鈦合金切削刀具涂層提供的改性作用及發(fā)展方向

鈦合金具有很好好的強(qiáng)度、韌性、延展性以及較好抗氧化性與耐腐蝕性。在航空航天、汽車、化工和醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如何實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)鈦合金的高速、高效切削加工，刀具是關(guān)鍵。涂層技術(shù)在切削刀具中得到越來越廣泛的應(yīng)用，性能優(yōu)異的涂層可以顯著改善刀具表面性能，提高其高溫硬度、隔熱性能、熱穩(wěn)定性、沖擊韌性等，從而大幅提高刀具的切削速度和壽命。

由于鈦合金化學(xué)活性高，導(dǎo)熱系數(shù)低導(dǎo)致了切削過程中切削溫度高，化學(xué)反應(yīng)劇烈，刀具快速失效，造成刀具壽命短，加工成本高的問題。刀具磨損的原因包括機(jī)械摩擦和切削力和切削溫度作用下的物理、化學(xué)反應(yīng)。針對鈦合金切削加工的困難性，所選的刀具材料必須滿足硬度高、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)大、化學(xué)穩(wěn)定性和紅硬性好的要求。目前業(yè)內(nèi)公認(rèn)的加工鈦合金效果最好的金剛石刀具，但因其價(jià)格昂貴，因此硬質(zhì)合金涂層刀具仍占據(jù)著鈦合金切削加工市場的主要地位。

傳統(tǒng)切削加工理論認(rèn)為涂層刀具并不能適用于加工鈦合金，這是由于傳統(tǒng)的涂層大多為二元TiC或三元TiCN涂層，而涂層中的Ti元素極易與工件發(fā)生親和作用而導(dǎo)致刀具快速失效。Ezugwn等采用高速鋼基體的CrN和TiCN涂層與未涂層鎢鈷硬質(zhì)合金刀具對TC4鈦合金進(jìn)行了切削加工，研究表明CrN涂層刀具的使用壽命要長于TiCN涂層刀具和未涂層硬質(zhì)合金刀具。同時(shí)研究了在同等切削條件下，使用單層TiN涂層和多層的TiN/TiCN/TiN涂層進(jìn)行Ti6A14V鈦合金的切削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明多層的涂層刀具切削時(shí)產(chǎn)生的溫度要低于單層，同時(shí)刀具使用壽命也高于單層涂層。

硬質(zhì)合金涂層刀具的未來發(fā)展方向：
（1）刀具涂層成分多元化。在單涂層中加入新的元素（如加入Zr和V會(huì)提高耐涂層磨損性，加入Si會(huì)提高涂層硬度并防止化學(xué)擴(kuò)散，加入B會(huì)增強(qiáng)涂層韌性，加入Al和Cr會(huì)提高涂層抗氧化性等）制備出的多元刀具涂層材料，極大地提高了刀具的綜合性能。涂層材料也已從最開始的TiN、TiAlN、TiCN發(fā)展到現(xiàn)在的TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN、AlCrN、AlCrSiN、TiBN、CrN、ZrN等幾十種涂層材料。為了滿足切削加工中多樣化的需求，新的涂層材料還將具有極大的發(fā)展前景。
（2）切削加工綠色化。當(dāng)前，我國機(jī)械加工中主要采用濕式切削法，即在金屬切削加工時(shí)，用切削液連續(xù)不斷的冷卻、潤滑刀具和工件相接觸的部分，但是大量使用切削液會(huì)造成環(huán)境污染問題，同時(shí)由于切削過程中切削液產(chǎn)生的油煙對人體直接造成危害，可能誘發(fā)多種疾病。而且從加工成本計(jì)算，切削液占總成本的14%~16%，刀具成本只占2%~4%。研究表明如果20%的切削加工采用涂層刀具干式加工，總的制造成本可降低1.6%。此外，采用高速干切削可大幅提高加工效率，提高加工精度，降低表面粗糙度，并且更適合于加工薄壁零件。因此無論從環(huán)保角度還是從加工性能以及經(jīng)濟(jì)角度考慮，制造能滿足干式切削條件的涂層刀具是綠色加工的重要發(fā)展目標(biāo)。

近幾年由于國外制備涂層的工藝和方法在不斷成熟與進(jìn)步，使得刀具涂層成分逐漸趨于多樣化，甚至針對每一種工件材料都有一種最合適的涂層材料，而且出現(xiàn)了軟涂層、超硬涂層、多層涂層、納米復(fù)合涂層等性能更好的涂層，所以越來越多的涂層刀具已經(jīng)被應(yīng)用到鈦合金的高速切削工中，并顯示了良好的優(yōu)越性。隨著“中國制造2025”的提出，制造業(yè)迎來飛速發(fā)展，鈦合金的應(yīng)用會(huì)越來越多，對質(zhì)量以及精度要求也會(huì)不斷提高，如何選擇合適的鈦合金切削刀具，提高加工效率、降低生產(chǎn)成本，對汽車、航空航天、能源的重要工業(yè)部門的發(fā)展和制造業(yè)整體水平的提高有重要的意義。