1、高速鋼屬萊氏體鋼，含有大量合金元素，冶煉后形成大量一次共晶碳化物和二次碳化物（約占成分總量的18%22%）,這對高速鋼刀具的淬火質量及使用壽命有很大影響。高速鋼淬火溫度接近熔點，淬火后組織中仍有25%35%的殘余奧氏體，致使高速鋼刀具容易產生裂紋和腐蝕。下面分析影響高速鋼刀具淬火裂紋和腐蝕的原因，并提出相應預防措施。1高速鋼原材料的冶金缺陷高速鋼中所含大量碳化物硬而脆，為脆性相。一次共晶碳化物呈粗大骨骼狀（或樹枝狀）分布于鋼基體內。鋼錠經開坯壓延和軋制后，合金碳化物雖有一定 程度的破碎和細化， 但碳化物偏析依然存在， 并沿軋制方向呈帶狀、全網狀、半網狀或堆積 狀分布。碳化物不均勻度隨原材料直徑

2、或厚度的增加而增加。共晶碳化物相當穩定，常規熱處理很難消除，可導致應力集中而成為淬火裂紋源。鋼中硫、磷等雜質偏析或超標也是導致淬裂的重要原因。高速鋼的導熱性和熱塑性差、變形抗力大，熱加工時易導致金屬表層和內層形成微裂紋，最終在淬火時因裂紋擴展而導致材料報廢。大型鋼錠在冶煉、軋制或鍛造等熱加工過程中形成的宏觀冶金缺陷如疏松、縮孔、氣泡、偏析、白點、樹枝狀結晶、粗晶、 夾雜、內裂、發紋、大顆粒碳化物及非金屬夾渣等均易導致淬火時應力集中，當應力大于材料強度極限時便會產生淬火裂紋。預防措施為：選用小鋼錠開坯軋制各種規格的刀具原材料；選用二次精煉電渣重熔鋼錠，它具有純度高、雜質少、晶粒細、碳化物小、組

3、織均勻、無宏觀冶金缺陷等優點；對不合格原材料進行改鍛，擊碎材料中的共晶碳化物， 使共晶碳化物不均勻度 W3級；采取高溫分級淬火、再高溫回火的預處理工藝，通過精確 控溫等措施，可有效避免高速鋼原材料冶金缺陷引起的淬火裂紋。2高速鋼過熱、過燒組織高速鋼過熱、過燒組織的特點為晶粒顯著粗化，合金碳化物出現粘連、角狀、拖尾狀及沿晶界呈全網狀、 半網狀或連續網狀分布； 鋼組織內部局部熔化出現黑色組織或共晶 萊氏體，形成過燒組織， 顯著降低晶間結合力和鋼的強韌性。引起高速鋼過熱、過燒組織的主要原因有：淬火加熱溫度過高，測溫和控溫儀表失準；鹽浴爐淬火加熱時，因鹽浴表面煙霧導致輻射高溫計測溫出現誤差；變壓配電盤

4、磁力開關失靈；刀具加熱時離電極太近或埋入爐底沉積物中；原材料存在大量角狀碳化物或碳化物不均勻度等級太高等。高速鋼過熱、過燒組織極易導致淬火裂紋。預防措施為：嚴格控制原材料質量，共晶碳化物級別應w廣3.5級；原材料入庫和投產前應作金相檢查，確保無宏觀冶金缺陷；刀具淬火加熱 前用試片校驗高溫鹽浴爐，檢查晶粒等級與淬火加熱溫度的關系是否合理（參見表1）;采用微機控溫與測溫， 測溫精度達到±1.紀。表1 W6Mo5Cr4V2高速鋼碳化物級別與過熱淬火 加熱溫度共晶碳化物 不均勻度等級 出現過熱（晶粒度8#）的 淬火溫度 （±5）3奈狀斷口泰狀斷口是高速鋼常見的組織缺陷，斷口呈魚鱗狀

