彭弘哲，李必文，周 楠，顧劍濤，方 童

（1.南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213）

0 引言

316L 奧氏體不銹鋼因其良好的塑性、韌性、焊接性和耐腐蝕性，被廣泛用于核電站堆內(nèi)構(gòu)件、蒸汽發(fā)生器、控制棒和主管道的制備[1]。對(duì)退役核設(shè)施的低污染金屬進(jìn)行表面去污、解體、熔煉，是解控去污、壓縮減容及再生循環(huán)利用的首選工藝。相較于氧乙炔切割，采用干式切削方式將其解體為熔煉所規(guī)定的尺寸[2]，具有減少煙塵與氣溶膠污染的優(yōu)勢(shì)，更加契合安全環(huán)保和職業(yè)健康衛(wèi)生的高標(biāo)準(zhǔn)和高要求。在涂層材料中，AlCrN 涂層具備較高的硬度、較好的耐磨性及高溫抗氧化性適用于切削難加工材料[3]，而TiN 涂層[4]具有較好的韌性及較高的彈性形變承受能力而廣泛應(yīng)用于鋼件的加工?；?16L 奧氏體不銹鋼制件切削時(shí)散熱性差、易粘刀及加工硬化的特點(diǎn)，本研究以150 × 2 × 72Z 規(guī)格的M35 基體AlCrN 涂層圓鋸刀為主要研究對(duì)象，以薄TiN 涂層圓鋸刀和M2 圓鋸刀為比對(duì)參照（單價(jià)分別為150 元、75 元、55 元），實(shí)驗(yàn)研究其干切削316L 不銹鋼的適用性和失效機(jī)理，為核領(lǐng)域放射性污染金屬解控去污及再循環(huán)利用企業(yè)優(yōu)選解體刀具、切割施工提供理論參考和控制策略。

1 3 種刀具的干切削實(shí)驗(yàn)

1.1 刀具幾何參數(shù)檢測(cè)

AlCrN 涂層刀、薄TiN 涂層刀的基體均為M35（即W6Mo5Cr4V2Co5）。AlCrN 涂層被稱為特A 氮鉻鋁涂層；TiN 用薄涂層，是因?yàn)楹裢繉釉谇邢髦兄鶢罹Ы缌鸭y易導(dǎo)致涂層剝落與掀裂[5]，還因薄涂層離子鍍制備時(shí)間短、刀具售價(jià)相對(duì)便宜；未涂層刀材料為M2（即W6Mo5Cr4V2），售價(jià)最為便宜。3 種圓鋸刀規(guī)格均為150 × 2 × 72Z，內(nèi)孔直徑為φ32 mm，安裝位圓臺(tái)直徑φ52 mm，側(cè)面從頂刃至圓臺(tái)外緣逐漸內(nèi)凹0.07 mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。DVM6 徠卡三維視頻顯微鏡下刀齒表面形貌如圖1 所示，顏色分別為灰黑色、金黃色、銀白色。

圖1 3 種圓鋸刀刀齒的原始表面形貌

表1 3 種圓鋸刀的檢測(cè)結(jié)果

1.2 切削用量選定

圓鋸刀干切削實(shí)驗(yàn)的切削用量有刀具轉(zhuǎn)速n與進(jìn)給量，首先根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)框定出常規(guī)鋸切線速度范圍為20～60 m/min、每齒進(jìn)給量fz范圍為0.01～0.02 mm[6]，再根據(jù)刀具直徑、機(jī)床參數(shù)[7]、企業(yè)切割施工時(shí)不同場(chǎng)合追求刀具最大耐用度或最大切削效率的需要，選定出如表2 的4 組干切削實(shí)驗(yàn)切削用量方案。

表2 4 組實(shí)驗(yàn)切削用量方案

1.3 切削實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）切削機(jī)床：XA6132 型臥式銑床。

