• 第一部分：试验条件与试验研究内容；
• 第二部分：试验结果的比较、分析与讨论；
• 第三部分：结论。

第一部分 试验条件与试验研究内容

1. 机床
   采用北京机床研究所与日本法兰克公司合作生产的JCS-018型立式加工中心，该机床具备无级变速，无级进给和程控自动钻削等功能。
2. 试验用钻头
   为了减少由于涂层前钻头的材料、精度和热处理等方面的差异对精密级麻花钻切削性能试验的影响，提高各厂家涂层工艺本身的差异对钻头切削性能的影响力，“刀检中心”委托成都量具刃具厂统一按国家标准生产了一批共约2000支Ø8毫米的直柄精密级麻花钻，作为标本钻头，分发给各厂在本厂家的涂层设备上进行TiN涂层，或氧氮化表面处理，然后将全部试样送到“刀检中心”，对其几何精度和表面涂层质量进行检测后，再继续进行各项试验。

   1. 几何精度的检测
      按麻花钻国家标准(GB1436-85精密级)规定的各项几何精度与影响切削性能的钻头结构参数进行了检测，结果见附录(略)。为检验各厂涂层钻头的几何精度是否存在显著差异，将各厂的20支涂层钻头视为一个样本，对主要精度指标进行了方差分析和比较，数据处理的结果见表一。如按1%的显著性水平查F分布表。得F⁹_190，(0.01)=2.506，因为_F0外径=36.7>2.506，所以各厂涂层钻头的外径偏差存在差异。从精度检测的原始记录也可已看出，有些厂(如E、I、J等厂)的涂层钻头外径出现了正偏差，这是由于各厂涂层钻头的涂层厚度不一致所造成的。但F_0径跳=1.11<2.506，F_0钻芯=0.848<2.506，F_0斜跳=0.7279<2.506。表明各厂涂层钻头的径向圆跳动、钻芯对称度及斜向圆跳动等主要几何精度之间没有显著的差异。换句话说，各厂涂层钻头在几何精度上存在的少许差异，在99%的置信度上对钻头的试验结果没有显著影响。

      表1 几何精度方差分析表

      项目	变差来源	平方和	自由度	平均平方	F0
      外径偏差	厂间	6.21	9	0.69	36.7
      	误差	3.58	190	0.0188
      径向圆跳动	厂间	0.0516	9	0.0057	1.11
      	误差	0.9784	190	0.00515
      钻芯对称度	厂间	0.0761	9	0.00846	0.848
      	误差	1.8939	190	0.00997
      切削刃斜向圆跳动	厂间	0.00166	9	0.000184	0.7279
      	误差	0.04814	190	0.000253

   2. 涂层表面质量的检测
      众所周知，涂层刀具所以具有良好的切削性能和较高的寿命，就是因为表面涂有一层TiN，而TiN涂层质量的好坏又是提高刀具切削性能和寿命的关键。因此，在进行寿命对比试验以前，采用扫描电镜(SEM)等先进仪器对各厂家刀具的涂层表面质量、断口形貌、涂层厚度、结合强度、金相结构及表面应力等进行了全面的检测，兹将各项检验分述如下：

      1. 涂层表面质量与断口形貌
         因为在仪器上不能直接对涂层钻头的涂层质量进行测试，因此，将高速钢试样与钻头拴在一起，同炉进行TiN涂层，然后再对试样的涂层表面质量及断口形貌等用型号JSM-35C扫描电镜进行检测，检测的结果见图1～图10的说明。

