涂层硬质合金刀具对奥氏体不锈钢的切削特性

高东强，艾 旭，陈 威，吕政琳

（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021）

涂层硬质合金刀具对奥氏体不锈钢的切削特性

高东强，艾 旭，陈 威，吕政琳

（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021）

为了深入探究涂层硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢的切削机理，试验采用确定的进给量和背吃刀量，只改变切削速度的单因素法，来研究切削速度对奥氏体不锈钢工件加工表面质量的影响以及涂层刀具的切削机理。采用JEOL JSM-6360LV扫描电子显微镜和EDS能谱仪对工件加工表面及磨损刀片进行表面微区磨损形貌的观察分析与组成成分分析，采用X射线衍射仪对工件表面物相组成进行分析，采用激光扫描显微镜LSM对工件表面三维形貌进行观察分析。研究表明，切削速度较低时，不锈钢材料因材质较软，断屑性能较差;速度较高时，切削过程中粘着现象严重，致使摩擦剪应力较大，摩擦表面发生形变，进而诱发不锈钢的马氏体相变。因此，宜选用中速V=85m/min进行切削，在此速度下，被加工件获得的表面质量较好，表面粗糙度Ra=3.679μm。刀具磨损主要发生在前刀面靠近刀尖的部位，磨损机理主要表现为粘着磨损。研究发现，涂层硬质合金刀具在体现出一定的良好切削性能的同时也不可避免地发生了磨损，所以深入研究其切削机理能够丰富涂层刀具的切削理论，为提高涂层刀具在切削难加工材料时的刀具寿命以及拓展其在实际切削加工中的应用范围提供试验依据。

涂层硬质合金刀具;奥氏体不锈钢;干切削;切削速度;刀具磨损

1 引 言

不锈钢以其强度高、刚度好、耐腐蚀性强、耐磨性好、价格相对低廉等优异的综合性能，而被广泛应用于航空航天、化工、石油、建筑和食品等各行各业中［6-8，15，19］。其类型有很多，可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢及奥氏体不锈钢三大类，其中奥氏体不锈钢是应用最为广泛的一种［6-8，15］。但在对奥氏体不锈钢进行切削加工时，由于其具有韧性、塑性高等性能特点，切削过程中切削力大，切削表面局部温度高，加工硬化倾向大，切屑不易折断、易粘结，刀具易磨损，表面质量和精度不易保证等加工特点，因此对刀具材料的性能也提出了较高的要求［1-6，19］。

目前，常用来切削不锈钢材料的刀具除传统的硬质合金刀具外还有陶瓷刀具、涂层刀具等［2，4-5］。周建涛［15］研究了硬质合金刀具YT5、YT15、YG6X、YG6车削半奥氏体沉淀硬化不锈钢的磨损机理发现，四种刀具在切削加工过程中，随切削速度的增大，均出现了不同程度的扩散磨损、粘结磨损、氧化磨损以及边界磨损（沟槽磨损）。YT5刀具的磨损以前后刀面的粘结磨损和粘结层边界处的扩散磨损为主;YT15刀具的磨损主要体现为前后刀面磨损区域边缘处的氧化磨损和粘结层边界处的扩散磨损;YG类硬质合金刀具除了前后刀面粘结磨损和磨损区域边缘处的氧化磨损外，还因其硬度相对较低易形成后刀面的边界磨损（沟槽磨损）。全燕鸣［29］等研究了硬质合金刀具、陶瓷刀具干切削不同颗粒SiC增强铝硅基合金的性能，得出M系列硬质合金在切削粗颗粒SiC增强的铝硅基合金复合材料时磨损很快，而K系列以K01较为耐磨，K10次之;细晶粒的Si3N4陶瓷刀具切削粗颗粒SiC铝硅基合金复合材料不耐磨也不抗冷焊。戴登钊［30］研究了干切削条件下陶瓷刀具Al2O3/SiCw（AS）、Al2O3/（Ti，W）C（AT）和Si3N4/TiC（ST）切削奥氏体不锈钢时的磨损机理，发现随着切削速度的增加，AS刀具在切深处发生了比较严重的沟槽磨损，切削刃上的粘结现象显著加剧，前刀面发生了磨粒磨损以及机械载荷和热载荷共同作用下的破损;AT刀具同样在切深处发生了较严重的沟槽磨损，刀具刀尖出现崩刃现象;与AS刀具类似，ST刀具切削刃上的粘结现象显著加剧。石增敏等［35］对比自制金属陶瓷刀片与通用硬质合金刀片YG8、TN20切削奥氏体不锈钢时的切削性能曲线发现，在切削进行的前16min内陶瓷刀片的磨损量为TN20的1/3，YG8的1/5，表现出较好的耐磨性和使用性能，但随切削时间的延长陶瓷刀片的磨损加剧导致其耐磨性比TN20差，磨损机理主要表现为粘附磨损。邓建新［36］等研究了不同含量TiB2的Al2O3/TiB2陶瓷材料与硬质合金在室温滑动摩擦时的摩擦磨损特性，结果表明随着TiB2的增加（10％，20％，30％，40％）摩擦副摩擦因数减小，材料抗磨损性能增强，且陶瓷材料磨损机制主要为微观切削和断裂。

