摘 要: 本文通过对比试验研究了高温合金 GH2132 在无涂层硬质合金刀具、TiAlN 涂层硬质合金刀具和 C7 PLUS 涂层硬质合金刀具切削下的耐用度和磨损规律。结果表明：C7 PLUS 涂层硬质合金刀具切削的耐用度最好；磨损规律分析表明硬质合金刀具在切削 GH2132 合金时，低速时刀具主要发生粘结磨损和磨粒磨损，高速时主要发生扩散磨损，同时也会发生磨粒磨损。

高温合金GH2132 的切削加工性能较中碳钢差很多，切削过程中刀具磨损严重且加工效率低

下，已经无法满足现代制造业的要求，如何提高和改进 GH2132 的切削加工性能已成为必须解决的

问题。针对此问题，通过对比试验分析了适合切削 GH2132 的刀具材料，然后进行了刀具磨损试验，分析了刀具磨损的机理和原因。

1.GH2132切削试验方案

本试验研究的高温合金 GH2132 属于铁基变形高温合金，其高温强度很高，切削时刀具磨损严

重，属典型的难加工材料，所以本试验选取耐热性好且硬度强度均较高的硬质合金刀具，涂层分

别为未涂层、TiAlN 涂层和纳米组合涂层，各刀具品牌及型号如表 1 所示：

表 1 各刀具参数表

Table 1 Parameters of cutters

涂层 厂家 型号

Coats Manufacturers Models

普通涂层 株洲硬质合金厂 YS8

TiAlN 涂层 三菱 VP15TF CNMG120408-MS

C7 PLUS 涂层 丹麦尤尼莫克 C7 PLUS
试验切削材料为高温合金 GH2132 棒料Φ100×300 mm，试验车床为能够进行无级调速的 CA6140普通车床，主轴最大转速为 1400 r/min，最大功率为 7 kW；刀具磨损使用 50 倍光学显微镜进行测量，结合实际情况选择的刀具的磨损标准如下：

①VB=0.3 mm ②VB_max=0.4 mm ③VN=0.6 mm

在切削过程中，只要达到上述一个指标就认为刀具失效。通常情况下，刀具磨损主要与切削速

度、进给量和切削深度三个因素有关，而切削速度对磨损的影响最大，由于刀具昂贵，此处仅研

究切削速度对刀具磨损的影响，整个切削过程为干切削。

2.结果及分析

2.1 YS8 硬质合金刀具切削GH2132试验
试验采用的进给量为 0.1 mm/r，切削深度为 0.5 mm，根据该刀具的实际切削能力选择 35 m/min、50 m/min 和 65 m/min 三种不同的切削速度。各切削速度下试验获取的刀具磨损曲线如图 1 所示。
图 1 YS8 刀具的 VB 随时间的变化
Fig.1 VB changes of cutter YS8 with time
将图 1 中刀具磨损的数据整理后列表如表 2 所示，然后在双对数坐标系中绘制 YS8 刀具的耐用度曲线，具体如图 2 所示。
表 2 YS8 刀具的耐用度
Table 2 The durability of YS8 cutter
切削速度/m/min 刀具耐用度/min 切削历程/m
Cutting speed Durability of cutter Cutting length
35 36 1260
50 19.5 975
65 9 585
图 2 YS8 刀具的耐用度曲线
Fig.2 The durability curve of YS8 cutter
对以上各组数据进行分析，根据式 vT^m=C₀ 得到 T-v 方程，具体如式 1 所示：vT^0.4420=175.88 (1)
从以上试验数据可以看出，YS8 未涂层刀具的寿命随着切削速度的提高而降低，当切削速度达到 65 m/min 时，刀具寿命仅有 9 min。
2.2 三菱 TiAlN 涂层刀具切削GH2132棒料试验
试验采用的进给量为 0.1 mm/r，切削深度为 0.5 mm，根据该刀具的实际切削能力选择 35 m/min、
50 m/min 和 65 m/min 三种不同的切削速度。各切削速度下试验获取的刀具磨损曲线如图 3 所示。
图 3 TiA1N 涂层刀具的 VB 随时间的变化
Fig.3 VB changes of cutter with TiA1N coat with time
将图 3 中刀具磨损的数据整理后列表如表 3 所示，然后在双对数坐标系中绘制 TiA1N 涂层刀的
耐用度曲线，具体如图 4 所示：

