穿。与图3a所示新涂层刀片相比,富钛区内W、Co元素浓度增大,由此可以判断,基体材料中的W、Co元素正穿过涂层向工件(切屑)扩散。电子探针对任意八个刀片未磨穿区表面进行微区分析的结果证明了W、Ta、Nb、Co元素向外扩散的普遍性。由图3b还可发现,刀—屑界面附近(约2μm左右)的Ti元素浓度略有下降,这是因为涂层材料TiC也正向工件一方扩散和溶解。
图2 磨损模型
3 试验结果分析
311 扩散磨损
(1)未磨穿区的扩散磨损率很低
切削条件
v,f,ap,t
表2 涂层未磨穿区微区元素分析
刀片涂层
TiNTiCTiCTiNTiCTiNTiCTiN
对应区域
(见表1)
ⅠⅠⅢⅢⅣⅣⅥⅥ
Ti99.41598.07198.39895.92196.13295.68998.86397.933
W0.3311.3680.9983.1202.3682.3570.8751.767
Co0.0130.3610.4030.9201.1321.8560.1780.134
Nb0.2320.1620.1350.0300.1530.0630.0120.085
Ta0.0090.0320.0660.0090.2150.0350.0700.081
200,0.2,2,20200,0.2,2,6200,0.2,2,6200,0.2,2,20200,0.2,2,20200,0.2,2,6200,0.2,2,20200,0.2,2,20
由上述试验分析可知,涂层刀片表面涂层未磨穿区确实存在扩散磨损,但该区的扩散磨损率是微不足道的。其原因有以下三点:
①与WC相比,TiC、TiN的形成自由能ΔG较低。因而涂层表面的化合物(TiC或TiN)状态稳定,不易分解,因而限制了Ti元素的扩散;
②在1250℃高温时,TiC化合物在Fe中的溶解度只是WC的1/14,因而,与WC相比,TiC整体溶入工件材料中去的速率是极低的;
③处于高温作用下的基体材料(WC、Co等)虽有向涂层外扩散的趋势,但由于表面层的扩散屏障作用,阻碍了WC、Co的扩散。
(2)磨穿区以扩散磨损为主
当磨损面上的涂层被磨穿后,基体材料暴露在界面上。这时的扩散磨损作用机理已与一般硬质合金的扩散磨损作用机理并无大的区别。在刀—屑界
μ面附近约3～5m范围内,刀具材料中的Ti含量高
于原基体中的Ti含量。为了进行比较,在相同的切削条件下,分别对涂层磨穿区及非涂层基体刀片(YW3)相对应的磨损部位进行微区分析,结果表明,TiC涂层刀片的Ti/W比值普遍高于YW3刀片(见表3)。这种磨损区表面Ti含量略高的现象称为涂层材料向基体材料在化学成分上的“渗透”作用。据研究,WC在立方碳化物TiC中的溶解度高达70%,形成复杂固溶体(Ti、W)C。随着含Ti量的增大,(Ti、W)C固溶体随之增多。由于其固溶强化作用,