高速切削GH2132 涂層刀具表面及次表面性能演變研究*

楊文峰 鄭光明 高 軍 劉 濤 杜洪剛

（①山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255000；②山東兄弟商業設施有限公司，山東 泰安 271000）

GH2132 合金是一種加入Mo、Ti、Al、V 及微量B 綜合強化之后的Fe-25Ni-15Cr 基沉淀硬化型變形高溫合金，因具有高強度和極好的耐腐蝕性，且在中溫下性能優良，可代替價格昂貴的鈷基高溫合金，常用于制造在低于650 ℃長期工作的高溫承力部件[1-3]。但其熱導率低、加工硬化嚴重，屬于難加工材料，切削過程中切削力大、局部切削溫度高，刀具磨損嚴重[4]，存在加工效率低，加工表面質量差等問題。PVD 涂層刀具因表面涂層具有較高的耐高溫性和耐腐蝕性[5]，近年來被廣泛用于高溫合金的精加工。

表面粗糙度、表面顯微硬度及表面殘余應力等表面性能是影響刀具壽命的關鍵因素，表面粗糙度會影響刀具-工件間的摩擦系數，表面顯微硬度與刀具的耐磨性息息相關[6]，涂層殘余應力的大小與分布會直接影響涂層性能，進而影響刀具壽命。PVD 涂層高水平的殘余壓應力可以抑制裂紋的產生及擴展且具有較高的硬度和耐磨度，但當殘余壓應力超過臨界值會導致涂層的脆性惡化[7-8]，進而加劇刀具的磨損。調節涂層中的殘余應力分布可以限制涂層塑性變形，從而提高得刀具的抗拉強度、抗斷裂能力以及膜基結合力[9-10]，進而提升刀具的使用壽命。

近年來微拉曼光譜技術被廣泛應用于微尺度力學問題研究，因其具有快速、簡便、高效及空間分辨率高等優點，故被廣泛應用于涂層系統的殘余應力測量[11]，該技術可用于測量刀具涂層沿深度方向的殘余應力。Bernd B 等[12]利用拉曼光譜法測量了硬質合金基體上TiAlN 涂層的殘余應力分布，闡明了拉曼峰移與殘余應力狀態之間的關系；Hou M D等[13]通過拉曼光譜法測量了WC-10wt%Co 基體上TiAlN 涂層深度方向的殘余應力分布，發現適當的殘余壓應力分布能夠抑制涂層中裂紋的擴展；Tanaka M 等[14]通過拉曼光譜技術測量了高溫合金基體上涂覆EB-PVD 4mol% Y2O3-ZrO2熱障涂層（TBC）的殘余應力分布；Qiu W 等[15]利用拉曼光譜研究了多層薄膜沿深度方向上的殘余應力的分布。

目前國內外研究主要集中在涂層殘余應力對涂層性能及刀具使用壽命的影響，缺乏對實際切削過程中涂層次表面殘余應力的演變研究。本文通過PVD-TiAlN 硬質合金涂層刀具對GH2132 合金的高速干車削試驗，分析刀具在完整壽命期間后刀面的表面性能及次表面殘余應力分布的變化規律，為硬質合金涂層刀具高速干車削GH2132 合金提供理論參考和試驗依據。

1 試驗設計

1.1 工件材料與刀具材料

工件材料選擇高溫合金GH2132 的棒料，尺寸為?90 mm×300 mm，其主要物理性能及化學成分分別見表1 和表2。

表1 GH2132 物理性能

表2 GH2132 化學成分（%）

刀具為Sandvik 公司生產的硬質合金涂層刀具，牌號為SM1105，型號為CNMG120408，采用PVDTiAlN 涂層，膜厚3～4 μm，基體為硬質合金。試驗所用刀桿型為TCLNR2020K12-APT，刀具主偏角κr為95°，前角 γo為6°，后角 αo為0°，刃傾角 λs為0°，刀尖半徑為0.8 mm。

1.2 試驗方案

在上海儕潤CK6140 數控機床上進行高速干車削試驗，根據初期試驗確定車削參數：切削深度ap=0.1 mm，每齒進給量fz=0.175 mm/r，切削速度vc=120 m/min。切削現場如圖1 所示。