（2）刀具安裝方式：考慮到生產(chǎn)中工件形狀多樣、尺寸大小不同，未使用銑床橫梁和吊架，刀桿為懸臂式；為避免重載時(shí)出現(xiàn)刀具打滑或卡齒現(xiàn)象，刀具帶鍵安裝。

（3）工件材料：25 × 3.5 規(guī)格的316L 奧氏體不銹鋼管材。

（4）工件裝夾：虎鉗夾持，保證每次切削10 mm厚的樣件時(shí)伸出量均為50 mm。

（5）切屑清理：每切削10 件后停機(jī)，用毛刷清理刀具上附著的切屑。

（6）切削過(guò)程觀察：實(shí)時(shí)觀察記錄切屑顏色變化、刀齒磨損程度。

（7）表面形貌觀測(cè)：切出第25 件、第50 件，之后每切出30 件，觀測(cè)刀側(cè)表面形貌。

（8）刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)：鋸切時(shí)刀齒明顯發(fā)紅且伴隨尖嘯聲、機(jī)床顫振明顯、主軸出現(xiàn)憋轉(zhuǎn)現(xiàn)象、刀齒出現(xiàn)斷裂或破損等災(zāi)難性失效。

1.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

（1）切屑顏色變化規(guī)律：4 組干切削實(shí)驗(yàn)中，切屑的顏色變化規(guī)律一致，即均經(jīng)歷銀白色（初期磨損階段）→褐色（正常磨損階段）→藍(lán)色（急劇磨損階段），只是同組方案下不同刀具每磨損階段切削的工件數(shù)量不同，表明了各階段刀具損耗及切削熱的過(guò)程演變。

（2）刀具磨損形式：干切削實(shí)驗(yàn)中3 種刀具未出現(xiàn)刀齒崩刃、側(cè)刃破損、熱裂紋、熱變形、月牙洼磨損現(xiàn)象，齒側(cè)面均勻磨損直至涂層磨穿，觀測(cè)不到涂層的剝落和掀裂現(xiàn)象。圖2 為4 組實(shí)驗(yàn)方案下3 種刀具失效刀齒的表面形貌。方案Ⅰ和Ⅱ均采用了35.34 m/min 的較低切削速度，在此切速下3 種刀具均以磨粒磨損為主，其中方案Ⅰ中的兩種涂層刀具因較高的表面硬度、較低的摩擦系數(shù)并兼具較好的韌性，耐磨性優(yōu)于未涂層刀；方案Ⅱ的進(jìn)給量增大為方案Ⅰ的1.57倍，刀齒因承受了更大的交變應(yīng)力和接觸疲勞應(yīng)力，均出現(xiàn)輕微的粘結(jié)磨損現(xiàn)象。方案Ⅲ和Ⅳ采用了55.61 m/min 的中等切削速度，除了磨粒磨損，較小進(jìn)給量的方案Ⅲ單件切削時(shí)間長(zhǎng)、切削熱量大，致使所有刀具在劇烈磨損和急劇磨損階段還出現(xiàn)了氧化磨損現(xiàn)象；較大進(jìn)給量的方案Ⅳ中刀齒因承受了更大的擠壓力，在較早到來(lái)的急劇磨損階段容易鈍化、氧化且產(chǎn)生切屑瘤，不能達(dá)到繼續(xù)切削不銹鋼時(shí)對(duì)刀刃的鋒利要求。