表 3 TiA1N 涂层刀具的耐用度
Table 3 The durability of cutter with TiA1N coat
切削速度/m/min 刀具耐用度/min 切削历程/m
Cutting speed Durability of cutter Cutting length
35 66 2310
50 31 1550
65 5 325
图 4 TiA1N 涂层刀具的耐用度曲线
Fig.4 The durability curve of cutter with TiA1N coat
对以上各组数据进行分析，根据式 vT^m=C₀ 得到 T-v 方程，具体如式 2 所示：vT^0.2014=88.7 (2)
从以上试验数据可以看出，刀具寿命随着切削GH2132棒料速度的增加逐渐降低。当切削GH2132速度为 65 m/min 时，刀具磨损快速增加，所以使用 TiAlN 涂层刀具切削 GH2132 时，应将切削速度控制在 50 m/min 左右，如果切削GH2132速度过高会造成刀具的性能下降，磨损增加，减少刀具的使用寿命；切削速度太低会导致GH2132
材料去除率太小，且容易在GH2132表面产生积屑瘤。
2.3 GH2132用丹麦尤尼莫克 C7 PLUS 涂层刀具切削试验
试验采用的进给量为 0.1 mm/r，切削深度为 0.5 mm，但 C7 PLUS 涂层刀具在切削加工GH2132的切削性能比上述两
种刀具切削性能要好，所以选择 50 m/min、65 m/min 和 80 m/min 三种不同的切削速度。各切削速度
下试验获取的刀具磨损曲线如图 5 所示。
图 5 C7 PLUS 涂层刀具的 VB 随时间的变化
Fig.5 VB changes of cutter with C7 PLUS coat with time
将图 5 中刀具磨损的数据整理后列表如表 4 所示，然后在双对数坐标系中绘制 C7 PLUS 涂层刀
具的耐用度曲线，具体如图 6 所示。
表 4 C7 PLUS 涂层刀具的耐用度
Table 4 The durability of cutter with C7 PLUS coat
切削速度/m/min 刀具耐用度/min 切削历程/m Cutting speed Durability of Cutter Cutting length 50 53 2650 65 26 1690 80 16 1280
图 6 C7 PLUS 涂层刀具的耐用度曲线
Fig.6 The durability curve of cutter with C7 PLUS coat

