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1988年工具行业涂层麻花钻联合试验专题报告

内 容提要：本文报道了对TiN涂层高速钢麻花钻的寿命、钻孔精度和切削力等所进行的一系列试验以及用扫描电镜等仪器对TiN涂层的厚度、表面与断口的形貌和 结合力等涂层质量的检测结果。对“九厂一所”用我国从Balzers公司(瑞士)、Multi-Arc公司(美国)、VacTec公司(美国)引进的涂层 工艺设备或国产的涂层工艺设备所涂层的麻花钻进行了全面的性能比较试验。试验的结果表明：涂层高速钢麻花钻在切削效率、寿命及其可靠性和稳定性等方面都较 未经涂层或经氧、氮化表面处理的麻花钻，有显著的提高。例如，在金属切除率提高1.4倍的情况下，寿命能提高2～6倍；钻孔精度亦有明显的改善；钻孔时的 轴向力与扭矩还将分别下降30%和10%～15%。其中尤其以用Balzers公司的涂层设备所涂层的麻花钻，其性能具有明显的优势。
作者注：本 文原发表在内部刊物《刀具标准与质量信息》总第七期，由于本文可作为进行刀具寿命试验的重要参考资料，故本人再次对该文进行了全面改写，并对文中部分内容 进行了补充，还根据当年的原始资料重新整理和处理了数据。本试验研究工作由许祖德研究员级高级工程师负责试验设计和数据处理并在其主持和领导下实施，参加 本试验研究工作的还有：曲福海、方六阳、康铁福、沈士昌、吕守业、扬宝贵等共29人。
通过本文不仅可以了解20年以前这项工作进行的过程和所取得的成果，而且《论文》里所采用的科学的研究方法和经验仍值得后人借鉴，原因是：
  1. 由各工具厂共同集资、共同研究分析、共同参与试验和共同分享成果的“四共”做法，不能不说是那时计划经济时代的产物，但是能以最少的成本和最短的时间得出最大成果的这种做法还是值得提倡的，虽然今后也许很难做到；
  2. 本 文里采用了科学的刀具质量的评价体系，它不仅能定性而且能定量的用数学模型表述刀具各项质量指标——刀具的寿命、可靠性、稳定性以及加工精度和功率(能 耗)等，本文正是采用了这个全面的评价体系才有可能对“九厂一所”的涂层刀具的质量得出科学的正确的结论，并得到“九厂一所”所有参与人员的一致确认；
  3. 严 谨的试验设计和科学的数据处理方法是保证试验成功的关键因素，由于从一开始，就集思广益，反复推敲与斟酌，并通过预试验，才确定整个试验方案。此外，采用 了科学的工业数理统计的方法来处理试验数据，编制了专用的计算机处理程序，因此每组寿命数据的处理都要用回归分析的方法经过上百次的运算才得出最优的结果 ——即最佳拟合数学模型。毫无疑问，只有在这样严谨的运算条件下，才有可能得出具有高置信度的试验结果；
  4. 先进的测试手段是保证试验结果 正确和可靠的必要条件，例如本试验中先后动用了扫描电子显微镜、压电晶体侧力仪、数控加工中心以及计算机等诸多先进的测试仪器。反观当今很多人不了解做一 个刀具质量测试的难度和严肃性，往往草率行事，最后耗费了大量的钱财、时间和精力却无法得出具有一定置信度和令人信服的试验结果，这种现象比比皆是，希望 本文能给所有进行刀具质量测试的人们有所启迪，少走弯路；
  5. 刀具质量测试中还有一个重要因素，即所有切削试坯要有较一致的可加工性，否则试验的结果没有可比性。
以上5点也许就是我之所以要再次让本文亮相的原因吧。
许祖德