圖2 4 組干切削參數(shù)下3 種刀具失效刀齒的表面形貌

（3）齒高降低量與切削數(shù)量的關(guān)系：M2 未涂層刀在4 組干切削實(shí)驗(yàn)中的切削數(shù)量分別為241、171、37、33 件，遠(yuǎn)低于涂層刀，表明其對(duì)于干切削316L 不銹鋼的適用性較差。圖3 給出了涂層刀齒高降低量與切削數(shù)量的關(guān)系，可以看出：刀具壽命長(zhǎng)短依次為方案Ⅰ～Ⅳ；切削速度對(duì)壽命的影響最為明顯，當(dāng)采用相同進(jìn)給量即切削效率相等時(shí)，刀具壽命低切速時(shí)遠(yuǎn)高于中切速時(shí)；同一切速下進(jìn)給量越小刀具壽命越長(zhǎng)；同一切速下進(jìn)給量越大齒高降低量越大，但AlCrN 涂層刀在方案Ⅲ時(shí)不遵守該規(guī)律，分析應(yīng)該是高溫引起了劇烈的氧化磨損，而該刀在方案Ⅳ時(shí)的切屑粘結(jié)反而對(duì)刀齒有一定的保護(hù)作用。對(duì)于兩種涂層刀，如果追求最長(zhǎng)的刀具壽命，則宜選擇AlCrN 涂層刀在方案Ⅰ服役；如果追求最高的切削效率，則兩種刀任選其一在方案Ⅱ服役壽命差別不明顯，但選擇薄TiN 涂層刀效費(fèi)比更高。

圖3 兩種齒高降低量與切削數(shù)量的關(guān)系圖

2 涂層測(cè)試與分析

2.1 涂層表面形貌

經(jīng)SEM 對(duì)刀具橫截面的觀測(cè)，AlCrN 涂層和薄TiN 涂層厚度分別為3.5 μm 和1.5 μm。圖4 為Al-CrN 涂層和薄TiN 涂層的表面形貌及EDS 圖譜，可以看出：涂層表面均存在凸棱；嵌有大小不一、形狀各異的白色顆粒；孔隙率較大，密布大量圓形小凹坑，散布少量針眼狀孔洞。分析：較薄的涂層厚度使刀具側(cè)面在很大程度上遺傳了基體側(cè)面磨削后的表面形貌，凸棱依然存在，進(jìn)一步采用JB-4C 精密粗糙度測(cè)試儀測(cè)出AlCrN 涂層表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra值為0.136、輪廓最大高度Rz值為0.8895、輪廓單元的平均寬度Rsm值為0.0413，而薄TiN 涂層的對(duì)應(yīng)的值分別為0.320、2.3235、0.0432，說(shuō)明厚涂層對(duì)改善表面的細(xì)膩度和光澤度有利；白色顆粒應(yīng)是離子鍍過(guò)程中靶材表面因陰極弧斑在某一點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間停留而激發(fā)出的熔滴與氣體反應(yīng)后沉積的，或合金靶材本身成分不夠均勻；圓形小凹坑是由于加速離子對(duì)膜層表面的轟擊而形成的，針眼狀孔洞是部分與膜層表面結(jié)合不夠牢固的顆粒產(chǎn)生了脫落而形成的。

圖4 AlCrN 涂層（上）和薄TiN 涂層（下）表面形貌及EDS 圖譜

2.2 涂層元素及相分析

表3、表4 為兩種涂層刀表面的EDS 成分分析結(jié)果，圖5 為其XRD 衍射圖，據(jù)此判斷：對(duì)于AlCrN 涂層，具有面心立方體結(jié)構(gòu)的CrN 相；AlN 相與CrN 相在（200）處衍射峰重疊且強(qiáng)度最高，說(shuō)明涂層生成時(shí)晶體都沿著（200）晶面擇優(yōu)生長(zhǎng)且原子排列規(guī)則；Al與N 以共價(jià)鍵結(jié)合，而Cr 和N 以金屬鍵結(jié)合，涂層高的鋁含量有助于提升抗氧化性，而AlN 具備的高熱穩(wěn)定性又能有效抑制涂層中氮的減少；XRD 譜中沒有單質(zhì)鋁的衍射峰，表明可能有非晶體相的存在從而提高涂層的硬度和韌性。對(duì)于薄TiN 涂層，檢測(cè)到主相TiN 而未檢測(cè)到Ti2N 相，TiN 在（111）、（200）、（311）晶面出現(xiàn)衍射峰，且在2θ為36.6°時(shí)出現(xiàn)了最強(qiáng)且頂端尖銳的衍射峰，表明在（111）處晶面結(jié)晶質(zhì)量相對(duì)較高。