         A试样的断口形貌(×6000)	A试样的涂层表面(×1000)
         图1 A试样的断口形貌与涂层表面 A试样的断口为细柱形，并近似颗粒状，与基体接触部有1µm左右的小缝隙，涂层表面不太平整，平均厚度为1.95µm，表面有细小空洞存在，二次裂纹处出现稍许脱层现象。
         B试样的断口形貌(×6000)	B试样的涂层表面(×1000)
         图2 B试样的断口形貌与涂层表面 B试样的断口柱形不明显，与基体接触处有缝隙，涂层表面不平整，平均厚度为1.84µm。表面颗粒较A试样粗，个别处有剥落层。
         C试样的断口形貌(×6000)	C试样的涂层表面(×1000)
         图3 C试样的断口形貌与涂层表面 C试样的断口在与基体的接触处，为细柱形，上部颗粒较粗，平均厚度为3.24µm，表面有颗粒堆积、空洞、脱层和夹杂等。
         D试样的断口形貌(×6000)	D试样的涂层表面(×1000)
         图4 D试样的断口形貌与涂层表面 D试样的断口涂层的下部组织稍有疏松，呈细柱形与颗粒状，平均厚度为3.15µm。表面有个别的夹杂与脱落层。
         E试样的断口形貌(×6000)	E试样的涂层表面(×1000)
         图5 E试样的断口形貌与涂层表面 E试样的断口为柱形，有分层现象，与基体的接触部分有缝隙，平均厚度为3.62µm。表面有异物凸起的堆积，有小孔洞。
         F试样的断口形貌(×6000)	F试样的涂层表面(×1000)
         图6 F试样的断口形貌与涂层表面 F试样的断口为细柱形，有分层现象，与基体接触部分有缝隙，涂层不均匀，平均厚度为1.52µm，表面有凸起堆积，有小孔洞、夹杂，还有较大的脱层及分层剥落现象。
         G试样的断口形貌(×6000)	G试样的涂层表面(×1000)
         图7 G试样的断口形貌与涂层表面 G试样的断口组织下部为颗粒状，上部为细柱形。涂层的厚度不太均匀，平均厚度为1.91µm，表面有小凸起、孔洞及脱层等。
         H试样的断口形貌(×6000)	H试样的涂层表面(×1000)
         图8 H试样的断口形貌与涂层表面 H试样的断口组织为细柱形，涂层不平整，平均厚度为1.09µm，表面有个别的小孔洞及脱层，磨削表面的涂层不连续。
         I试样的断口形貌(×6000)	I试样的涂层表面(×1000)
         图9 I试样的断口形貌与涂层表面 I试样的断口为细柱形，涂层厚度均匀和平整，厚度为2.99µm。表面平整，但个别处有脱落、异物凸起及小孔洞出现。
         J试样的断口形貌(×6000)	J试样的涂层表面(×1000)
         图10 E试样的断口形貌与涂层表面 J试样的断口为柱形，涂层上有裂纹，涂层的厚度不均匀，平均厚度位2.99µm。表面有小孔洞，脱层较普遍，有凸起的堆积，还有个别异物。

      2. TiN涂层厚度的检测
         从各厂的涂层钻头中任意抽取两支钻头用美国进口的球压仪进行涂层厚度的检测，每支钻头上检测两点：第一点距钻头转角5mm，第二点距钻头转角25mm，检测结果见表2。

         表2 钻头TiN涂层厚度的检测结果(µm)

         厂家代号	钻头编号	测量位置
         		距钻头转角5mm处	距钻头转角25mm处
         A	9	2.97	2.70
         	10	2.70	2.97
         B	4	1.80	1.50
         	15	2.50	2.57
         C	3	5.50	3.50
         	11	5.00	3.24
         D	10	3.45	3.45
         	14	2.56	2.00
         E	2	5.80	3.80
         	3	6.20	4.90
         F	9	1.05	0.85
         	10	1.47	1.00
         G	5	2.63	1.70
         	20	2.68	2.28
         H	14	1.00	0.99
         	18	1.35	1.30
         I	6	5.30	3.10
         	11	3.30	2.95
         J	1	5.25	4.40
         	9	4.00	3.99
         注：检测仪器：⑴美国进口球压仪，转速540r/min。    ⑵XJB-1型金相显微镜，(80X)