很显然，传统的硬质合金刀具以及陶瓷刀具在切削奥氏体不锈钢时，磨损均较为严重，所体现的切削性能及刀具寿命不能满足越来越高的使用要求，因此，近年来，研究者们将研究重点转向涂层刀具切削奥氏体不锈钢的切削性能。相比同种基体未涂层刀具，涂层刀具的使用寿命延长了2～3倍，加工效率（包括切削速度和进给速度）明显提高，刀具耐用度提高2～10倍，抗月牙洼磨损能力可提高5～10倍［8-9，11，14，18，37］;与普通刀具相比也具有很多优点，较高的硬度和耐磨性，且耐高温，被加工表面质量好等，尤其适合加工不锈钢、耐热合金、钛合金等难加工材料［8，13-14，20］，且利用不同方法制备的涂层性能也有所不同［38-40］。

冯振兴［13］对涂层硬质合金刀具与陶瓷刀具进行切削对比实验研究，结果表明在切削铁基高温合金的过程中，随切削速度的增大涂层硬质合金刀具磨损加剧，导致其寿命的降低。涂层刀具主要发生了前刀面月牙洼磨损和沟槽磨损，部分涂层发生脱落，当切削速度继续增大时，两种刀具均出现崩刃和片状剥离的破损。冉春华［21］利用TiN涂层刀具与未涂层的YT15硬质合金刀具进行切削对比试验，发现在用两种刀具切削低硬度40Cr钢时，随切削速度的增大，二者的切削温度均急剧上升，但在切削速度大于88m/min后，TiN涂层刀具的切削温度一直低于YT15的切削温度，而TiN涂层刀具的切削力有所下降并低于YT15的切削力，因此在高速切削条件下，TiN涂层对刀具起到了更好的保护作用，寿命较高;然而，当大量涂层被磨掉而继续切削时，刀具刀尖处磨损与YT15类似，粘着磨损严重，涂层发生氧化现象，刀具发生塑性变形磨损。陈政文［23］研究了TiAlSiN涂层硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢的切削性能，并与传统的TiN、TiAl N涂层进行对比，发现用TiAlSiN涂层刀具加工时的被加工件表面粗糙度小于另外两种刀具，原因可能是此种刀具中Si元素在高温下被氧化生成了SiO2，阻碍了奥氏体不锈钢的粘着现象。TiN涂层刀具刀尖处由于切削摩擦热的积累造成涂层局部脱落，基体产生塑性变形，同时其后刀面磨损量是三者中最大的;TiAl N、TiAlSiN涂层刀具，前者切削刃处磨损严重，后者后刀面靠近刀尖和切削刃处被加工件材料的粘着较严重。