对以上各组数据进行分析，根据式 vT ^m=C₀ 得到 T-v 方程，具体如式 3 所示：vT^0.3906=234.72 (3)
从以上数据可以看出，当切削速度为 50 m/min 时，C7 PLUS 涂层刀具的寿命接近一个小时（53min），相比未涂层刀具和 TiAlN 涂层刀具有着显著的增加；当在加工GH2132切削速度达到 80 m/min 时，刀具的寿命也能达到 19 min，说明 C7 PLUS 涂层刀具的在切割GH2132时切削性能确实较未涂层刀具和 Tia1N 涂层刀具优越。
2.4 各涂层刀具试验结果对比分析
在 T-v 方程中，T 的指数 m 越大，表明切削速度对刀具寿命的影响越小, 也就表示该刀具适用于GH2132这种材料的切削。分析不同涂层硬质合金刀具的 T-v 方程可以看出，未涂层的硬质合金刀具 T 的指数是 0.4420，表明刀具的寿命随切削速度的变化并不明显，虽然切削速度为 35 m/min 时刀具寿命不是很高，但当在加工GH2132，切削速度达到 65 m/min 时刀具寿命仍有 9 min；TiAlN 涂层刀具 T 的指数是 0.2014，
说明在切削 GH2132 时，TiAlN 涂层刀具的切削速度对寿命有较大影响，当切削速度大于 50 m/min时，刀具的寿命降低非常显著，所以在切削 GH2132 时 ，TiAlN 涂层刀具的切削速度应控制在 35~50m/min 区间内，此时刀具的寿命较长。
对比未涂层硬质合金刀具和 TiAlN 涂层刀具，当在加工GH2132切削速度为 50 m/min 以下时，未涂层刀具的寿命较 TiAlN 涂层刀具短；但当切削速度达到 50 m/min 以上时，未涂层刀具的寿命大于 TiAlN 涂层刀具。所以在使用普通涂层刀具切削 GH2132 合金时，应将切削速度控制在 50~60 m/min 区间。
C7 PLUS 涂层刀具 T 的指数是 0.3906，说明切削速度对该涂层刀具寿命的影响较小，适用于切削高温合金 GH2132，而且 C7 PLUS 涂层的耐热性能较好，最高能达到 1100 ℃。在试验中，当切削速度达到 80 m/min 时，刀具的最高温度为 900 ℃左右，在该温度下刀具仍可以正常切削一段时间，
所以在切削 GH2132 合金时，切削速度应控制在 60~80 m/min 区间内。
3 切削加工 GH2132 的刀具磨损机理分析
3.1 刀具宏观磨损形貌分析
在切削 GH2132 合金时，刀具切削温度很高且磨损较为复杂，在各切削速度下未涂层刀具磨损的显微照片如图 7 所示：
35 m/min 50 m/min 65 m/min
图 7 YS8 刀具的磨损形貌
Fig.7 Wear morphology of YS8 cutter
从图 7 中可以看出，切削速度为 35 m/min 时刀尖有小范围的崩刃，可能是由于切削时受到了外界冲击导致实际切削位置变化；切削速度为 50 m/min 时整个刀具均匀磨损，刀刃上产生微小的沟槽磨损；而当切削速度达到 65 m/min 时，刀具的磨损非常严重，刀刃处产生较深较宽的沟槽磨损。TiAlN 涂层刀具的磨损形貌如图 8 所示。
图 8 TiAlN 涂层刀具的磨损形貌
Fig.8 Wear morphology of cutter with TiAlN coat
 

从图 8 中可以看出，GH2132在切削加工时，切削速度为 35 m/min 时，刀具均匀磨损，刀尖处附着有工件材料且有积屑瘤；切削速度为 50 m/min 时，刀具出现不均匀的磨损带，在切削深度较大处刀具的磨损深度较大，同时刀尖出现了材料剥落和崩刃；切削速度达到 65 m/min 时，刀具磨损严重，且磨损带显著增大，切削深度较大处刀具的磨损宽度和深度也较大，且前刀面出现大面积的脱落。

C7 PLUS 涂层刀具的磨损形貌如图 9 所示。

图 9 C7 PLUS 涂层刀具的磨损形貌

Fig.9 Wear morphology of cutter with C7 PLUS coat

从图 9 中可以看出，GH2132在车削加工时，切削速度为 50 m/min 时，刀具均匀磨损，涂层基本被磨掉，同时刀刃上产生小范围的沟槽磨损；切削速度为 65 m/min 时，磨损带也比较均匀，但刀刃上的磨损沟槽显著增大；切削速度达到 80 m/min 时，刀具的磨损非常严重，磨损带宽度显著增大，说明刀具在切削高温下产生了严重的磨损。

综合上述各种刀具的磨损形貌分析可以得出：GH2132在车削加工时，当切削速度较低时，工件与刀具在接触区域为塑性接触，此时由于粘结作用导致后刀面磨损带上附着了一层工件材料；随着切削速度的增加但小于某一速度 v₀ 时，接触区粘附层出现周期性的局部破坏，使后刀面表层材料产生疲劳损坏造成局部剥落，剥落的刀具材料随切削屑带走导致刀具表面出现了部分微坑，但又被工件材料迅速填充。此时刀具的最大剥落区处于后刀面上距离刀刃较近的地方，所以在低速切削时，刀具主要发生粘结和磨粒磨损；在高速切削时，切削温度较高，工件材料与刀具接触的地方会发生材料扩散现象，主要发生扩散磨损，同时也有磨粒磨损。