5、，類似大理石，具有蔡的光澤，斷口極粗糙，晶粒粗大（可達？1mm）。由于材料脆性大，強韌性低，高溫奧氏體化淬火時容易形成淬火裂紋。在熱鍛、軋制、壓延等熱加工時，經10501100 c高溫奧氏體化，熱塑性變形在 5%10%臨界變形、精鍛溫度不當及重復淬火時未經中間退火（或退火不充分）等因素均易形成蔡狀斷口，導致淬火裂紋。預防措施為：合理選擇精鍛溫度，嚴格控制終鍛溫度（W1000）,鍛后緩冷；鍛坯淬火前應充分退火；避免在5%10%臨界變形；進行超晶粒細化處理等。 采取以上措施可有效抑制高速鋼蔡狀斷口的形成， 避免產生淬火裂紋。4機械設計 與冷加工不當引起應力集中刀具厚薄不均、因棱角、銳邊、尖角、溝槽

6、、孔、凸臺等形狀突變而產生缺口效應以及冷加工表面粗糙、刀紋較 深、存在碰傷及打標記等均可導致高速鋼刀具淬火時應力集中，從而誘發淬火裂紋。如刀具淬火前存在較大冷加工內應力（尤其是磨削內應力）未予消除，在淬火加熱和冷卻時將形成多 種應力疊加，當疊加應力超過材料強度極限時，將產生淬火裂紋和畸變。預防措施為：改進刀具設計，使刀具形狀合理、厚薄均勻。厚處可開工藝孔，薄處可增加肋條，變形懸 殊處可制成斜坡；將刀具的棱角、直角、尖角倒圓，孔口處倒角；冷加工表面光潔度應 達到設計要求,防止產生粗大刀紋， 用萬能筆書寫標記； 淬火前通過退火消除冷加工內應力；采用熱浴分級淬火、 等溫淬火等工藝減少組織應力和熱應力

7、，避免應力集中。5淬火內應力與淬火冷卻介質高速鋼的組織應力、熱應力和附加應力均為淬火內應力。對高速鋼進行高溫奧氏體化淬火時，過冷奧氏體轉變為淬火馬氏體，由于前者比容小，后者比容大，鋼從收縮狀態逆轉為膨脹狀態，金屬內外層相變引起的比容變化不同時性產生的內應力為組織應力。大型刀具的表面和中心以及厚薄不同處因加熱和冷卻速度不一致形成溫度差， 導致體積膨脹與收縮不同而產生的內應力為熱應力。刀具表面和內部 組織結構 不均勻以及工具內部彈性變形不一致形成的內應力為附加應力。當以上三種應力之和大于材料的破斷抗力時，則形成淬火裂紋。當淬火冷卻介質冷速過大，超過該鋼種的臨界淬火冷速時，則易形成較大的淬火內應力，

8、導致刀具淬裂。當淬火冷卻介質冷速過小，小于該鋼種臨界淬火冷速時， 則得不到所需組織性能。 獲得淬火馬氏體轉變的最小冷卻速度為臨界淬火冷卻速度。高速鋼淬透性極佳，中小型刀具空冷即可淬硬。但用硝鹽進行等溫淬火時，如硝鹽含水過量，可能造成淬火冷卻速度過大， 或當刀具淬火未冷至室溫即轉入水中清洗，可使大量過冷殘余奧氏體在水中高冷速下轉變為淬火馬氏體，從而產生大的淬火內應力，導致刀具淬裂。預防措施為：選用在鋼的 C曲線拐點處（鼻部）快冷、在鼻部Ms點以下緩冷的淬火介質（如氫 化鈣飽和水溶液、C?-1有機淬火劑、聚乙烯醇水溶液、高鎰酸鉀淬火液等）作為理想淬火冷卻介質；采用熱浴（硝鹽浴、堿浴等）分級淬火、等

