延續上一期的話題，我將繼續分享習關於刀具磨損機理的下一部分：
如圖5所示，高速鋼刀具切削刃的後刀面磨損和周錐磨損主要是由於磨粒磨損造成的。 凹槽圖案是工件材料中硬質顆粒的劃傷作用與刀具材料中硬相提供的防劃傷保護的結合。 在切屑流動方向上，大型刀具碳化物在其後面具有典型的受保護刀具材料脊。 單個磨損劃痕太小，無法區分。
高速鋼的高屈服強度（高硬度）和大量的碳化物可以抵消磨料磨損。
圖7a） 切割奧氏體不鏽鋼後滾刀齒橫截面的光學顯微鏡**。b） a） 細節。箭頭分別表示切屑流向和表面高速鋼材料的流型。 後者表明存在嚴重的粘接磨損。
在低倍率下觀察時，圖 6 中銑齒的主要磨損機制似乎是磨料，即加工材料（碳鋼）中硬部件的犁動作用。 然而，較高的放大倍率（圖6）表明它是磨料磨損和粘結磨損的組合。 這種粘接成分，通常稱為輕度粘結磨損，是表面高速鋼材料通過高剪下力撕裂，導致表層緩慢拖曳，沿切屑流動方向去除小塊。
如果刀具使用到其耐熱極限，由於表面材料沿切屑流動方向的大量塑性流動，可能會導致嚴重的粘接磨損（見圖 7）。
圖8高速鋼切削刃的塑性變形。 a） * 截面的邊緣線沿塑性向下移動，並且很快就會離開邊緣，因為邊緣的相鄰部分已經離開了邊緣。b） 塑性變形邊緣的橫截面顯示出絕熱剪下的跡象。
如果切削刃達到高溫，即在高切削速度下，粘結磨損在高速鋼刀具的後刀面磨損和周距磨損中佔主導地位。 當化學腐蝕性材料被切割時，粘接磨損會進一步加劇。
高速鋼材料在高溫下具有高屈服強度（高熱硬度），可抵抗輕度和重度粘結磨損。
有時，高速鋼刀具的切削刃會承受超過其屈服強度的載荷，並可能由於巨大的塑性變形而變形（見圖 8），從而導致刃口鈍化。
圖9由於滾刀齒的區域性過載和疲勞導致的小 （a） 和稍大 （b） 的邊緣碎裂，整個工具可能會發生巨集觀斷裂，但這種情況相當罕見。 更常見的是，刀片部分碎裂（見圖 9）。 請注意，（a）中的碎裂似乎是由平行於邊緣的磨損痕跡引起的。
自七十年代末，當TIN塗層被引入高速鋼金屬切削刀具時，PVD塗層已成為刀具磨損保護的首選，如今塗層中心為高速鋼刀具提供了大量薄陶瓷塗層。 薄 （1-10 m） PVD 塗層主要通過兩種方式保護切削刃：
作為保護層，防止磨料磨損和輕微粘結磨損;
通過減少刀具與工件材料之間的摩擦，特別是切屑和前刀面之間的摩擦，降低刀具溫度。
圖10表面處理高速鋼材料的金相截面。 a） 未回火馬氏體的表層是由於精加工過程中產生的過熱而形成的。b） 經過適當表面處理的高速鋼。
該塗層與金屬材料（低溶解度）結合了優異的硬度（耐磨損顆粒）和相對較低的化學反應性，可防止焊接機制，而焊接機制是粘接磨損的先決條件。 因此，當今大多數常見的PVD塗層由於疲勞和離散分層分離而失效，而不是由於緩慢的逐漸磨損而脫落。 去除塗層後，塗層刀具的磨損機制與未塗層刀具的磨損機制相同，但更嚴重，因為塗層刀具通常使用更嚴格的切削引數。
高速鋼基體製備失敗的原因主要有兩個：研磨拋光時表面溫度達到奧氏體化溫度以上，導致未回火馬氏體的脆性夾層（見圖10）; 或者所得基材的表面太粗糙（見圖11、圖12）。
圖11a） 大多數PVD塗層中存在的橫向壓應力狀態會產生介面應力S。 在磨削脊的頂部，這個應力是拉伸“剝離”應力，它可能達到與殘餘應力相同的數量級，這個脊可能是由粗磨引起的。 b） TIN塗層沿高速鋼刀具的磨削脊脫落。