综上所述，涂层刀具已越来越多地应用于奥氏体不锈钢的切削加工，其切削性能优于未涂层的刀具，但随着切削的进行，涂层刀具仍不可避免地发生了各种形式的磨损，从而导致刀具失效，与此同时，由于不同涂层的刀具在切削不同材料时的磨损机理不同［22，24-26］，不同研究者得出的磨损机理也不尽相同，就目前情况而言，对于涂层刀具切削奥氏体不锈钢时的切削机理研究还不够深入。因此，本试验选用以YT15硬质合金作为基体的TiAl N涂层刀具切削加工1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢材料，研究切削速度对奥氏体不锈钢工件加工表面质量的影响以及涂层刀具的切削机理，以丰富涂层刀具的切削理论，为提高涂层刀具在切削难加工材料时的刀具寿命以及拓展其在实际切削加工中的应用范围提供试验依据。

2 实验方法

试验所采用的刀片和刀杆来源均是由市面统一购买的，刀片为TiAl N涂层硬质合金刀片，TiAl N涂层是灰紫色，表面硬度为HV2800［8，19，31］。刀片基体是WC-TiC-Co类硬质合金YT15，配合常州悍狮霸数控刀具有限公司生产的型号为MTGNR/L 1616 H16的压紧式刀杆，刀片形状呈正三角形。装夹后刀具几何参数为：前角γ0=6°，后角α0=7°，刃倾角λs=-6°，主偏角κr=91°，副偏角κr′=29°，刀尖圆弧半径rε= 0.8mm。

试验选用市购的1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢棒料为切削材料，直径为50mm，长度为256mm，图1所示为奥氏体不锈钢工件表面的EDS能谱分析图，其化学成分如表1所示。

图1 不锈钢工件表面EDS能谱图Fig.1 EDS spectrum diagram of workpiece surface

表1 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的化学成分/wt％Table 1 Chemical components of 1Cr18Ni9Ti austenitic stainless steel

在C6132A1车床上进行外圆干切削试验，车削长度为80mm，采用改变切削速度的单因素法，切削用量为：背吃刀量ap=1mm，进给量f=0.1mm/r，切削速度V1=55m/min;V2=85m/min;V3=120m/min。

切削试验完成后，采用JEOL JSM-6360LV扫描电子显微镜和EDS能谱仪对奥氏体不锈钢工件加工表面及磨损刀片进行表面微区磨损形貌的观察与组成成分分析，采用X射线衍射仪对工件表面物相组成进行分析，采用激光扫描显微镜LSM对工件的表面形貌及表面加工质量进行观察分析，通过分析刀具磨损机理及切屑形态来研究涂层刀具加工不锈钢时的切削性能。

3 实验结果和讨论

3.1 切削速度对不锈钢工件表面质量的影响

图2和图3所示为不同切削速度下工件加工表面形貌图。表2中列出了不同切削速度下工件加工表面的质量分析参数。

表2 工件加工表面质量分析参数Table 2 Quality analysis parameters of the machined workpiece surface

由图2可看出，不同切削速度下的车削纹理特点均体现为：奥氏体不锈钢工件表面呈现一道道凹凸不平的犁沟，但排列较为规整，并且沿着车削进给方向（从右向左）突脊犁沟的波动幅度不断增大。在奥氏体不锈钢加工表面取长为1408.671μm的一小段表面，当切削速度为V2=85m/min时，由图2二维轮廓曲线可知，该段加工表面轮廓曲线波动范围差为27.505μm，均小于V1=55m/min时的36.578μm和V3=120m/ min时的39.742μm，而当V3=120m/min时，从曲线变化可看出，曲线波动较大，原因是车床在较高切削速度下发生振动，从而造成刀具在切削过程中的振动，导致工件加工表面质量发生变化，表面粗糙度增大。

