涂层硬质合金刀具磨损机理的研究

涂层硬质合金刀具磨损机理的研究

许朝兵 许朝山 张玉风 向栋福

河北株冀硬质合金有限公司  河北省精密数控刀具技术创新中心

摘要：涂层硬质合金刀具的结构通常由硬质合金基体和涂层材料组成。涂层材料的种类繁多，不同的涂层工艺如物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）赋予了刀具不同的性能。涂层刀具具有高硬度、良好的耐磨性和热稳定性等特点。本文对涂层硬质合金刀具的磨损机理进行了深入研究。首先介绍了刀具磨损的类型与特征，如正常磨损的前刀面、后刀面和边界磨损，以及非正常磨损的崩刃、剥落和裂纹扩展。然后分析了影响涂层硬质合金刀具磨损的因素，涵盖切削参数、工件材料、刀具几何参数和切削液。最后重点探讨了涂层硬质合金刀具磨损的机理，包括涂层的磨损机制、基体的磨损机制以及涂层与基体的交互作用对磨损的影响。

关键词：涂层硬质合金刀具；磨损机理；切削参数；工件材料

一、涂层硬质合金刀具磨损的类型与特征
（一）磨粒磨损

磨粒磨损是涂层硬质合金刀具常见的磨损形式之一。在切削过程中，工件材料中的硬质点或切屑中的微小颗粒会在刀具表面产生划痕和沟槽，导致刀具材料逐渐流失。磨粒磨损通常在刀具的前刀面和后刀面上表现为均匀的磨损痕迹。
（二）粘结磨损
当刀具与工件材料在高温高压下接触时，两者之间会发生原子扩散和化学键合，形成粘结层。在切削力的作用下，粘结层会从刀具表面脱落，造成粘结磨损。粘结磨损主要发生在刀具的切削刃附近，表现为局部的剥落和凹坑。
（三）扩散磨损
在高温环境下，刀具材料中的元素会向工件材料中扩散，同时工件材料中的元素也会向刀具中扩散，导致刀具的化学成分发生变化，从而降低其硬度和耐磨性。扩散磨损通常在刀具的高温区域较为明显，表现为刀具表面的硬度下降和组织变化。
（四）氧化磨损
在切削过程中，刀具表面与空气中的氧气发生化学反应，形成氧化膜。氧化膜的不断生成和剥落会导致刀具材料的损耗。氧化磨损在高速切削和高温环境下较为严重，表现为刀具表面的颜色变化和氧化层的脱落。
（五）疲劳磨损
由于切削过程中的交变应力作用，刀具表面会产生微观裂纹，并逐渐扩展，最终导致刀具的断裂或剥落。疲劳磨损通常在刀具的切削刃和刀尖处较为常见，表现为细小的裂纹和碎片的脱落。
    二、涂层硬质合金刀具磨损的影响因素
（一）切削参数
切削速度、进给量和切削深度等切削参数对涂层硬质合金刀具的磨损有着显著的影响。较高的切削速度可能导致刀具与工件材料之间的摩擦和热量增加，从而加速刀具的磨损。过大的进给量和切削深度会使切削力增大，刀具承受的载荷增加，进而加剧磨损。合理选择切削参数是控制刀具磨损、提高刀具寿命的关键。
    （二）工件材料

