คุณสมบัติและกลไกการสึกหรอของสารเคลือบ TiAlN ในการตัดเฉือน

กระบวนการตัดเฉือนเป็นหัวข้อการวิจัยที่น่าสนใจอย่างยิ่งเนื่องจากเป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องในการผลิตชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูงและคุณภาพสูงสำหรับภาคอุตสาหกรรมต่างๆ จุดเน้นประการหนึ่งของการวิจัยที่ดำเนินการคือการปรับปรุงกระบวนการ ซึ่งหนึ่งในนั้นคือการสร้างและการใช้สารเคลือบเครื่องมือในกระบวนการตัดเฉือนต่างๆ สารเคลือบเหล่านี้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตของกระบวนการและอายุการใช้งานของเครื่องมือตัดเฉือน และสารเคลือบใหม่ๆ กำลังได้รับการพัฒนาเพื่อใช้ในงานตัดเฉือนที่หลากหลาย เนื่องจากสารเคลือบ TiAlN มีความทนทานต่อการสึกหรอและคุณสมบัติเชิงกลสูงที่ความเร็วในการประมวลผลสูง มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี และทนต่อการกัดกร่อนแม้ในอุณหภูมิการประมวลผลที่สูงกว่า สารเคลือบ TiAlN จึงยังคงเป็นที่นิยมอย่างมากในงานอุตสาหกรรมในปัจจุบัน ในการทบทวนนี้ ผู้เขียนจะนำเสนอการอภิปรายอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับการใช้สารเคลือบที่ใช้ TiAlN โดยรวบรวมและนำเสนอข้อมูลล่าสุดเกี่ยวกับการพัฒนาสารเคลือบที่เกี่ยวข้องเหล่านี้ในลักษณะที่เป็นโครงสร้างและเป็นระเบียบ

หลักการออกแบบการเคลือบเครื่องมือตัดเฉือนคือการปรับแต่งคุณสมบัติเชิงกลของเครื่องมือโดยควบคุมองค์ประกอบและโครงสร้างจุลภาคตามคุณสมบัติเชิงกลที่ต้องการ เพื่อให้สามารถตอบโจทย์ความต้องการเฉพาะของการใช้งานได้ มีการออกแบบการเคลือบที่แตกต่างกันมากมายสำหรับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกันมากมาย ดังที่แสดงในรูปที่ 1

ปัญหาประเภทต่างๆ สามารถแก้ไขได้โดยการเลือกโครงสร้างการเคลือบประเภทต่างๆ ตัวอย่างเช่น การใช้การเคลือบหลายชั้นสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องมือได้อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับการเคลือบชั้นเดียว ตัวอย่างเช่น การเคลือบหลายชั้นมีความต้านทานต่อการเติบโตของรอยแตกร้าวได้ดีกว่าการเคลือบชั้นเดียวอย่างมาก นอกจากนี้ การเพิ่มจำนวนชั้นยังช่วยปรับปรุงคุณสมบัติ เช่น ความแข็งของพื้นผิวของเครื่องมืออีกด้วย รูปที่ 2 แสดงพฤติกรรมการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวบนพื้นผิวของโครงสร้างการเคลือบที่แตกต่างกัน

บทความนี้เน้นที่การเคลือบแบบใหม่ สาธิตการเคลือบที่รวบรวมจากแหล่งต่างๆ และคุณสมบัติของการเคลือบ และแสดงกลไกการสึกหรอทั่วไปที่ตรวจพบการเคลือบเหล่านี้ในการกลึงและกัดโลหะผสมต่างๆ (รวมถึงเหล็ก ไททาเนียม และโลหะผสมที่มีส่วนประกอบเป็นนิกเกิล) การวิเคราะห์กลไกการสึกหรอเหล่านี้ให้ข้อมูลที่มีค่าอย่างยิ่งสำหรับการปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการตัดเฉือน เมื่อกลึงโลหะผสมบางประเภทด้วยเครื่องมือเคลือบเฉพาะ สามารถระบุได้จากแนวโน้มการสึกหรอทั่วไปของเครื่องมือ การประเมินพฤติกรรมการสึกหรอของพื้นผิวเครื่องมือมักกำหนดลักษณะด้วย SEM ดังที่แสดงในรูปที่ 3 ด้านล่าง สามารถสังเกตพฤติกรรมการสึกหรอของเครื่องตัดกัดเคลือบ TiAlN ได้หลังจากกลึงโลหะผสม Inconel