9、溫淬火以及淬火前預處理等措施，細化 組織，消除冷、熱加工應力，可有效預防和避免淬裂和刀具淬火畸變。6氫脆 高速鋼刀具酸洗、電鍍時侵入鋼中的初生態氫 （H）原子轉變為氫分子（H2）時將發生膨脹，產生巨 大壓力，導致在鋼的晶界上發生龜裂，稱為氫脆。酸洗是金屬氧化物與酸的化學反應，它使金屬氧化物變為可溶性鹽而脫離金屬表層。淬火高速鋼有強烈的酸洗氫脆龜裂傾向。預防措施為：酸洗時，如產生過量初生態氫原子（H）,則需嚴格控制酸液濃度、溫度和酸洗時間；刀具酸洗和電鍍后及時用凈水沖洗和中和殘酸，并在4小時內進行190200cx 24h的低溫時效，使氫氣釋放，可有效消除氫脆龜裂。7冷處理裂紋高速鋼刀具經高溫奧氏

10、體化，保溫后在大于或等于該鋼種的臨界冷卻速度下淬火得到淬火馬氏體組織，但尚有部分過冷奧氏體未轉變，成為殘余奧氏體（AR）（約占25%35%）。若再進行-60C-160C的液氮冷處理，則可使殘余奧氏體轉變為馬氏體（M）。由于殘余奧氏體比容小，馬氏體比容大，鋼件發生膨脹，將產生較大的二次淬火相變組織應力，并與一次淬火應力疊加，當疊加 應力大于該鋼種的破斷抗力，則會產生冷處理二次淬裂。預防措施為：冷處理前將淬火刀具用100c沸水煮3040分鐘，或低溫回火1小時。試驗表明，此方法可消除20%30%的淬火內應力。由于殘余奧氏體稍趨穩定，經冷處理后仍可保留2%5%。殘余奧氏體既脆又韌，可吸收馬氏體的急劇膨

11、脹能量，松馳及緩和相變應力； 冷處理后將刀具放入室溫水（或熱水）中升溫，可消除 50%60%的冷處理二次淬火應力；采用多次高溫回火等措 施，促使殘余奧氏體轉變為馬氏體，可有效預防冷處理裂紋。8磨削裂紋高速鋼磨削裂紋常發生在磨削加工過程中，裂紋細而淺（深度不到1mm）,呈輻射網狀分布于表面，大多與磨削方向垂直，類似淬火網狀裂紋，但形成原因不同。當磨削速度較高、進給量較大、 冷卻不良時，可使鋼件表層金屬溫度急劇升高至淬火加熱溫度，隨后冷卻即形成金屬表層二次淬火，產生二次淬火應力；當材料存在嚴重的碳化物偏析未予消除，或淬火刀具中存在較多殘余奧氏體未被轉變，在磨削加工時則易發生應力誘發相變，促使殘余奧

12、氏體轉變為馬氏 體，使組織應力增大，并與磨削加工二次淬火應力相疊加，形成二次淬火表層磨削裂紋。預防措施為：降低磨削速度和進給量，選用緩和磨削冷卻液；嚴格原材料入庫和投產前檢查，控制材料共晶碳化物級別（W皴），超過3級者應進行改鍛；避免過高奧氏體化淬火加熱溫度，采用 計算機控溫,采用熱浴分級淬火、 等溫淬火、多次高溫回火等措 施降低組織應力、熱應力和殘余奧氏體數量等，可有效避免磨削裂紋。9電火花線切割加工顯微裂紋火花放電加工時，被熔化的金屬有一部分殘留在放電點的電蝕坑周圍。由于電火花加工在油或水中進行，因此脈沖放電結束后熔化金屬迅速冷卻凝固，因收縮而產生較大拉應力，使原應力場重新分布，形成厚度

