概述在奧氏體不銹鋼的加工中，硬質合金刀具耐用度主要是取決于后刀面邊界磨損而不是主切削刃后刀面的平均磨損量。本文針對奧氏體不銹鋼SUS304(JIS標準，含Cr19%，含Ni9%，與GB的0Cr19Ni9相似)的加工進行研究分析。SUS304的機械加工性能較差，在不銹鋼類別中亦屬難加工的材料。包括SUS304在內不銹鋼的主要特性如下：在一般的...
1.概述
在奧氏體
不銹鋼的
加工中，硬質
合金刀具耐用度主要
取決于后刀面邊界磨損而不是主
切削刃后刀面的平均磨損量。本文針對奧氏體不銹鋼SUS304(JIS標準，含Cr19%，含Ni9%，與GB的0Cr19Ni9相似)的加工進行研究分析。SUS304的
機械加工
性能較差，在不銹鋼類別中亦屬難加工的
材料。包括SUS304在內不銹鋼的主要特性如下：
在一般的加工硬化基礎上伴隨著馬氏體相變而產生的材質硬化，表面硬度可達到HV400。因此，在切削加工中，處于切削表面附近的切削刃口極易損傷，造成比后刀面平均磨損大數倍的邊界磨損或大面積崩刃；
熱傳導率很低。與低碳鋼相比，100℃時只為其1/2，900℃時僅為其1/3。因此，在各種切削速度下，其切削溫度均較45鋼高出100℃以上；
由于材料具有相當大的韌性和強度，加工中很容易與刀具發生粘連。
從切削力分布不均勻狀況以及切削溫度高等特性可以看出，不銹鋼的切削加工性很差，而邊界部溝槽狀磨損將決定刀具耐用度的優劣。
本文對物理涂層(PVD)硬質合金刀具在奧氏體不銹鋼的車削及銑削加工中的情況進行了研究。為探討刀具的耐用度，基體材料分別為M20、K20和Z20硬質合金，涂層材料分別采用TiN、Ti(C，N)和(Ti，Al)N。為保證排屑通暢，在車削中采用具有特殊斷屑槽的機夾可轉位刀片；在銑削中，為降低切削力采用大前角
銑刀。
2.試驗步驟
2.1 車削試驗
被加工材料為含Cr19%、Ni9%的奧氏體不銹鋼SUS304。車削試驗采用PTGNLN3225P16刀桿和無后角的TNMG160408-SF機夾可轉位刀片(見圖1)。
切削
數為切削速度v＝100m/min，進給量f＝0.25mm/rev，切削深度d=2mm，濕式切削。
2.2 銑削試驗
銑削試驗采用大前角圓盤銑刀“超輕快”DSG45-4100R(φ100mm，5齒)，其軸向前角為+30°，徑向前角-2°，主偏角+45°，銑刀片SGHN1203AZN-21的后角+30°(見圖2)，切削參數為切削速度v＝138m/min，進給量f＝0．2mm/齒，切削深度d＝2mm，切削寬度w＝77．5mm，干式切削。
2.3 刀具材料
所用機夾刀片的基體材料分別為M20、K20和Z20，其特性如硬度、抗彎強度(T.R.S.)、破壞韌性值及矯頑磁力(Hc)如表1所示。PVD涂層分別采用TiN、Ti(C，N)和(Ti，Al)N，涂層厚度2～4µm。CVD涂層分別采用TiC、Ti(C，N)、Al2O3和TiN多層復合涂層，涂層厚度為5～7µm和12～14µm兩種。每次切削一定時間或一定
度后，測量包括主要邊界磨損在內的最大后刀面磨損，同時還測量了PVD涂層的硬度(HRA)、氧化溫度及其磨擦系數。
表1 M20、K20、Z20的物理性能和微觀結構
3. 結果及分析
3.1 車削加工中材料的適用性
圖3是未涂層材料M20、K20和Z20車削5分鐘后的切削刃狀況。由前述可知，M20邊界溝槽磨損比K20和Z20要小。而且M20材料前刀面磨損的抗粘刀性能也比K20和Z20好。
一現象與傳統的不銹鋼切削理論相吻合，可以認為是由于未涂層材料中合金組成、材料的韌性、耐熱性能以及硬質合金顆粒大小不同而造成的。
圖4為Z20、K20和M20基體加(Ti，Al)N涂層后切削刃的損傷狀態。圖5是M20、K20和Z20基體上分別有PVD涂層TiN、Ti(C，N)或(Ti,Al，)N的邊界溝槽磨損