图2 工件加工表面形貌及二维轮廓曲线（a）V1=55m/min;（b）V2=85m/min;（c）V3=120m/minFig.2 Morphology and 2d surface profile curve of the machined workpiece surface

选取工件宽度为1410.0μm，由图3不同切削速度下工件加工表面的三维形貌图可知，当切削速度为V2=85m/min时，突起的棱脊高度范围在49.7μm以下，均小于V1=55m/min时的66.3μm和V3= 120m/min时的87.2μm，在沿进给运动位移方向横向度量范围内，靠近刀尖部位车削过的工件表面光滑平整，越靠近副后刀面和副切削刃尾部刀具与工件分离处，工件加工表面相对越粗糙。

图3 工件加工表面三维形貌（a）V1=55m/min;（b）V2=85m/min;（c）V3=120m/minFig.3 Three-dimensional shape of the machined workpiece surface

激光扫描显微镜观察表明，被切削工件表面犁沟凹凸不平现象明显，图4所示为不同切削速度下，奥氏体不锈钢工件表面粗糙度柱状图，由图可知，随着切削速度的增大，奥氏体不锈钢工件表面粗糙度呈现先减小后增大的趋势。当切削速度V2=85m/min时，不锈钢加工表面粗糙度Ra=3.679μm，比V1=55m/min时的4.696μm和V3=120m/min时的6.039μm都小，是三种切削速度下工件加工表面粗糙度中最为理想的，工件加工表面是最光整的，加工表面质量最好，体现出了较好的切削性能。图5所示为刀具后刀面磨损量随切削时间的变化曲线，由图可知，当切削速度为V1=55m/min和V3=120m/min时，可能是由于刀具后刀面磨损量较大，从而加快了工件加工表面粗糙度值的增加［28］。因此，认为在中速时利用涂层硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢效果比较好。

图4 工件加工表面粗糙度Fig.4 Surface roughness of the workpiece

图5 刀具后刀面磨损量随切削时间的变化曲线Fig.5 Evolution of flank wear with the machining time

3.2 刀具磨损分析

图6所示为切削速度V2=85m/min时的工件表面背散射（BES）图（扫描电子显微镜照片），如图6（a）所示，被加工件表面质量较好，磨损并不严重。由图6（b）的局部放大图可以观察到，被加工件表面出现了凹坑，这是由于随着切削的进行，涂层刀具的刀尖处发生严重磨损（如图7所示）后，导致工件加工表面产生磨损，质量发生变化。因此，选择该切削速度时的涂层刀具为对象，进一步研究其磨损形态及磨损机理。

图6 工件表面BES图（a）工件表面BES图;（b）工件表面局部BES图Fig.6 BES diagram of workpiece surface

图7 刀具磨损形态 （a）整体磨损形态;（b）刀尖处局部放大图Fig.7 Wear morphology of the tool

利用JEOL JSM-6360LV扫描电子显微镜观察切削速度V2=85m/min时刀具的磨损形貌，利用EDS能谱仪对刀具刀尖磨损处进行成分分析，如图7、图8所示，表3所示为刀具刀尖磨损处各点的组成成分。

由图7（a）可看出，刀具刀刃有一定的钝圆，而在刀具后刀面和已加工表面间强烈的摩擦作用下，后刀面上靠近切削刃的部位被磨出后角为零的小棱面，主切削刃因为靠近工件外皮处，受工件上道工序硬化层等因素的影响，磨损也很严重。副切削刃与工件接触处形成了轻微的沟槽磨损（如图7（b）箭头所指）。如图7（b）所示，在刀具前刀面靠近刀尖处发生了明显的月牙洼磨损，且存在明显的材料粘结现象，由于不锈钢材料的粘结作用，部分月牙洼被遮挡，但仍能观察到月牙洼部分形貌。月牙洼磨损是由于切屑与前刀面在相互接触时产生剧烈摩擦作用造成磨损而形成的，当月牙洼磨损距切削刃较近时，刀刃强度下降，月牙洼不断扩展，极易发生崩刃，导致刀具寿命变短［13］。刀具前刀面磨损机理以粘着磨损为主。