13、0.020.10mm的熔化變質層。該變質層為 樹枝狀結晶鑄態組織，冷卻后形成二次高溫淬火硬化層，生成大量極穩定的殘余奧氏體。變質層收縮產生的拉應力與變質層二次高溫淬火應力相疊加，在變質層上形成顯微裂紋，且隨著電火花加工電氣參數的加大而加深擴大。預防措施為：在電火花 線切割加工前應充分消除刀具內應力；嚴格控制線切割電氣參數；留足磨削及拋光的加工余量，通過后續加工去除變質層；通過 150200cx人4h油浴消除應力回火，防止電火花加工時產生 顯微裂紋。10回火不當引起二次淬火裂紋高速鋼刀具具有高溫回火二次硬化特性。第一次馬氏體淬火后保留了較多殘余奧氏體，高溫回火時，在回火冷卻過程中殘余奧氏體相變為

14、馬氏體，若在水中或油中快速冷卻，形成二次淬火馬氏體時將產生較大淬火內應力；如回火時采用火焰或高頻快速加熱，表層金屬將發生收縮， 而內部依然為馬氏體組織，因比容大而處于膨脹狀態， 從而使表層產生較大拉應力，與一次、二次淬火應力疊加，導致因回火不當引起二次硬化淬火裂紋。刀具表面脫碳會加速裂紋的形成。預防措施為：在保護氣氛爐、真空電爐和經充分脫氧的鹽浴爐中加熱刀具，可防止氧化脫碳；淬火刀具冷卻至該鋼種Ms點附近時取出轉入緩和冷卻介質中，宜在硝鹽熱浴、堿熱浴中分級淬火、等溫 淬火和在理想冷卻介質中淬火；低溫（W 100）入爐回火，緩慢升溫至 3002后可隨爐升溫至所需回火溫度，高溫回火保溫后出爐空冷至

15、室溫，在回火緩冷過程中實現殘余奧氏體 （AR）-瑪氏體（M）相變，避免水冷、油冷，防止產生較大二次淬火應力?？傊慊鸷蠹皶r 回火，防止淬火應力萌生與擴大；充分回火，獲得穩定組織；多次高溫回火，促使殘余奧氏 體（AR）-馬氏體（M）充分轉變，并消除二次淬火應力；較長時間和合回火，提高抗斷裂韌性 和綜合力學性能等措施均能有效防止回火不當引起的二次淬火裂紋。11刀具腐蝕 目前，我國高速鋼刀具 熱處理工藝的淬火加熱一般在鹽浴爐中進行,回火加熱一般 在硝鹽浴爐中進行。此外必須進行酸洗。刀具淬火局部加熱時，靠近鹽浴面以上部位與高溫鹽浴揮發氯氣等有害氣體接觸，不僅易發生氧化脫碳， 而且還會導致液面與空氣交

16、界處形成一定寬度的帶狀麻點腐蝕。預防措施為：采用高溫加熱包鹽法，即刀具整體入鹽后， 再將局部不淬火加熱部位露出液面，使之包上一層粘附鹽殼， 與空氣中的有害氣體隔絕，避免腐蝕。大型整體刀片在高溫鹽浴爐中淬火加熱時，因溫度高、保溫時間長，易與鹽浴中氧化鐵（FeO）等有害物質起化學反應而發生腐蝕。預防措施為：嚴格執行鹽浴加熱介質 熱處理技術條件：純度 98%硫酸鹽（BaSO4 Na2SO4、K2SO4痔雜質含量0.3%碳酸鹽（BaCOa Na2CO& K2CO3侍雜質含量w 0.1%水不溶解物 w 0.1%每一工作班必須對鹽浴進行脫氧撈 渣，每周掏爐一次，徹底清除爐膛內爐渣雜質。刀具酸洗時，