引言

高 速钢刀具物理气相沉积(PVD)涂层工艺是七十年代末发展起来的一门新型技术，迄今，几乎所有高速钢刀具都可以进行PVD涂层。我国对PVD涂层技术的研 究起步于1982年，由于基础工业落后，元器件的可靠性较低，使国产涂层设备在可靠性、配套性、灵活性以及自动化等方面的进展受到限制。
自1986 年以来，我国工具行业相继从瑞士Balzers公司、美国Multi-Arc公司和VacTec公司等引进六套大型PVD涂层设备，并很快投入运行，这大 大加快了我国工具涂层技术的发展速度。目前，工具行业已有引进和国产的多套PVD涂层设备在发挥效益。为了了解这些设备所涂层产品的实际工艺水平，研究其 对高速钢麻花钻切削性能的影响和使用效果，提高工具行业PVD涂层技术的水平，国家刀具产品质量监督检验测试中心(以下简称“刀检中心”)于1988年3 月在成都组织了工具行业TiN涂层精密高速钢麻花钻(以下简称“涂层钻头”)的寿命等联合试验。有工具行业九家生产麻花钻的主导厂和成都工具研究所等共十 个厂家参加了试验。
为了叙述方便，以A、B、C、D、E、F、G、H、I、J十个代号分别表示十个试验厂家的名称。
本报告有三个部分：
  • 第一部分：试验条件与试验研究内容；
  • 第二部分：试验结果的比较、分析与讨论；
  • 第三部分：结论。

第一部分 试验条件与试验研究内容

一、试验条件

  1. 机床
    采用北京机床研究所与日本法兰克公司合作生产的JCS-018型立式加工中心，该机床具备无级变速，无级进给和程控自动钻削等功能。
  2. 试验用钻头
    为 了减少由于涂层前钻头的材料、精度和热处理等方面的差异对精密级麻花钻切削性能试验的影响，提高各厂家涂层工艺本身的差异对钻头切削性能的影响力，“刀检 中心”委托成都量具刃具厂统一按国家标准生产了一批共约2000支Ø8毫米的直柄精密级麻花钻，作为标本钻头，分发给各厂在本厂家的涂层设备上进行TiN 涂层，或氧氮化表面处理，然后将全部试样送到“刀检中心”，对其几何精度和表面涂层质量进行检测后，再继续进行各项试验。
    1. 几何精度的检测
      按 麻花钻国家标准(GB1436-85精密级)规定的各项几何精度与影响切削性能的钻头结构参数进行了检测，结果见附录(略)。为检验各厂涂层钻头的几何精 度是否存在显著差异，将各厂的20支涂层钻头视为一个样本，对主要精度指标进行了方差分析和比较，数据处理的结果见表一。如按1%的显著性水平查F分布 表。得F9190，(0.01)=2.506，因为F0外径=36.7>2.506，所以各厂涂层钻头的外径偏差存在差异。从精度检测的原始记录也可已看出，有些厂(如E、I、J等厂)的涂层钻头外径出现了正偏差，这是由于各厂涂层钻头的涂层厚度不一致所造成的。但F0径跳=1.11<2.506，f0钻芯=0.848<2.506，f0斜跳=0.7279<2.506。表明各厂涂层钻头的径向圆跳动、钻芯对称度及斜向圆跳动等主要几何精度之间没有显著的差异。换句话说，各厂涂层钻头在几何精度上存在的少许差异，在99%的置信度上对钻头的试验结果没有显著影响。
      表1 几何精度方差分析表
      项目变差来源平方和自由度平均平方F0
      外径偏差厂间6.2190.6936.7
      误差3.581900.0188
      径向圆跳动厂间0.051690.00571.11
      误差0.97841900.00515
      钻芯对称度厂间0.076190.008460.848
      误差1.89391900.00997
      切削刃斜向圆跳动厂间0.0016690.0001840.7279
      误差0.048141900.000253
    2. 涂层表面质量的检测
      众 所周知，涂层刀具所以具有良好的切削性能和较高的寿命，就是因为表面涂有一层TiN，而TiN涂层质量的好坏又是提高刀具切削性能和寿命的关键。因此，在 进行寿命对比试验以前，采用扫描电镜(SEM)等先进仪器对各厂家刀具的涂层表面质量、断口形貌、涂层厚度、结合强度、金相结构及表面应力等进行了全面的 检测，兹将各项检验分述如下：
      1. 涂层表面质量与断口形貌
        因为在仪器上不能直接对涂层钻头的涂层质量进行测试，因此，将高速钢试样与钻头拴在一起，同炉进行TiN涂层，然后再对试样的涂层表面质量及断口形貌等用型号JSM-35C扫描电镜进行检测，检测的结果见图1～图10的说明。