圖1 切削現場圖

按照刀具的磨損階段進行高速干切削試驗，獲得不同磨損階段及未磨損在內的6 組樣品，不同磨損階段刀具樣品的后刀面磨損量如圖2 所示。切削結束后，檢測不同磨損階段刀具后刀面的表面殘余應力及涂層截面殘余應力分布、表面硬度、表面粗糙度、表面形貌，分析其變化規律。

圖2 刀具各階段磨損曲線

1.3 試驗設備及測試方法

切削試驗的后刀面磨損值通過USB2000 便攜式電子顯微鏡測得。切削試驗結束后，將涂層刀具通過PL-S40 型超聲清洗器進行無水乙醇超聲波清洗30 min，通過DSX1000 型3D 數碼顯微鏡測量刀具后刀面表面粗糙度，通過HSV-1000A 型顯微維氏硬度計測量后刀面硬度。

使用金剛石刮擦同批次涂層刀具獲得零應力涂層粉末，采用DM320A 型電火花線切割機將刀具切割用于制備截面樣品，將切割后的試件用樹脂鑲嵌，通過MP-2CE 型全自動金相試樣拋光研磨機進行研磨拋光至W1.5。采用LabRAM HR evoiution 型激光拉曼光譜儀測量涂層粉末獲得零應力峰的拉曼頻移并通過面掃描數據采集方式測得后刀面切削刃位置的涂層表面及截面的拉曼光譜，通過式（1）計算得到涂層表面殘余應力及截面殘余應力分布。

式中：σ為殘余應力；?ν 為拉曼峰移；Π為應力系數。

2 試驗結果與分析

2.1 刀具表面粗糙度

切削過程中刀具表面粗糙度的變化曲線如圖3所示，可看出隨著切削長度的增加，刀具后刀面粗糙度呈增大—減小—增大的趨勢。在磨損初期，刀具與工件剛開始接觸，切削力不穩定，表面粗糙度增大。到穩定磨損階段初期，此時切削力逐漸穩定并且切削溫度上升緩慢，表面粗糙度減小。隨著車削的進行，涂層逐漸脫落，基體劃痕增多，表面粗糙度緩慢增大。到急劇磨損階段刀具的涂層基本剝落，熱障功能消失，基體暴露，受到熱載荷和機械載荷的沖擊，表面出現大量的黏結層、劃痕及溝壑，表面粗糙度急劇增大。

圖3 刀具表面粗糙度隨切削長度變化曲線

2.2 涂層表面殘余應力

切削過程中刀具表面殘余應力變化曲線如圖4所示，刀具在整個切削過程中表面殘余應力一直處于壓應力狀態（負值），且在完整刀具壽命期間表面殘余壓應力呈增大—減小—增大的趨勢。

圖4 刀具表面殘余應力隨切削長度變化曲線

切削過程中涂層刀具要承受機械載荷和熱載荷的交互作用，殘余拉應力源于熱載荷，殘余壓應力源于機械載荷。在初期磨損階段，刀具切削狀態不穩定，切削過程中刀具受到機械載荷的強烈沖擊，涂層受機械載荷作用產生塑性變形，此時機械載荷引起的塑性變形占主導地位，表面殘余壓應力顯著增大。到穩定磨損階段前期，切削狀態穩定，表面殘余應力變化不大。切削長度增加至500 m 時，處于穩定磨損階段后期的刀具切削熱聚積過多，受較高切削溫度的影響，此時熱載荷塑性變形占主導地位，殘余壓應力的釋放以及產生的拉應力抵消部分殘余壓應力，導致殘余壓應力顯著減小。到急劇磨損階段時，刀具后刀面磨損加劇，當切削長度為625 m 時，后刀面磨損量為0.364 mm，遠超磨損標準，刀具變鈍，刀具的切削狀態極不穩定，刀具切削過程中受到過大機械載荷沖擊，殘余應力受到機械載荷的影響遠大于熱載荷，導致表面殘余壓應力急劇增大。

