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目 前常用的刀具涂层方法以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主[1],虽然这两种方法在生产实践中已日渐成熟,但仍存在一些不足,其中 较突出的问题是刀具的表面涂层与基体间的界面结合强度较低,涂层易剥落,因此涂层不能做得太厚,以免使涂层刀具使用寿命的提高受到限制,切削中一旦涂层被 磨掉,刀具就会迅速磨损[2]。此外,涂层刀具基本上不具备重磨性,这将限制其在粗加工和大型加工设备中的应用。
为此,本文提出了利用粉末涂层法制备刀具材料的全新概念。粉末涂层法将传统涂层方法的宏观涂层变为微观涂层,在改善涂层刀具切削性能、提高刀具寿命上取得了突破性进展。
1.材料制备
选取异丙醇铝Al(C3H7O)3(北京化学试剂总厂生产,分析纯)作为前驱物,以去离子水(自制)作为溶剂,以硝酸(HNO3)作为胶溶剂。将上述原料按一定比例混合均匀,水浴恒温85℃,并施以强力搅拌,48小时后即获得均匀稳定的勃姆石溶胶。
选用含有TiC的硬质合金粉末作为基体材料。首先将粉末球磨100小时,球磨后的粉末平均粒径为1μm;再将球磨后的粉末在丙酮中进行超声波清洗,然后 在稀酸中浸泡处理;将处理后的粉末用去离子水清洗干净,加入到乙醇和水的混合溶液中,并施以强力搅拌和超声波振荡,令其分散均匀;然后加入勃姆石溶胶,继 续搅拌,使粉末表面均匀地涂覆上一层胶体;然后静置一段时间,待分层后,经抽滤、干燥即得到涂层粉末。
在涂层粉末中加入微量金属,球磨混和均匀后干燥过筛;然后将混和料装入42的石墨模具中热压烧结,烧结温度范围1450~1850℃,保温10~30min,压力为25~35MPa。热压片经切割后,磨制成刀片。
2.切削试验
FTC1和FTC2两个牌号的粉末涂层刀具材料的平均抗弯强度分别达到800MPa和1000MPa,平均硬度达到1900HV和2000HV以上,平均断裂韧性都达到了5.0MPam1/2,完全可以作为刀具材料使用。
(1)试验条件
切削试验用机床为C620-1普通车床改装的无级变速车床;工件材料为T10A淬硬工具钢(硬度55~61HRC);刀具材料分别为粉末涂层材料 FTC1、FTC2,陶瓷材料LT55、SG4,硬质合金YT15和氧化铝-碳化钛复合涂层刀片YB01;刀具几何角度分别为 κr=75°,γo=-5°,λs=-5°,βo=90°,εr=90°;干式切削。
(2)试验结果
图1所示为FTC1、LT55和YT15三种刀具在v=75m/min,ap=0.15mm,f=0.1mm/r的切削条件下切削工件时后刀面的磨损情 况。由图可见,由于工件材料较硬,当切削长度为530m时,YT15的后刀面磨损已达0.58mm,无法继续切削;而LT55和FTC1在切削长度达 2650m时,后刀面磨损仅为0.3mm,两者的磨损情况相似,FTC1的磨损比LT55还要轻微一些。
图1
图2所示为SG4和FTC2两种刀具在v=190m/min,f=0.1mm/r,ap=0.15mm的切削条件下切削工件时后刀面的磨损情况。由图可 见,FTC2的抗磨损性能不及SG4,当切削长度达到1892m时,FTC2的刀尖出现微小崩刃。因此,在较高切削速度下切削淬硬材料时,FTC2的抗磨 损和抗破损能力均不如SG4。
图3所示为YB01、FTC1和FTC2三种刀具在v=71.5m/min,f=0.1mm /r,ap=0.15mm的切削条件下切削工件时后刀面的磨损情况。由图可知,在较低切削速度下切削淬硬材料时,YB01的初期磨损较小,但正常磨损阶段 比FTC1和FTC2短,当切削长度达到520m后就进入急剧磨损阶段。此外,YB01在切削过程中前刀面有贝壳状剥落,可能是在切削力较大时涂层被挤裂 失效。而FTC1和FTC2在切削速度较低时一般不发生破损。当YB01的后刀面磨损达到0.3mm后,由于切削时涂层不再起作用,刀尖变钝,加工表面也 变得粗糙,基本无法继续切削。可见新型粉末涂层刀具的使用寿命比YB01至少可提高一倍以上。
图2
图3
3.结论
(1)采用溶胶-凝胶法研制的新型粉末涂层刀具FTC1,FTC2的切削性能明显优于普通硬质合金刀具,与陶瓷刀具接近。
(2)粉末涂层刀具在较低切削速度下切削高硬度材料时,切削平稳轻快,一般不会出现崩刃现象,其主要失效形式为磨损;而在较高切削速度下切削高硬度材料时,其损坏形式在初期表现为磨损,随着切削的继续进行,刀具磨损到一定程度时会发生破损。
(3)在较低切削速度下切削淬硬材料时,粉末涂层刀具的初期抗磨损能力较氧化铝表面涂层刀具YB01差,但切削中YB01很快进入急剧磨损阶段,此时 FTC1和FTC2的使用寿命至少比YB01提高一倍以上。由此可知,陶瓷粉末涂层硬质合金刀具材料既具有涂层刀具的优越性,又比表面涂层刀具具有更好的 切削性能。
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