曲線。從曲線中可以看出，在各種情況下PVD涂層都顯示出對耐邊界溝槽磨損特性有較大改善。對于同種涂層的不同基體，由于Z20的WC顆粒更細，矯頑磁力更大(如表1所示)，其PVD涂層效果比M20和K20更好。這一現象不同于前述未涂層材料的情況，其原因如圖6所示。基體的硬質合金顆粒大小對基體與涂層之間的結合強度有很大影響，在超微粒基體上涂層，涂層結合面積大且均勻，其抗劃痕能力比其它材料高出20%以上。對同一種硬質合金基體材料，(Ti,Al)N涂層比TiN和Ti(C，N)涂層顯示出了更好的耐邊界溝槽磨損性能。這是由于(Ti，Al)N的氧化溫度比TiN和Ti(C，N)更高的緣故(如表2、圖7所示)。由此可以認為，在相對低速(線速度在150m/min以下)的車削中，(Ti,Al)N PVD涂層是非常適合于不銹鋼切削的刀具材料。
圖3 未涂層材料M20、K20和Z20切削刃損傷狀態
圖4 Z20+Ti AlN(JC5015)與其它復合
涂層材料的切削刃損傷狀態比較
圖5 車削SUS304時PVD涂層的邊界溝槽磨損曲線
圖6 各種基體上(Ti,Al)N涂層的抗
劃痕(scratch)載荷試驗的結果
圖7 各種涂層材料氧化量的比較
表2 TiN,Ti(C,N)和(Ti,Al)N涂層的物理性能
另外，圖8為相對高速切削時CVD涂層的耐磨性能比較。PVD涂層由于其鍍膜耐熱性能比CVD涂層差，切削刃磨損往往并不是由邊界溝槽的增大所決定。所以，高速切削時CVD涂層顯示出更好的性能。但普通多層厚膜CVD涂層由于熱沖擊容量小、涂層由于基體的塑性變形而容易剝落等原因，并不適用于不銹鋼的高速加工。薄膜涂層則要求鍍膜具有較高硬度的同時，鍍膜基體具有較高的附著性能。因此，圖中所示的以TiN為緩沖層、以TiCN及Al2O3為耐磨耐化學反應層的組合薄膜涂層(JC1341)是適合不銹鋼高速切削的材料。另外，CVD涂層由于其鍍膜韌性較低和基體材料在涂層過程中的脆化，在相對低速的加工中，其耐沖擊性能不如PVD涂層。故相對低速的加工中，PVD涂層比CVD涂層顯示出更優的性能。
由以上的結果可知，不銹鋼同時也是耐熱合金等低熱傳導率材料的車削加工對刀具材料的要求為：
有足夠高的硬度以減小基體的塑性變形，這與下述(2)有共性，即要求基體材料顆粒微小化，但同時必須盡量減少基體材料中粘接劑Co等含有率，以提高其耐熱性能；
基體材料顆粒微小化以增加涂層附著面積和強度；
涂層需有足夠的化學穩定性(抗氧化性)。
基于以上分析，可以得到如下結論：Z20＋（Ti，Al)N涂層(JC5015)對于不銹鋼的相對低速(150m/min以下)車削加工是最優化的組合。
3.2 銑削加工中材料的適用性
圖9是未涂層材料M20和Z20銑削時的切削刃狀況。與車削一樣，M20耐邊界磨損比Z20好。但由圖10顯示的M20、K20和Z20的PVD涂層TiN、Ti(C,N)或(Ti,Al)N材料的邊界溝槽磨損曲線來看，在同一種涂層的各種基體中，由于Z20的PVD涂層比M20和K20的PVD涂層耐邊界磨損的性能要好。另一方面，Z20的(Ti,Al)N和Ti(C,N)涂層比TiN涂層耐邊界磨損性能要好，其理由與車削加工相同。Ti(C，N)涂層與(Ti,Al)N涂層性能相近，其原因如圖11和表3所示。Ti(C，N)鍍膜比(Ti,Al)N鍍膜具有更高的抗沖擊強度，同時其鍍膜內部的壓縮應力高達1.65GPa，亦比(Ti,Al)N高出近20%。在這方面它彌補了在車削中其抗氧化能力差等方面的不足，顯示出具有與(Ti,Al)N幾乎相同甚至稍好一些的銑削加工性能。
圖9 未涂層材料的切削刃
圖10 銑削SUS304時PVD涂層的邊界溝槽磨損曲線
圖11 Z20基體上各種PVD鍍膜抗沖擊強度的比較
表3 Z20基體上PVD涂層的各種鍍膜內部殘留應力的比較
另外，在銑削加工中，切削刃的磨損和缺損一般是因刃口熱裂紋的擴散傳播所致。所以，對不銹鋼這種在加工過程中產生高溫的被加工材料，CVD涂層材料由于其自身的脆性而顯得不太適合。
4.結論
從以上試驗結果可知，無論車削和銑削加工，針對生產現場集約刀具材料的要求，超微粒硬質合金Z20基體加上(Ti,Al)N的PVD涂層，在切削奧氏體不銹鋼時具有良好的耐邊界溝槽磨損性能，可以說是目前加工不銹鋼、耐熱鋼等難加工材料較為理想的刀具材料。