17、因酸洗過度或未沖凈殘酸，使硝酸與硝鹽發生化學反應，將引起電化學腐蝕。預防措施為：刀具酸洗后，兩次用流 動凈水沖洗，再徹底中和，并及時噴砂強化，在空氣中停放不超過 8小時，并采取油封方式， 可有效防止酸洗腐蝕。介紹了高速切削加工技術所使用的高速鋼刀具、陶瓷刀具、涂層刀具、超硬刀具 的性能特點及應用.探討了選擇刀具所考慮的因素。德國切削物理學家Salomon博士 1929年進行的超高速切削模擬試驗，并予1931年4月發表了 著名的超高速切削理論。提出了高速切削的設想。Salomon指出：在常規的切削 范國內，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。但是，當切削速度增大到某一數值后。切削速度再增大，切削溫

18、度反而下降，并指出此值與工件材料的種類有關， 對于每一種工件材料，存在一個速度范圍。由于切削溫度太高，高于刀具材料所 允許的最高溫度，任何刀具都無法承受，切削加工不可能進行，這個范圍被稱之 為“死谷”。因此高速切削刀具材料最主要的要求是高溫時的力學性能、熱物理性能、抗粘結性能、化學穩定性和抗熱震性能以及抗涂層破裂性能等。隨著科學技術的發展和生產需要，石油化工工業中常用不銹鋼、淬火鋼、高強度鋼、耐熱 鋼等難加工材料日益增多。對刀具材料提出了特殊的要求。刀具材料除應具備硬 度和耐磨性、強度和韌性、耐熱性、工藝性能和經濟性外.還對高速切削刀具材料提出了如下更高的要求：可靠性；高耐熱性和抗熱沖擊性能；

19、良好的高 溫力學性熊；刀具材料能適應難加工材料和新型材料加工的需要。近年來我國 新刀具材料的研制和應用取得了一定的成果，但是高速切削刀具材料的加工工藝性能仍是影響加工效果的一個主要因素。實踐證明，正確選用合適的切削刀具材 料，對提高工作效率,改善加工工藝性，更高地是機械制造生產需求具有重要的 意義。1高速切削刀具材料的開發1.1高速鋼刀具適合高速加工的高速鋼主要 有：（1）高銳高速鋼 W12Cr4v4Mo （2）高鉆高速鋼 W2Mo9C14VCp8（3）高鋁高速 鋼 W6Mo5C14V2網 WlOM04Cr4V3Al切削加工鈦合金時，選用 W2Mo9C14VC08 料時的刀具切削壽命要比選月

20、W6Mo5C14v2Al W10M04c14V3Al口 W12Cr4V4Mo 刀具切削壽命要長，這主要因為元素Co能增加高速鋼的高溫硬度和耐磨性.同時 改善它的導熱性。但是由于高速鋼刀具的硬度比較低，紅硬性比較差，導熱系數 在16.7525.1W/（m K）之間，僅為鴇鉆類硬質合金的1/4左右。此外高速鋼中 的GWV等元素會與加工物在高溫下發生擴散溶解甚至與加工物發生化學反應。所以，高速鋼刀具切削高硬度產品一 鈦合金的速度比較低、一般在30 m/min以 下，同時刀具的使用壽命比較短。1.2陶瓷刀具現代陶瓷刀具材料大多數為復合 陶瓷。陶瓷刀具材料的品種、牌號很多，按其主要成分大致可分為氧化鋁系

21、和氮 化硅系，具具有高速切削所需的物理機械性能。陶瓷刀具具有很高的硬度與耐磨 性，一般硬質鋼刀具的硬度在 9093HRA而陶瓷刀具的常溫硬度達9295HRA 由于其硬度高，所以耐磨性有較大提高，刀具耐用度比硬質合金高幾倍。同時它 擁有很高的化學穩定性，其抗氧化溫度為1750 C ,而硬質合金為800C,高速鋼 僅為550c 0還具有抗彎強度和斷裂韌性,陶瓷的抗彎強度一般為9001000 MPa, Al2O3基陶瓷抗彎強度為10001200 MPa, Si3N4基陶瓷不僅強度高.而且強度 的可靠性大。疲勞強度也高，可以獲得相當穩定的使用壽命。Si3N4基陶瓷有良好的斷裂韌性，高速切削時不易產生裂