3.2切削GH2132时刀具磨损机理分析

对 C7 PLUS 涂层刀具进行扫描电镜和能谱分析来确定刀具与切屑间的材料扩散情况，首先在切

削速度为 65 m/min 时对刀具的后刀面进行扫描电镜和能谱分析，然后在相同速度下进行前刀面的扫

描电镜和能谱分析。切削速度为 65 m/min 时 C7 PLUS 涂层刀具后刀面的能谱分析位置如图 10 所示。

位置 1 位置 2 位置 3

图 10 C7 PLUS 涂层刀具的后刀面形貌

Fig.10 Back surface morphology of cutter with C7 PLUS coat

从图 10 中可以看出，切削速度为 65 m/min 时磨损带出现了不均匀分层现象。对位置 1 进行能

谱分析，Cr、Fe 和 Ni 元素的含量比较高，说明该处材料的扩散较剧烈；位置 2 处能谱分析结果表

明 W 元素含量比较高，其它元素含量较少，说明该处的涂层已经完全磨损，裸露出了刀具的基体材

料；位置 3 处的能谱分析结果表明该处的 Cr、Fe、Ni 元素的含量较位置 1 处高，说明位置 3 的材料

扩散更严重，而且位置 3 处温度较高导致刀具材料发生切屑磨损剥落，出现比较大的沟槽。以上说

明 GH2132 合金材料中的硬质点对刀具产生了磨粒磨损作用。

切削速度为 65 m/min 时 C7 PLUS 涂层刀具前刀面的能谱分析位置如图 11 所示。

图 11 C7 PLUS 涂层刀具的前刀面形貌
Fig.11 Front surface morphology of cutter with C7 PLUS coat
从图 11 中可以看出，切削速度为 65 m/min 时，C7 PLUS 涂层刀具的前刀面出现一定的月牙洼
磨损，从能谱分析结果可知部分涂层已经剥落且位置 2 处的 Cr、Fe、Ni 元素的含量也比较高，表明
该位置的工件材料元素已经开始向前刀面扩散。经分析可知，当切削速度较大时，刀具前刀面的温
度也比较高，同时刀具受力也变大，在热和力的一同作用下更加剧了刀具的扩散磨损。
通过上述分析可知，在涂层硬质合金刀具切削 GH2132 合金时，当切削速度较高时，刀具材料
元素和工件材料元素间的扩散作用较为严重，刀具以扩散磨损为主；当切削速度较低时，刀具以粘
结磨损和磨粒磨损为主。而不论切削速度高低，切削 GH2132 合金时都会发生磨粒磨损，这是因为
GH2132 合金中含有大量的硬质化合物（如 WC、TiC、VC），而这些化合物的硬度基本不随切削温
度和切削速度的变化，均在刀具的表面划出沟槽，就使刀具发生了磨粒磨损。
4 结 论
通过使用不同涂层刀具切削 GH2132 合金试验，研究了刀具的耐用度和磨损规律，试验结果表
明：①在刀具后刀面的磨损量 VB=0.3 mm，切削速度 v=50 m/min 时，未涂层刀具的寿命达到了 19.5
min，TiAlN 涂层刀具的寿命达到了 31 min，而纳米复合涂层刀具的寿命达到了 53 min 且切削速度
v=80 m/min 时刀具的寿命也达到了 16 min，说明纳米涂层刀具的切削性能十分优越；②用硬质合金
刀具切削 GH2132 合金时，磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损都会出现，在高速时主要是扩散磨损，同时也会发生磨粒磨损，在低速时主要是粘结磨损和磨粒磨损。