图8 磨损刀具的EDS能谱图 （a）1点处的EDS图;（b）2点处的EDS图;（c）3点处的EDS图Fig.8 EDS spectrum diagram of the worn cutting tool

结合图8和表3可知，图7（b）中1点处EDS分析结果与试验所采用的TiAl N涂层硬质合金刀具的涂层成分相符合，2点处EDS分析显示Fe、Cr、Ni含量较高，且有少量的Ti，主要是不锈钢材料，由于不锈钢材料的粘着作用，刀具涂层磨损严重，因此3点处主要为不锈钢、涂层和硬质合金基体的混合成分。由此可知图7（b）中1点处为刀具涂层，2点处为不锈钢粘结层，3点处为涂层剥落后裸漏的基体材料。

表3 涂层硬质合金刀具的组成成分/wt.％Table 3 Components of coated carbide tool

根据文献［13，15］可以推断出产生以上现象的原因是，由于刀具和被加工件表面均存在许多微凸体，在切削初期，微凸体间发生剧烈摩擦，而不锈钢材料材质较软，因此刀具涂层表面的硬质颗粒对工件表面产生犁削作用，在切削高温下不锈钢易粘着在刀具表面发生材料转移;当切削继续进行时，在剧烈的摩擦作用下刀具表面粘着的不锈钢与不锈钢工件之间继续发生粘着，表面接触点上因具有较高的接触应力而发生冷焊，两表面继续相对滑动时粘着结点就会发生剪切和断裂，而剪切和断裂可能因粘着部位的加工硬化而发生在涂层内，使得部分涂层被不锈钢材料带走，并随切屑流出，也可能发生在不锈钢工件基体内使得不锈钢材料继续向刀具表面转移，粘着结点的形成和断裂的不断交替最终造成了刀具的粘着磨损。在整个切削过程中，涂层作为化学屏障和热屏障，对刀具基体起到了一定的保护作用，能在一定程度上减少刀具基体与工件间的摩擦和元素之间的化学反应，降低磨损程度，产生了一定的固体润滑的效果。

随着切削速度的增大，TiAl N涂层刀具在切削过程中产生的切削力有所下降［21］，切削温度升高。Fenglian Sun等的相关研究［32］认为，硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢在低速时，刀具前刀面未发生粘着磨损，只发生了小区域内切屑的嵌入和焊接现象;中速时，刀具磨损机理主要表现为粘着磨损、氧化扩散磨损和边界磨损;高速时，刀具前刀面发生月牙洼磨损，但未发生粘着磨损，原因是切削速度较高时，被切削工件材料还来不及发生粘结就产生了硬化现象。根据本文对涂层刀具磨损机理的研究发现，在中速时，即V2= 85m/min时，涂层刀具磨损机理主要表现为粘着磨损。

切削过程中产生的切屑的形貌随着切削速度的变化也体现出了较大的差异，如图9所示，速度较低时，由于不锈钢材料较软，断屑性能不好，切屑较长且呈螺旋状;速度较高时，切屑较小呈颗粒状，原因是在切削摩擦过程中，刀具与工件表面粘着现象严重，使摩擦剪切应力增大，在正应力和摩擦剪切应力共同作用下，摩擦表面和次表面发生形变，从而诱发了马氏体相变［34］，对切削过的不锈钢材料表面进行X射线衍射分析，XRD分析结果如图10所示，结果表明被加工工件由马氏体和奥氏体两种相组成。不锈钢材料的马氏体相变现象使得不锈钢脆性升高，因此切屑容易断裂。由于切削温度随着切削速度的增加而不断上升，因此切屑表面可能发生氧化生成氧化物而致切屑颜色变暗。

图9 不同切削速度下切屑的宏观形貌 （a）V1=55m/min;（b）V2=85m/min;（c）V3=120m/minFig.9 Macro morphology of the chip