22、紋。它與金屬的親和力極小。即使在熔化 溫度下與鋼也不相互反應，具有良好的抗粘結、擴散、氧化磨損能力；有較低的 摩擦系數，可得到良好的表面粗糙度。陶瓷刀具在高速切削領域表現出優良的性 能，在高速切削加工中占據了舉足輕重的地位，其發展空間非常大。隨著各種新型陶瓷刀具材料的使用，必將促進高效機床及高速切削技術的發展，而高效機床 及高速切削技術的推廣與應用，又進一步推動陶瓷刀具的使用。1.3涂層刀具刀 具涂層技術自從問世以來，對刀具性能的改善和加工技術的進步起著非常重要的 作用，涂層刀具已經成為現代刀具的標志.在刀具中的比例已超過50%涂層刀 具是在韌性較好刀體上，涂覆一層或多層耐磨性好的難熔化合物，

23、 它將刀具基體 與硬質涂層相結合，從而使刀具性能大大提高。涂層刀具是在具有高強度和韌性 的基體材料上涂上一層耐高溫、耐磨損的材料。涂層材料及基體材料之間要求粘 結牢固、不易脫落。涂層刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延長刀具使用 壽命、降低加工成本。根據涂層方法不同，涂層刀具可分為化學。氣相沉積（CVD） 涂層刀具和物理氣相沉積（PVD）涂層刀具。涂層硬質合金刀具一般采用化學氣相 沉積法，沉積溫度在1000c左右。涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法， 沉積溫度在500c左右；根據涂層刀具基體材料的不同，涂層刀具可分為硬質合 金涂層刀具、高速鋼涂層刀具、以及在陶瓷和超硬材料（金剛石和立方氮化

24、硼） 上的涂層刀具等。在21世紀初，涂層刀具的比例將進一步增加，有望在技術上進一步突破涂層技術，這將全面提高加工黑色金屬的切削水平。 止匕外，納米級超 薄超多層和新型涂層材料的開發應用的速度將加快， 涂層將成為改善刀具性能的 主要途徑。1.4超硬刀具比陶瓷材料更硬的超硬刀具材料包括單晶金剛石、聚晶金剛石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN和CV蹌剛石等。金剛石具有極高的硬度 和耐磨性，具顯微硬度可達10000HV.是刀具材料中最硬的材料。同時它的摩擦 系數小，與非鐵金屬無親和力，切屑易流出，熱導率高，切削時不易產生積屑瘤， 加工表面質量好。能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金

25、 屬及其合金、陶瓷、末燒結的硬質合金、各種纖維和顆粒加強的復合材料、塑料、 橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨的木材。 PCBN用聚晶立方氮化硼粉末摻入金屬 或陶瓷結合劑（如鋁、氧化鋁、碳化鈦或氮化鈦），經燒結合成再制成金屬切削刀 具。PCBNt料包才g整體PCBNH片、硬質合金承托的、全前面 PCBNH片和焊有 各種PCBhW尖的硬質合金刀片。PCBNW片切削高合金鑄鐵較陶瓷刀具可提高生 產效率5倍以上。我國超硬刀具材料的研究與應用開始于 70年代，并于1970 年在貴陽建造了我國第一座超硬材料及制品的專業生產廠第六砂輪廠，至2006年我國人造金剛石年產量就已達到 15億克拉左右，躍居世界上超硬材料

26、生產大 國之首。2高速切削刀具材料的選擇2.1合理確定切削用量刀具材料確定后.切 削用量選擇得是否合理直接影響加工效果，切削用量中的切削速度對刀具耐用度 影響最大，進給量影響次之，切削深度影響最小。因此在合理選擇切削用量以提 高生產率時，在加工性質已定的情況下，應當盡量選擇大的切削深度，然后根據 加工條件和要求選取允許最大的進給量，最后在刀具耐用度和機床功率限制的條 件下，選擇的最大的切削速度，而不應當不加分析地先確定切削速度， 因此在實 際工作中.應當按不同切削深度和進給量的組合去選擇切削速度 .進而確定主軸 轉數。2.2匹配加工對象的化學性能刀具切削加工時的損壞與所加工的工件材料 和切削條