      3. TIN涂层结合强度的模拟检测
         从各厂的涂层钻头中任意抽取两支钻头放进250W的超声波清洗机里进行清洗检测，检测的结果见表3。

         表3 钻头的TiN涂层经250W超声波清洗机清洗后的结果

         厂家代号	钻头编号	清洗时间
         		10分钟	20分钟	30分钟
         A	1	无涂层脱落	槽尾处涂层轻微脱落	槽尾处涂层轻微脱落
         	2	无涂层脱落	槽尾处涂层轻微脱落	槽尾处涂层轻微脱落
         B	1	槽尾处涂层轻微脱落	槽尾处涂层严重脱落	槽尾处涂层严重脱落
         	2	槽尾处涂层轻微脱落	槽尾处涂层严重脱落	槽尾处涂层严重脱落
         C	1	槽尾处涂层轻微脱落	槽尾处涂层轻微脱落	槽尾处涂层轻微脱落
         	2	无涂层脱落	无涂层脱落	槽尾处涂层轻微脱落
         D	1	沟槽上涂层有一处脱落	沟槽上涂层有二处脱落	槽尾处涂层脱落
         	2	/	/	/
         E	1	槽尾处涂层脱落	槽尾处涂层脱落	槽尾处涂层脱落
         	2	无涂层脱落	无涂层脱落	槽尾处涂层脱落
         F	1	刃背上涂层有一处脱落	刃背上涂层有二处脱落严重	刃背上涂层严重脱落
         	2	无涂层脱落	无涂层脱落	槽尾处涂层脱落
         G	1	沟槽上涂层严重脱落	沟槽上涂层严重脱落	沟槽刃背上涂层大量脱落
         	2	沟槽上涂层严重脱落	沟槽上涂层严重脱落	沟槽刃背上涂层严重脱落
         H	1	无涂层脱落	槽尾处涂层轻微脱落	无涂层脱落
         	2	无涂层脱落	无涂层脱落	无涂层脱落
         I	1	无涂层脱落	槽尾处涂层小量脱落	槽尾处涂层小量脱落
         	2	无涂层脱落	槽尾处涂层小量脱落	槽尾处涂层小量脱落
         J	1	有轻度锈斑	多处有锈斑，沟槽涂层脱落	多处有锈斑，沟槽涂层脱落
         	2	有轻度锈斑	多处有锈斑	多处有锈斑
         D厂只取一支钻头进行清洗检测

      4. TiN涂层相结构的检测
         直接对涂层钻头的TiN涂层的相结构进行检测，很难实现，所以本检测项目也是在高速钢涂层的试样上进行。检测的仪器是YDF X衍射仪，由检测的结构表明：各厂的TiN涂层的相结构大致相同，都是TiN在(111)晶面上有较大的晶体增长择优取向，尤其以I厂的试样涂层在(111)晶面和(222)晶面上择优取向最为明显，C、D、E、G、J厂次之。
      5. TiN涂层表面应力的检测
         TiN涂层的表面应力的检测也是在试样上进行，使用了X-82A型X射线应力检测仪，检测的结果见表4。

         表4 TiN涂层表面应力的检测结果

         厂家代号	A	B	C	D	E	F	G	H	I	J
         应力值(kg/mm2)	-62.4	-54.7	-27.1	-55.7	-39.3	-44.8	-48.1	-35.5	-61.5	-61.1
         相关系数r	0.98	0.98	0.96	0.98	0.98	0.98	0.97	0.99	0.99	0.97

3. 试坯
   在本次试验研究工作中，使用了由上海工具厂太仓分厂按工具行业标准(后来批准为JB/GQ5076-90)的规定专门制作的试坯，材料为40Cr钢，外形为圆盘形，直径为150mm，厚度为30mm，外圆和两端面均经加工，经调质处理后的硬度为HB206-215。试验前，任意抽取了两块试坯进行化学成分、金相显微组织分析及淬透性检测。

   1. 化学成分分析
      分析结果见表5。

      表5 试坯的化学成分分析结果

      材料名称	化学成分
      	C	W	Mn	Cr	V	Ni	Si	Al	P	Cu
      40Cr钢	0.39	/	0.65	0.95	/	/	0.26	/	0.013	0.083

   2. 金相显微组织的检测 经检测，试坯的金相显微组织为均匀的回火索氏体，加上少量的铁素体。
   3. 试坯的淬透性检测从圆盘试坯的中间，沿轴心线剖切开，制成试样，检测剖面上各部位处(见图11)的布氏硬度，检测的结果见表6。

      图11 试坯剖面上检测硬度的部位

      表6 试坯热处理后淬透性的检测结果(HB) 试坯编号 检测部位 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1 205 203 201 201 206 205 203 198 198 198 202 206 205 202 201 202 206 2 215 212 211 212 216 215 211 208 207 207 210 215 215 212 210 212 216

      经检测，试坯剖面上的平均布氏硬度，1号试坯为HB207；2号试坯为HB217。