表3 AlCrN 涂層表面成分表

表4 薄TiN 涂層表面成分表

圖5 AlCrN 涂層和薄TiN 涂層XRD 衍射圖

2.3 涂層表面硬度及膜/基結(jié)合強(qiáng)度分析

表5 列出了3 種圓鋸刀刀齒部位及M35 基體的顯微硬度值，可見：AlCrN 涂層硬度遠(yuǎn)高于薄TiN 涂層；1.5 μm 厚的薄TiN 涂層其硬度并不低于5 μm 厚的正常涂層；通過(guò)適當(dāng)熱處理的M35 基體硬度高于M2 刀齒，又由于其具有625 ℃下4 h 的63 ～65 HRC高溫紅硬性[8]，分析這是涂層刀在涂層磨穿后仍具有較好耐磨性的原因。

表5 3 種圓鋸刀和涂層基體的硬度

圖6 為2 種涂層劃痕測(cè)試時(shí)聲音信號(hào)和摩擦曲線隨金剛石壓頭載荷加載的變化圖及劃痕形貌，可以看出：在壓頭劃破涂層前的摩擦力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，分析應(yīng)是受到了涂層表面存在的凸棱及孔隙的影響；對(duì)于AlCrN 涂層，當(dāng)載荷加載至13.5 N 時(shí)摩擦力突然降低，聲信號(hào)在此發(fā)生突變，可認(rèn)為涂層失效臨界載荷為13.5 N；對(duì)于薄TiN 涂層，聲信號(hào)盡管在5 N 載荷時(shí)發(fā)生突變而出現(xiàn)了第一個(gè)峰值，但此時(shí)摩擦力并未發(fā)生明顯變化，且在7 N 時(shí)聲信號(hào)恢復(fù)平穩(wěn)，分析應(yīng)是金剛石壓頭在5 N 時(shí)犁起了大顆粒，而當(dāng)載荷增加到時(shí)，聲信號(hào)與摩擦力均出現(xiàn)突變，可認(rèn)定8.6 N 為薄TiN 涂層的失效臨界載荷。實(shí)驗(yàn)表明,AlCrN 涂層的高硬度有利于降低涂層與壓頭接觸區(qū)的應(yīng)力和塑性變形，具有更高抗裂性及與基體的附著力。

圖6 AlCrN 涂層（左）和薄TiN 涂層（右）劃痕曲線和劃痕形貌

3 AlCrN 和薄TiN 涂層刀具干切削磨損機(jī)理分析

AlCrN 涂層和薄TiN 涂層的表面硬度遠(yuǎn)高于M2，其高溫摩擦因數(shù)分別為0.35、0.40，小于M2 的0.45，又因離子鍍后表面粗糙度得到有效改善并有較大孔隙率，故涂層刀的耐磨性、自潤(rùn)能力和散熱能力得到根本的改善。摩擦性能的改善，M35 基體優(yōu)異的抗沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度，為增大涂層刀的頂刃前角、后角提供了條件，并可進(jìn)一步增強(qiáng)排屑能力、減小切削功率。從干切削實(shí)驗(yàn)均未出現(xiàn)涂層剝落與掀裂的結(jié)果來(lái)看，在本研究的切削用量下，涂層刀具的膜/基結(jié)合強(qiáng)度是滿足使用要求的。

如前所述，3 種刀在方案Ⅰ可得到最長(zhǎng)的干切削壽命，方案Ⅱ出現(xiàn)粘結(jié)磨損進(jìn)一步表明在較高的每齒進(jìn)給量即0.022 mm/T 時(shí)，35.34 m/min 切削速度較為偏低，會(huì)出現(xiàn)干切削316L 不銹鋼塑性材料時(shí)的粘結(jié)磨損；方案Ⅲ和Ⅳ在劇烈磨損和急劇磨損階段出現(xiàn)了氧化磨損現(xiàn)象。資料顯示AlCrN 涂層、TiN 涂層的起始氧化溫度分別為900 ℃、600 ℃[9，10]，因此可斷定在55.61m/min 的切削速度下的干切削實(shí)驗(yàn)均超過(guò)了這兩種涂層刀的起始氧化溫度。