27、件密切相關，在不同的切削條件下加工不同的工件材料時，占主導地位的磨損機制有所不同。材料與加工對象的化學性能匹配問題主要是指刀具材料與 工件材料化學親和性、化學反應、擴散和溶解等化學性能參數要相匹配。具有不 同組分的刀具所適合加工的工件材料有所不同， 各種刀具材料抗粘結溫度高低為： 超硬,陶瓷,涂層若岡。各種刀具材料抗氧化溫度高低為：陶瓷 PCBN質合金 金剛石。2.3注重刀具壽命刀具壽命與刀具選擇有密切關系。在選擇刀具時，應首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應根據優化的目標而定。一般分最高生產率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種， 前者根據單件工時最少的目標確 定，后者根據工序成本最低的目

28、標確定。 選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據刀 具復雜程度，制造和磨刀成本來選擇。復雜和精度高的刀具壽命應選得比單刃刀 具高些。對于機夾可轉位刀具，由于換刀時間短，為了充分發揮其切削性能.提高生產效率，刀具壽命可選得低些，一般取 1530min。對于裝刀、換刀和調刀 比較復雜的多刀機床、組合機床與自動化加工刀具。刀具壽命應選得高些，尤應 保證刀具可靠性。比如車間內某一工序的生產率限制了整個車間的生產率的提高 時，該工序的刀具壽命要選得低些當某工序單位時間內所分擔到的全廠開支較大 時。刀具壽命也應選得低些。總之，高速切削技術已成為切削加工的主流，加快 其推廣應用，將會創造巨大經濟教益。近幾年的研究

29、和開發成果中有關高速切削 刀具用新材料有13項，關于新材料的應用研究成果有 9項。它們相互配合，彼 此競爭，推動高速切削技術的發展和應用。 國內在這方面也有一定基礎，取得很 大進步，特別是我國的陶瓷刀具占有突出優勢。這也是我國最有前景的研究領域。 此外，對現有的研究成果還要加強推廣。一、引言TiN涂層高速鋼刀具多為復雜刀具， 在TiN涂層刀具磨損性能試驗中， 為便于觀察， 特按復雜刀具的角度 設計制作了試驗用刀片,將其安裝在機夾式刀體上，在無級調速車床上進行耐磨性試驗。刀片基體材料為W9Mo3Cr4V,常溫硬度6465HRC刀片在美國多弧公司MAV32型離子鍍膜機上涂層，膜層厚度為 2.43.

30、1顯微硬度約為 2000HV。在一定的切削條件下，用涂層刀具和未涂層刀具分別切削相同的工件，同時測量切削力和切削溫度的數值，利用雙管立體顯微鏡、光切法顯微鏡和掃描電鏡等觀察刀具各個部位的磨損形貌 和磨損尺寸，然后對試驗結果進行綜合處理和分析。在實驗室試驗的基礎上又進行了大量生產性觀測，以驗證試驗分析的結論。二、涂層刀具的磨損形態及磨損規律涂層刀具和未涂層刀具一樣，正常磨損發生在三個面上， 即前刀面月牙洼磨損、后刀面磨損及副后刀面磨損， 其中以前、后刀面磨損為主。（a）前刀面月牙洼磨損（b）后刀面磨損帶圖1涂層刀具的磨損形 貌當切削速度較高或切削厚度較大時，月牙洼磨損一般較嚴重；當切削速度較低或