工件材料的物理、化学和力学性能对刀具磨损影响重大。例如，硬度高、强度大、热导率低的工件材料在切削过程中容易产生较高的切削温度和切削力，使得刀具磨损加快。此外，工件材料中的化学成分，如一些合金元素和杂质，可能会与刀具材料发生化学反应，形成磨损加剧的化合物。
（三）刀具几何参数
刀具的几何参数，如前角、后角、刃倾角等，直接影响切削过程中的切削力、切削温度和切屑的流动状态。较大的前角可以减小切削力和切削热，但会降低刀具的强度；较小的后角能增加刀具的强度，但会使后刀面与工件之间的摩擦增大。优化刀具几何参数能够有效降低刀具磨损。
    （四）切削液
切削液在切削过程中起到冷却、润滑和排屑的作用。使用合适的切削液可以降低切削温度，减少刀具与工件、切屑之间的摩擦，从而减轻刀具的磨损。不同的切削液类型和使用方式对刀具磨损的抑制效果也有所不同。
    三、涂层硬质合金刀具磨损的机理分析
    （一）涂层的磨损机制
涂层在切削过程中承受着复杂的机械应力、热应力和化学应力。当这些应力超过涂层的强度极限时，就会导致涂层的剥落和裂纹形成。例如，在高速切削时，由于瞬间产生的高温和剧烈的热冲击，涂层内部会产生热应力集中，从而引发裂纹。此外，切削过程中的冲击载荷也可能使涂层表面出现微观剥落现象。另外，涂层与基体之间的结合强度直接影响刀具的性能和寿命。如果结合强度不足，在切削力和热的作用下，涂层容易从基体上剥离，导致刀具失效。结合失效的原因可能包括涂层制备过程中的工艺缺陷、涂层与基体材料的热膨胀系数不匹配以及切削过程中的热循环等。
    （二）基体的磨损机制
1.粘着磨损
当刀具与工件材料接触时，在高压和高温的作用下，两者表面的原子会相互扩散和粘结，形成粘着结点。在切削力的作用下，粘着结点会发生破裂，导致刀具表面的材料被带走，从而产生粘着磨损。粘着磨损的程度与刀具和工件材料的亲和性、切削温度和压力等因素有关。
    2.磨粒磨损
在切削加工的过程中，工件材料内部所存在的硬质点，抑或是切屑当中的硬颗粒，会在刀具的表面进行划过。在此过程中，会产生微观层面的切削作用以及犁沟作用，进而致使磨粒磨损现象的出现。刀具材料自身的硬度高低和韧性强弱，以及切削所处环境当中颗粒的硬度大小和数量多少，都会对磨粒磨损的严重程度产生重要影响。当刀具材料的硬度相对较低时，其抵抗硬质点或硬颗粒切削的能力就会较弱，容易在较短时间内出现明显的磨粒磨损。而刀具材料韧性不足，则可能在受到硬颗粒冲击时发生崩裂，加速磨损进程。同时，如果切削环境中存在大量高硬度的颗粒，刀具表面受到微观切削和犁沟作用的频率就会大幅增加，使得磨粒磨损更为严重。

    3.扩散磨损
在高温条件下，刀具和工件材料中的元素会相互扩散。例如，刀具当中的碳、钨等元素会朝着工件方向扩散，而工件中的铁、镍等元素则会朝着刀具方向扩散。这种元素之间的扩散行为，会改变刀具表面原本的化学成分以及组织结构。刀具表面化学成分的改变，会导致其硬度下降，原本具备的良好切削性能受到削弱，进而使得磨损情况加剧。尤其是在长时间处于高温切削的工况下，元素扩散的程度不断加深，刀具硬度持续降低，磨损速度会不断加快，严重影响刀具的使用寿命和切削加工的质量。
    4.氧化磨损
在高温切削环境中，刀具表面会与空气中的氧气发生氧化反应，形成氧化膜。如果氧化膜能够稳定存在并起到保护作用，可以减缓磨损；但如果氧化膜在切削力的作用下不断破裂和脱落，就会加速磨损。氧化磨损的程度取决于切削温度、氧气浓度和刀具材料的抗氧化性能。
    （三）涂层与基体的交互作用对磨损的影响

涂层与基体之间的交互作用对刀具的磨损行为有着重要的影响。一方面，涂层可以起到保护基体的作用，减少基体与工件材料的直接接触，从而降低基体的磨损程度。例如，高硬度的涂层可以有效地抵抗磨粒磨损和粘着磨损，提高刀具的耐磨性。另一方面，涂层与基体之间的热膨胀系数差异、弹性模量差异以及结合强度等因素也会影响刀具的整体性能。如果涂层与基体之间的热膨胀系数差异较大，在切削过程中的热循环作用下，容易产生热应力，导致涂层开裂或剥落，从而加速刀具的磨损。此外，如果涂层与基体的结合强度不足，在切削力的作用下，涂层容易从基体上剥离，使基体直接暴露在切削环境中，加剧基体的磨损。

结束语

综上所述，涂层硬质合金刀具的磨损是一个复杂的过程，受到多种因素的综合影响。深入研究其磨损机理，对于优化刀具设计、选择合理的切削参数和提高加工效率具有重要意义。未来的研究应进一步探索新的涂层材料和工艺，以提高涂层硬质合金刀具的性能和使用寿命。

参考文献

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