        A试样的断口形貌(×6000)
        A试样的涂层表面(×1000)
        图1 A试样的断口形貌与涂层表面
        A试样的断口为细柱形，并近似颗粒状，与基体接触部有1µm左右的小缝隙，涂层表面不太平整，平均厚度为1.95µm，表面有细小空洞存在，二次裂纹处出现稍许脱层现象。

        B试样的断口形貌(×6000)
        B试样的涂层表面(×1000)
        图2 B试样的断口形貌与涂层表面
        B试样的断口柱形不明显，与基体接触处有缝隙，涂层表面不平整，平均厚度为1.84µm。表面颗粒较A试样粗，个别处有剥落层。

        C试样的断口形貌(×6000)
        C试样的涂层表面(×1000)
        图3 C试样的断口形貌与涂层表面
        C试样的断口在与基体的接触处，为细柱形，上部颗粒较粗，平均厚度为3.24µm，表面有颗粒堆积、空洞、脱层和夹杂等。

        D试样的断口形貌(×6000)
        D试样的涂层表面(×1000)
        图4 D试样的断口形貌与涂层表面
        D试样的断口涂层的下部组织稍有疏松，呈细柱形与颗粒状，平均厚度为3.15µm。表面有个别的夹杂与脱落层。

        E试样的断口形貌(×6000)
        E试样的涂层表面(×1000)
        图5 E试样的断口形貌与涂层表面
        E试样的断口为柱形，有分层现象，与基体的接触部分有缝隙，平均厚度为3.62µm。表面有异物凸起的堆积，有小孔洞。

        F试样的断口形貌(×6000)
        F试样的涂层表面(×1000)
        图6 F试样的断口形貌与涂层表面
        F试样的断口为细柱形，有分层现象，与基体接触部分有缝隙，涂层不均匀，平均厚度为1.52µm，表面有凸起堆积，有小孔洞、夹杂，还有较大的脱层及分层剥落现象。

        G试样的断口形貌(×6000)
        G试样的涂层表面(×1000)
        图7 G试样的断口形貌与涂层表面
        G试样的断口组织下部为颗粒状，上部为细柱形。涂层的厚度不太均匀，平均厚度为1.91µm，表面有小凸起、孔洞及脱层等。

        H试样的断口形貌(×6000)
        H试样的涂层表面(×1000)
        图8 H试样的断口形貌与涂层表面
        H试样的断口组织为细柱形，涂层不平整，平均厚度为1.09µm，表面有个别的小孔洞及脱层，磨削表面的涂层不连续。

        I试样的断口形貌(×6000)
        I试样的涂层表面(×1000)
        图9 I试样的断口形貌与涂层表面
        I试样的断口为细柱形，涂层厚度均匀和平整，厚度为2.99µm。表面平整，但个别处有脱落、异物凸起及小孔洞出现。

        J试样的断口形貌(×6000)
        J试样的涂层表面(×1000)
        图10 E试样的断口形貌与涂层表面
        J试样的断口为柱形，涂层上有裂纹，涂层的厚度不均匀，平均厚度位2.99µm。表面有小孔洞，脱层较普遍，有凸起的堆积，还有个别异物。
      2. TiN涂层厚度的检测
        从各厂的涂层钻头中任意抽取两支钻头用美国进口的球压仪进行涂层厚度的检测，每支钻头上检测两点：第一点距钻头转角5mm，第二点距钻头转角25mm，检测结果见表2。
        表2 钻头TiN涂层厚度的检测结果(µm)
        厂家代号钻头编号测量位置
        距钻头转角5mm处距钻头转角25mm处
        A92.972.70
        102.702.97
        B41.801.50
        152.502.57
        C35.503.50
        115.003.24
        D103.453.45
        142.562.00
        E25.803.80
        36.204.90
        F91.050.85
        101.471.00
        G52.631.70
        202.682.28
        H141.000.99
        181.351.30
        I65.303.10
        113.302.95
        J15.254.40
        94.003.99
        注：检测仪器：⑴美国进口球压仪，转速540r/min。