2.3 涂層次表面殘余應力

2.3.1 未磨損涂層次表面殘余應力

圖5 所示為未磨損刀具涂層次表面殘余應力分布云圖，通過顏色漸變可看出涂層中的殘余壓應力從表面到基體逐漸增大（灰色逐漸加深）。在靠近表面的涂層區域有最大殘余拉應力（正值）為0.5 GPa，但大部分仍為殘余壓應力（負值），僅有少部分殘余拉應力；在涂層中間位置殘余拉應力已全部消失；而在靠近基體的涂層區域均為較高的殘余壓應力，且有最大的殘余壓應力為-6.2 GPa。涂層從表面到基體的橫向平均值由-2.4 GPa 增大到-5.2 GPa。

圖5 未磨損刀具涂層次表面殘余應力分布云圖

涂層內殘余應力由結構應力和熱應力組成，結構應力是涂層在沉積過程中冷凝物的強缺陷引起的，而熱應力是由基體和涂層的熱膨脹系數不同引起的，通常結構應力與熱應力性質相反，結構應力占主導地位[16]。涂層截面殘余壓應力從表面到基體遞增說明越靠近基體涂層內晶體的位錯密度越高，由晶體缺陷引起的結構應力（殘余壓應力）越大，而高密度位錯主要集中在涂層與基體的界面處。

2.3.2 不同磨損階段涂層次表面殘余應力

圖6 所示為干切削條件下不同磨損階段涂層次表面殘余應力分布，可以看出在整個切削過程中涂層深度方向殘余應力分布趨勢并沒有改變，仍是從表面到基體逐漸增大。初期磨損階段刀具受到強烈的機械載荷沖擊，涂層表面產生機械塑性變形導致壓應力增大，穩定磨損階段前期將這一現象進一步擴大，此時涂層有最大的壓應力值。到穩定磨損階段后期在較高的切削溫度的影響下基體與涂層產生熱塑性變形，由于涂層的熱膨脹系數大于基體，冷卻過程中，涂層在與基體交界處有較大的收縮差，導致涂層在靠近基體位置產生較大的殘余拉應力拉低了殘余壓應力的平均值，因此在磨損后期涂層靠近基體處的殘余壓應力沒有繼續增加反而減小了1.1 GPa。

圖6 不同磨損階段刀具涂層次表面殘余應力分布

通過分析發現，切削過程中機械載荷對涂層表面位置的殘余應力影響較大，而熱載荷對涂層靠近基體位置的殘余應力影響較大。

2.4 刀具表面顯微硬度

刀具后刀面的表面顯微硬度隨切削長度的變化曲線如圖7 所示，在完整的刀具壽命期間內呈現先增大后減小的趨勢，表面顯微硬度與表面殘余壓應力呈正比例相關，原因可能是由大量的晶體缺陷引起的表面殘余壓應力能夠抵抗硬度儀壓頭的滲透。在初期磨損階段，涂層內殘余壓應力的增大導致表面顯微硬度顯著增大，在穩定磨損階段后期涂層內殘余拉應力的產生導致表面顯微硬度不斷下降。在急劇磨損階段過后切削長度已經達到625 m，涂層的剝落導致切削刃附近基體完全暴露，此時切削刃附件表面顯微硬度基本接近刀具基體的硬度。

圖7 刀具表面顯微硬度隨切削長度變化曲線

3 結語

（1）在高速干車削過程中，刀具表面粗糙度呈先增大后減小再增大的趨勢，表面壓應力和表面顯微硬度呈正比例相關，均為先增大后減小的趨勢。

（2）刀具涂層次表面殘余應力以壓應力為主且從表面到基體逐漸增大，這一趨勢在穩定磨損階段中期之前并沒有改變，到穩定磨損階段后期，刀具受熱載荷的影響導致涂層在靠近基體位置殘余壓應力沒有繼續增大反而減小了1.1 GPa。

（3）涂層刀具的表面及次表面性能在不同磨損階段差異明顯，相較于其他磨損階段，刀具在穩定磨損階段前期有最佳的表面性能及最大的次表面殘余壓應力，此時刀具切削性能最佳，刀具磨損緩慢。