图10 被加工表面XRD分析Fig.10 XRD analysis of the machined surface

综上所述，在利用Ti Al N涂层硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢时，选择中速切削即V2=85m/min，刀具能够获得较好的断屑性能，并不至因不锈钢粘着效应产生形变而引起太过严重的不锈钢马氏体相变，被切工件表面质量较好，表面粗糙度Ra=3.679μm。切削加工过程中涂层刀具的磨损主要发生在前刀面靠近刀尖的部位，磨损机理主要表现为粘着磨损，涂层刀具虽然体现出了一定的良好切削性能，但在不同形态磨损的综合作用下仍不可避免地发生了一定程度的磨损。

4 结 论

1.利用TiAl N涂层硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢时，切削速度对工件加工表面质量的影响较大。速度较低时，由于不锈钢材料材质较软，断屑性能较差;速度较高时，切削摩擦过程中因粘着现象严重致使摩擦剪应力较大，摩擦表面发生形变进而诱发马氏体相变，因此，应选择在V=85m/min的切削速度下进行切削加工。由表面质量分析可知，此速度下工件加工表面较光整，质量较好，表面轮廓曲线波动范围差较小，为27.505μm，表面粗糙度Ra=3.679μm，体现了较好的切削加工性能。

2.切削过程中，TiAl N涂层硬质合金刀具的磨损主要发生在前刀面靠近刀尖的部位，其磨损形态主要表现为月牙洼磨损，磨损机理主要表现为因不锈钢材料粘着效应引起的粘着磨损（粘着结点的形成与断裂不断交替所致），不同形态的磨损共同作用导致了刀具的磨损，使刀具涂层失效。

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Characteristics of Coated Carbide Tools for Machining Austenitic Stainless Steel

GAO Dong-qiang，AI Xu，CHEN Wei，LV Zheng-lin
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science&Technology，Xi’an 710021，China）

In order to further explore the wear mechanism of the coated carbide tools cutting austenitic stainless steel and to study the influence of cutting speed on the quality of machined surface，the tests were carried out by using single factor method in which only cutting speed was changing and the feed amount and cutting depth were fixed.The wear morphology of the machined surface was observed by JEOL JSM-6360LV SEM，and the composition of the machined surface and the worn surface of cutting tools were analyzed by using EDS.X-ray diffraction and LSM were also employed to analyze phase composition and three-dimensional shape of the workpiece surface，respectively.The researche shows that，because of the material softness at lower speed，the chip breaking performance of the stainless steel is poor.At high speed，however，the serious adhesion phenomenon during the cutting process cause larger friction shearing stress so that the friction surface deformation would occur，leading to the martensitic transformation of stainless steel.Therefore，it is suitable to choose a middle speed（V=85m/min）to machine austenitic stainless steel.A better quality of machined surface has been obtained and the roughness of the surface is Ra=3.679μm.Tool wear occurs mainly at therake face close to the tool nose，the major wear mechanism is adhesive wear.It can thus be seen that，coated carbide tools embody certain good cutting performance，but the wear also inevitably take place.Therefore，the further study of tool’s cutting mechanism can not only enrich the coated carbide tools cutting theory，but also provide experimental basis of improving the tool’s life when cutting hard machining materials and extend the scope of its practical application.

coated carbide tools;austenite stainless steel;dry turning;cutting speed;tool wear

TH117.1

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.021

1673-2812（2016）03-0437-08

2015-05-26;

2015-08-05

国家自然科学基金资助项目（51405278）;陕西省教育厅专项科研计划资助项目（14JK1082）;陕西科技大学引进博士科研启动基金资助项目（BJ11-0）

高东强（1960-），男，教授，博士，主要研究方向：凸轮机构的CAD/CAM、先进制造技术、材料加工工程等。

艾 旭（1991-），女，硕士研究生。E-mail：312830471@qq.com。