高硬度奈米複合薄膜提升碳化鎢刀具於鈦合金之切削性研究

High Speed Cutting Performance of Nanocomposite Hard Coated Tungsten Carbides for Ti-6Al-4V Titanium Alloys

羅啟宏(Chi-Hung Lo)

指導教授 ： 張銀祐

國立虎尾科技大學/工程學院/機械與電腦輔助工程系碩士班/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6827/NFU.2013.00017

摘要

由於現今工業界廣泛使用碳化鎢刀具在鈦合金的切削上，但鈦合金的切削困難度高，在鈦合金切削速度高於45m/min以上時，高切削溫度會遠大於刀具材料所能負荷程度，進而產生元素間的相互擴散，造成刀具材料中熔點較低的Co元素擴散、W元素的流失，以及刀具硬度和韌性等機械性質銳減，使硬質合金碳化鎢刀具發生嚴重的塑性變形、黏著磨損和擴散磨損，導致刀具切削失效。因此，為達成高速切削能力，以利提升生產品質與生產效率，刀具的壽命與其機械性質正備受考驗著。本論文針對提升碳化鎢刀具於鈦合金之高速切削應用，以「高硬度奈米複合薄膜提升碳化鎢刀具於鈦合金之切削性能研究」之複合鍍膜技術提高附加價值之刀具改善研究。
本論文係採用新型陰極電弧沉積系統(Cathodicarc Evaporation, CAE)為主要的研究設備，利用高純度鈦靶、不同合金比例之鈦鋁合金靶，以及鈦矽合金靶，製備氮化鈦鋁矽(TiAlSiN)與氮化鉻鋁矽 (CrAlSiN)高硬度奈米複合薄膜於微米級粉末碳化鎢刀具上，以不同製程參數之氣體流量與製程壓力，來控制鈦、鉻、鋁及矽元素間的比例，規劃刀具試驗測試，分別對碳化鎢刀具鍍膜處理前後作比較，設計出最佳抗高溫熱裂、降低沾黏特性之高硬度奈米複合薄膜，並實際改善鈦合金切削之應用。
實驗結果顯示，於鈦合金高速铣削下，TiSiN鍍層碳化鎢刀具之刀具壽命約可以提高25~30%，為最佳切削鈦合金之刀具鍍層。以冷卻方式來看，切削鈦合金材料時，適當的添加冷卻潤滑液可以提升刀具的使用壽命。切削速度於150m/min較低速度時，各類型鍍層所受到的磨耗偏向於摩擦性的磨耗；切削轉速於350m/min高轉速時，各類型鍍層所受到磨耗主要原因為鈦合金材料沾黏致使摩擦阻力增加造成的刀具損壞。各類型薄膜中以TiSiN薄膜有最佳的加工性能，其次為CrAlSiN及AlTiN(高鋁)，而TiAlSiN及TiAlN(中鋁)薄膜則表現出較差的加工性能。

關鍵字

硬質鍍膜 ； 陰極電弧沉積 ； 高速切削 ； 鈦合金

並列摘要

This study uses new CAE system as main research equipment. And using high-purified Ti-target to make high hardness TiAlSiN and CrAlSiN Nano-composite coating on Micron-powder Tungsten Carbides tools. Through different gas flow in different process parameters and process pressure, controlling the proportion of Ti, Cr, Al, and Si. Planning tools test and comparing the pre-coating with pro-coating Tungsten Carbides tools in order to design the best Nano-composite hard coat with high-temperature endurance and low adhesive property, and further improving Ti-6Al-4V cutting performance.

The result shows that under high-speed Ti-6Al-4V cutting, the life of Tungsten Carbides tools with TiSiN coating improves about 25-30%, and makes TiAlSiN the best tool coating when cutting Ti-6Al-4V. When cutting Ti-6Al-4V materials, adding coolant properly will promote tool life. Any type of coating wearing inclines to be mechanical wear when cutting speed is under 150m/min. But the main reason of any type of coating wearing is Ti-6Al-4V adhesive property when cutting speed is over 350m/min, which makes friction resistance increasing and leads to tool damage. Therefore, CrAlSiN coating is not the best choice when doing Ti-6Al-4V cutting because it produces massive Ti-6Al-4V adhesiveness.

並列關鍵字

Hard coating ； Cathodic arc evaporation ； High-speed ； Titanium alloy (Ti-6Al-4V)

參考文獻

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