對(duì)于AlCrN 涂層，其氧化涂層的結(jié)構(gòu)為A12O3/Cr2O3混合氧化層，由于高溫下Cr 原子會(huì)促進(jìn)A1 原子向外擴(kuò)散，加之A12O3的氧化反應(yīng)自由能較低[11]，因此在涂層表面會(huì)優(yōu)先形成致密的A12O3惰性保護(hù)膜，增加了涂層的抗氧擴(kuò)散和抗氧化能力，其結(jié)果是進(jìn)一步降低了刀具摩擦系數(shù)，亦對(duì)提高刀具抗粘結(jié)磨損性能十分有利。這就不難理解方案Ⅲ較高的切削溫度未產(chǎn)生而在相對(duì)較低切削溫度的方案Ⅱ中反而產(chǎn)生了粘結(jié)磨損。方案Ⅳ較Ⅲ產(chǎn)生了更高的切削溫度和更大的擠壓力，涂層磨穿后靠M35 基體切削，材料間親和力及摩擦系數(shù)均增大，因此出現(xiàn)粘結(jié)。

對(duì)于TiN 涂層，當(dāng)切削溫度超出其600 ℃的起始氧化溫度時(shí)，涂層中會(huì)快速形成大量的TiO2，盡管相分析時(shí)未檢測(cè)到Ti2N 相，TiN 表面卻會(huì)在氧化溫度下脫氮而形成Ti2N+N。雖然TiO2疏松多孔、硬度低且致密度差，且方案Ⅲ較Ⅱ切削溫度高，但在方案Ⅲ的劇烈磨損和急劇磨損階段的切削溫度下，會(huì)形成比TiN熱硬性更好的TiN+Ti2N 二相區(qū)[12]，有效提高了刀具抗粘結(jié)磨損性能。方案Ⅳ較Ⅲ產(chǎn)生了更高的切削溫度，當(dāng)溫度達(dá)到960 ℃時(shí)，Ti2N 會(huì)再次脫氮形成Ti+N，二相區(qū)的熱硬性優(yōu)勢(shì)喪失，劇烈磨損和急劇磨損階段均較短。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究表明，以M35 作為基體的AlCrN 涂層圓鋸刀、薄TiN 涂層圓鋸刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)合理、涂層性能優(yōu)越、涂層制備工藝可靠，保證了斷續(xù)干切削塑性材料316L 不銹鋼時(shí)的抗沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度，在綜合切削性能方面比M2 未涂層圓鋸刀有明顯優(yōu)勢(shì)，其中AlCrN 涂層圓鋸刀的表現(xiàn)尤為卓越。如果追求刀具最長(zhǎng)的使用壽命并減少裝夾輔助工時(shí)，宜選擇AlCrN 涂層刀，在方案Ⅰ即切削速度35.34 m/min、每齒進(jìn)給量0.014 mm/T 時(shí)，其壽命分別為薄TiN 涂層刀、M2 未涂層刀的1.63 倍、2.53 倍，這也符合核領(lǐng)域放射性污染金屬解控去污及再循環(huán)利用企業(yè)廢物最小化的原則；如果追求刀具最高的性價(jià)比，宜選擇薄TiN 涂層刀及方案Ⅰ的切削用量；如果追求最高的切削效率，推薦選擇薄TiN 涂層刀及方案Ⅱ的切削用量，雖然其切削效率與AlCrN 涂層刀相同，但使用壽命相近，效費(fèi)比更好；如果干切削解體厚的316L 不銹鋼制品，考慮到工件對(duì)刀具的擠壓力，推薦選擇耐磨性最好、自潤(rùn)能力最強(qiáng)的AlCrN 涂層刀。本研究結(jié)論可為相關(guān)企業(yè)優(yōu)選干切削解體刀具及其匹配的切削用量提供理論參考和控制策略。