作為PVD塗層的基體，圖11中未回火的馬氏體會形成脆性中間層，塗層附著力差。 高速鋼刀具上的PVD塗層具有大約1-5 GPA的內部壓應力。 通常，沉積在高速鋼上的TIN具有約4 GPA的橫向殘餘壓應力。 這種應力對塗層的內聚力有積極影響，但對其與基材的附著力有負面影響。 與粗糙的基材相結合，過高的壓應力會導致在沒有任何外部載荷的情況下自發分離。 其原因是塗層中的橫向壓應力與粗糙的基材相結合，在塗層基材的介面處產生拉應力，如圖11所示。 如果這樣的系統是外部載荷的，則沿最大拉伸應力區域（即沿著圖11中工具上的粗糙脊）促進塗層脫落。 這些脊是過於粗糙的磨削過程和不正確的磨削引數的結果。
圖 12 顯示了由於表面質量導致塗層失效的另乙個示例，這也表明塗層中的核裂紋可能會擴散到下面的 HSS 材料。 由於疲勞，它們隨後會導致邊緣碎裂和大量邊緣斷裂。
圖12在切削碳鋼的圓盤齒邊緣附近的前刀面上觀察到微觀疲勞裂紋。 b） a） 特寫鏡頭。請注意，裂紋的方向與表面精加工的方向一致。
一旦高速鋼基材達到過度軟化的溫度水平，它就無法抵抗接觸壓力和脆性塗層裂紋（見圖13）。 注意塗層下方深色蝕刻的對比度，這表明由於過度回火而導致熱軟化。 然後塗層破裂，單個碎片以小碎片的形式分離（見圖13）。
圖13用於製造碳鋼齒輪的滾刀齒的塗層脫落。 a） 由於基材的熱軟化而導致塗層開裂。b） 去除小塗層碎片和底層高速鋼材料的初始磨損。碎片的厚度與原始塗層的厚度相同。
切削刀具刃口的巨集觀磨損模式如圖 4 所示。 上述機制最終會導致磨損超過磨損標準，無論是後刀面、前刀面的特定寬度，還是特定的邊緣鈍化。 圖 14 顯示了鍍錫圓盤刀齒上大凹坑的形成。 工件材料為碳鋼，最終控制刀具壽命的磨損發生在前刀面上。
最初，滾刀齒的邊緣碎裂受到限制（圖 14）。 同時，前刀面切削材料的熱軟化（通過塗層附近的深色對比顯示過度回火）降低了塗層的承載能力，導致塗層開裂和脆性斷裂（圖 14）。 圖13去除塗層後，由於粘結劑嚴重磨損，未受保護的高速鋼中迅速形成乙個大凹坑（圖 14）。
圖14SEM和蝕刻金相橫截面顯示鍍錫滾刀齒的持續磨損。 a） 所用工具中一顆牙齒的概述。b） 前刀面塗層基材邊緣崩裂和熱軟化的初始階段。c） 橫截面碎裂邊緣的特寫。注意從前耙和間隙面延伸的裂紋 d） 嚴重凹坑磨損的最後階段。b） 和 c） 中的蝕刻揭示了表面熱效應。
無論邊界磨損的位置如何，其演變：初始磨損通常涉及由於輕微斷裂（碎裂）導致尖端變鈍，然後是以磨料和粘合劑為主的線性穩態磨損狀態。 尖端的逐漸鈍化是邊緣溫度逐漸公升高的原因之一，最終導致邊緣斷裂或嚴重的塑性變形和加速磨損。
刀具表面的平滑和邊緣的銳化將延長刀具的使用壽命。 塗層進一步強調了這一點。 然而，通過塗層獲得的改進的耐磨性通常用於提高生產率，而不是實現更長的刀具壽命。
表1工件的材料及其與金屬切削中刀具磨損相關的標稱效能。 從高速鋼切削刀具已知的磨損機理中，我們可以得出結論，巨集觀和微觀層面的硬度、耐熱性（熱硬化）和斷裂韌性是刀具高效能的先決條件。 最近的高速鋼發展主要集中在高速鋼鋼的均勻性和清潔度上。
表2高速鋼刀具的常見磨損機理、成因及對策。 通過粉末冶金技術可以獲得細晶粒、均勻的組織。 然而，一些研究表明，圖2所示的硬韌性比可以進一步提高。 可以通過進一步將基體晶粒和硬相顆粒的尺寸減小到奈米範圍（應用奈米技術）來採取進一步的措施，如圖16中給出的一般硬韌性關係所示。
圖16減小顯微組織部件的尺寸和提高清潔度可以提高硬韌性比。 進一步提高高速鋼刀具效能的另一種方法是提高表面光潔度，即避免表面高速鋼材料因產生過多的熱量而劣化。 高速鋼材料的巨集觀強度和抗崩刃性（圖14）對表面處理引起的表面缺陷非常敏感（見圖17），因此必須對刀具邊緣的表面進行精確處理，以避免過早失效。 工具的光滑表面有助於抵抗微裂紋並避免塗層過早剝落，如圖 11 所示。
圖17AP 2023 的四點抗彎強度說明了表面條件對強度的影響。 今天就到這裡了，感謝您抽出寶貴時間閱讀，我們下期再見。