        ⑵XJB-1型金相显微镜，(80X)
      3. TIN涂层结合强度的模拟检测
        从各厂的涂层钻头中任意抽取两支钻头放进250W的超声波清洗机里进行清洗检测，检测的结果见表3。
        表3 钻头的TiN涂层经250W超声波清洗机清洗后的结果
        厂家代号钻头编号清洗时间
        10分钟20分钟30分钟
        A1无涂层脱落槽尾处涂层轻微脱落槽尾处涂层轻微脱落
        2无涂层脱落槽尾处涂层轻微脱落槽尾处涂层轻微脱落
        B1槽尾处涂层轻微脱落槽尾处涂层严重脱落槽尾处涂层严重脱落
        2槽尾处涂层轻微脱落槽尾处涂层严重脱落槽尾处涂层严重脱落
        C1槽尾处涂层轻微脱落槽尾处涂层轻微脱落槽尾处涂层轻微脱落
        2无涂层脱落无涂层脱落槽尾处涂层轻微脱落
        D1沟槽上涂层有一处脱落沟槽上涂层有二处脱落槽尾处涂层脱落
        2///
        E1槽尾处涂层脱落槽尾处涂层脱落槽尾处涂层脱落
        2无涂层脱落无涂层脱落槽尾处涂层脱落
        F1刃背上涂层有一处脱落刃背上涂层有二处脱落严重刃背上涂层严重脱落
        2无涂层脱落无涂层脱落槽尾处涂层脱落
        G1沟槽上涂层严重脱落沟槽上涂层严重脱落沟槽刃背上涂层大量脱落
        2沟槽上涂层严重脱落沟槽上涂层严重脱落沟槽刃背上涂层严重脱落
        H1无涂层脱落槽尾处涂层轻微脱落无涂层脱落
        2无涂层脱落无涂层脱落无涂层脱落
        I1无涂层脱落槽尾处涂层小量脱落槽尾处涂层小量脱落
        2无涂层脱落槽尾处涂层小量脱落槽尾处涂层小量脱落
        J1有轻度锈斑多处有锈斑，沟槽涂层脱落多处有锈斑，沟槽涂层脱落
        2有轻度锈斑多处有锈斑多处有锈斑
        D厂只取一支钻头进行清洗检测
      4. TiN涂层相结构的检测
        直 接对涂层钻头的TiN涂层的相结构进行检测，很难实现，所以本检测项目也是在高速钢涂层的试样上进行。检测的仪器是YDF X衍射仪，由检测的结构表明：各厂的TiN涂层的相结构大致相同，都是TiN在(111)晶面上有较大的晶体增长择优取向，尤其以I厂的试样涂层在 (111)晶面和(222)晶面上择优取向最为明显，C、D、E、G、J厂次之。
      5. TiN涂层表面应力的检测
        TiN涂层的表面应力的检测也是在试样上进行，使用了X-82A型X射线应力检测仪，检测的结果见表4。
        表4 TiN涂层表面应力的检测结果
        厂家代号ABCDEFGHIJ
        应力值(kg/mm2)-62.4-54.7-27.1-55.7-39.3-44.8-48.1-35.5-61.5-61.1
        相关系数r0.980.980.960.980.980.980.970.990.990.97
  3. 试坯
    在 本次试验研究工作中，使用了由上海工具厂太仓分厂按工具行业标准(后来批准为JB/GQ5076-90)的规定专门制作的试坯，材料为40Cr钢，外形为 圆盘形，直径为150mm，厚度为30mm，外圆和两端面均经加工，经调质处理后的硬度为HB206-215。试验前，任意抽取了两块试坯进行化学成分、 金相显微组织分析及淬透性检测。
    1. 化学成分分析
      分析结果见表5。
      表5 试坯的化学成分分析结果
      材料名称化学成分
      CWMnCrVNiSiAlPCu
      40Cr钢0.39/0.650.95//0.26/0.0130.083
    2. 金相显微组织的检测 经检测，试坯的金相显微组织为均匀的回火索氏体，加上少量的铁素体。
    3. 试坯的淬透性检测从圆盘试坯的中间，沿轴心线剖切开，制成试样，检测剖面上各部位处(见图11)的布氏硬度，检测的结果见表6。

      图11 试坯剖面上检测硬度的部位
      表6 试坯热处理后淬透性的检测结果(HB)
      试坯编号检测部位
      1234567891011121314151617
      1205203201201206205203198198198202206205202201202206
      2215212211212216215211208207207210215215212210212216
      经检测，试坯剖面上的平均布氏硬度，1号试坯为HB207；2号试坯为HB217。

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