แนวโน้มการวิจัยของสารเคลือบ TiAlN มุ่งเน้นไปที่การปรับเปลี่ยนสารเคลือบ TiAlN โดยการเติมธาตุบางชนิด เช่น Ru, Mo และ Ta ลงในสารเคลือบ เนื่องจากมีศักยภาพในการปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลและการสึกหรอได้ดี การเติมธาตุเหล่านี้ยังส่งผลต่อโครงสร้างของสารเคลือบด้วย จึงทำให้สารเคลือบมีพฤติกรรมการใช้งานที่ดีขึ้น จากภาพที่ 4 จะเห็นได้ว่าสารเคลือบ TiAlN 3 ชนิดที่เติมรูทีเนียมในปริมาณต่างกัน โครงสร้างของสารเคลือบจะสม่ำเสมอมากขึ้นเมื่อมีรูทีเนียมในปริมาณมากขึ้น นอกจากนี้ บทความนี้ยังประเมินคุณสมบัติเชิงกลของสารเคลือบทั้งหมด และพบว่าสารเคลือบ TiAlN ที่มีรูทีเนียม 7% มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีที่สุด การวิจัยเกี่ยวกับธาตุที่เติมรูทีเนียมเหล่านี้เป็นที่นิยมและมีศักยภาพอย่างมากในการปรับปรุงประสิทธิภาพการเคลือบเครื่องมือ บทความนี้จะประเมินองค์ประกอบการเจือปนล่าสุดและได้รับความนิยมมากที่สุด และอธิบายถึงค่ามาตรฐานการประเมินทั่วไปของคุณสมบัติเชิงกลของสารเคลือบเหล่านี้ (ที่เกี่ยวข้องกับพฤติกรรมการสึกหรอของสารเคลือบ) เช่น ความแข็ง ความเหนียว อัตราส่วน H/E (ความหนืด) และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน นอกจากนี้ ค่าเหล่านี้จะนำไปใช้ในการประเมินนาโนคอมโพสิตใหม่และสารเคลือบที่ใช้พื้นฐานนาโน-TiAlN

แนวโน้มสำคัญอีกประการหนึ่งในการวิจัยการเคลือบ TiAlN คือการสร้างชั้นนาโนใหม่และการเคลือบเครื่องมือแบบนาโนคอมโพสิต เนื่องจากการเคลือบที่บางกว่าสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้งานในการตัดเฉือนได้อย่างมาก การเคลือบเหล่านี้ได้รับการพิสูจน์แล้วในกระบวนการตัดเฉือนต่างๆ ว่าช่วยเพิ่มคุณสมบัติเชิงกลและปรับปรุงโครงสร้างและคุณสมบัติของการเคลือบ โดยเฉพาะคุณสมบัติการสึกหรอของการเคลือบ สำหรับกลไกการสึกหรอของการเคลือบ การศึกษาพบว่ากลไกการสึกหรอหลักในระหว่างกระบวนการกัดคือการสึกหรอแบบยึดติดและการสึกหรอแบบเสียดสี อย่างไรก็ตาม การใช้การเคลือบแบบนาโนสามารถปรับปรุงความเสียหายที่เกิดจากการเคลือบได้ การเคลือบที่ใช้ในกระบวนการกลึงมักแสดงการสึกหรอแบบเสียดสีและการเสียดสี และการเคลือบบางชนิดยังแสดงการสึกหรอแบบยึดติดด้วย ในการกัด การใช้การเคลือบแบบนาโนเลเยอร์และแบบนาโนคอมโพสิตช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการตัดและอายุการใช้งานของเครื่องมือเคลือบ และการเคลือบประเภทนี้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าการเคลือบแบบชั้นเดียวบนพื้นฐาน TiAlN ทั่วไป ค่าความแข็งและโมดูลัสของยังของการเคลือบแบบนาโนเลเยอร์และแบบนาโนคอมโพสิตบนพื้นฐาน TiAlN แสดงอยู่ในตารางที่ 1