31、切削厚度較小時，以后刀面磨損為主。圖1所示為典型的涂層刀具前、后刀面磨損形貌。從大量的照像觀察中可看出涂層刀具磨損的一些特點。涂層刀具月牙洼的中心靠近切削刃，月牙洼邊界參差不齊，當月牙洼寬度相等時， 涂層刀具月牙洼的深度遠大于未涂層刀具。涂層刀具后刀面磨損的主要特點是磨損帶表面和切削平面不位于同一平面。涂層刀具在切削過程中產生了負后角磨損帶或后刀面月牙洼磨損，觀測結果表明，磨損帶遠離切削刃處的負后角約為14 °。前刀面磨損的擴展及涂層的作用利用獲得的一系列前刀面的磨損圖片，繪制出圖2所示月牙洼擴展曲線。從圖2可看出，涂層刀具和未涂層刀具前刀面磨損的產生和擴展情況 明顯不同。在較高的切

32、削速度下，未涂層刀具在很短時間內即形成很寬的月牙洼；而涂層刀具開始時并不產生明顯的月牙洼，只是隨著涂層的逐漸磨損，月牙洼才緩慢擴展。 涂層刀具的月牙洼邊界呈鋸齒狀擴展。在遠離切削刃的一邊，涂層刀具月牙洼的底面相對于前刀面較 為陡直。對于相同的月牙洼寬度（KB）,涂層刀具的月牙洼深度（KT）總是明顯大于未涂層刀具。（a）未涂層刀具（b）涂層刀具 切削用量：V=75m/min , f= 0.11mm/r , ap= 1.25mm 工件材質： 45鋼，179HB&乳化液冷卻 圖2月牙洼的擴展 圖3月牙洼深度（KTB時間變化的曲線圖 3 是月牙洼深度（KT）隨時間變化的曲線。根據圖 2圖3并結

33、合大量觀測可進一步分析涂層的存 在對前刀面磨損的影響。由于涂層的存在，前刀面的月牙洼磨損可明顯分為四個階段：第一階段月牙洼還未形成，在此階段涂層起著硬隔膜作用，但此階段時間較短。 第二階段由于前刀面基體材料的軟化和涂層的磨損，涂層在某一區域內被磨蝕掉或成塊地被切屑帶走，在前刀面上很快形成月牙洼。 第三階段為月牙洼的緩慢擴展期，這時涂層起著邊界阻礙作用。在此階段涂層的失效不僅僅是因為機械磨損，而是機械磨損與掀裂的共同作用，月牙洼的邊界擴展經歷了幾個連續的過程：首先涂層在某一部位被掀裂后月牙洼自由擴展，當擴展到涂層邊界后，進入邊界磨損擴展和疲勞掀裂的準備階段。由于基體和涂層的磨損速度不同，使邊界處

34、變得陡直，切屑流向和涂層面的夾角增大，由于涂層的柱狀晶粒垂直于涂層表面，涂層很容易被掀裂。涂層某一部位被掀裂后，磨損又進入了自由擴展期。在第三階段涂層起著邊界阻礙作用，由于連續經過了幾個過程，使月牙洼邊界呈鋸齒狀。 第四階段為月牙洼磨損的末期，在此階段，切屑的流動方向與涂層面的夾角很大（測量表明可達25。30。），涂層由于很容易被掀裂而喪失了阻礙作用。從以上分析可看出，前刀面涂層可減緩月牙洼磨損主要是通過邊界阻礙作用，而硬隔膜作用是次要的。月牙洼邊界擴展的減緩使月牙洼深度擴展減 緩。當邊界擴展到一定程度后，涂層就喪失了阻礙作用。后刀面磨損擴展及涂層的作用刀具后刀面的磨損對刀具耐用度和工件加工表面質量有著重要影響。由于涂層的存在，涂層刀具后刀面的磨損與未涂層刀具有明顯差異。圖4是在光切顯微鏡上觀測到的后刀面截面變化,圖5是后刀面磨損量（VB）的曲線。從兩圖中可看出，涂層刀具的耐磨損性能明顯優于未涂層 刀具。未涂層刀具的后刀面磨損帶是一實際后角為0。的小平面；涂層刀具后刀面磨損帶的截面形狀隨著切削時間的變化而變化