Tribological analysis on machining performance of Ti-Based coated WC-Co cutting tools

Abstract

Titanium alloys are well known as difficult-to-machine materials due to their chemical affinity, low thermal conductivity and low modulus of elasticity, causing premature wear of the tool, compromising the machining quality and increasing costs. Several solutions have been followed to improve the machinability of these alloys: development of new machining techniques, tool geometries and protection of tools’ surface with coatings, to yield high productivity, good surface finish of the workpiece and extended tool life. Several Ti-based coatings (WTiN, TiSi(V)N, WTi, TiAlSiCrN, TiAlN and WTiAlN) were tested in this work to evaluate their potential for Ti-alloys machining. The mechanical properties of the different coatings were evaluated by nanoindentation (hardness and Young’s modulus) and scratch tests (critical scratch load values). Furthermore, their tribological behaviour was evaluated at room temperature in dry and lubricated conditions on a ball-on-disk equipment, by testing coated balls of 10 mm diameter against Ti6Al4V flat plates. Friction coefficient of coated balls in dry condition was high, as compared to the tests performed with uncoated WC balls. Coatings tested in lubricated condition showed much lower friction coefficient values than their performance under dry condition. In all the tests, adhesion/material transfer of Ti6Al4V to the ball was noticed. Among fifteen tested coatings, the TiSi(V)N coating containing 7 at% Si deposited at 28.31 kW peak power HiPIMS with five V pellets of 10 mm diameter in pure titanium target of 15 cm x 15 cm, and two TiSiAlCrN coatings exhibited the best tribological behaviour.

As ligas de titânio são materiais difíceis de maquinar devido às suas elevada reatividade química, baixa condutividade térmica e baixo módulo de elasticidade. Como resultado, existe um desgaste prematuro da ferramenta de corte, o que compromete a qualidade superficial das peças maquinadas e induz um aumento dos custos de produção. Têm sido equacionadas diversas soluções para melhorar o processo de corte destas ligas, tais como desenvolvimento de novas técnicas de maquinação, e de novas ferramentas de corte revestidas, aumentando assim a produtividade do processo, melhorando o acabamento superficial do material maquinado e aumentando o tempo de vida e rendimento das ferramentas de corte. Nesta tese, diferentes revestimentos à base de Ti (WTiN, TiSi(V)N, WTi, TiAlSiCrN, TiAlN and WTiAlN) foram testados de modo a avaliar o seu potencial como revestimentosde protecção de ferramentas de corte para maquinação de ligas de Ti. As propriedades mecânicas dos revestimentos (dureza e módulo de Young) foram avaliados por ensaios de nano-indentação e ensaios de adesão. Os revestimentos foram ainda testados ao desgaste por pino-disco à temperatura ambiente, a seco e com lubrificação. Para tal foram utilizadas bolas revestidas com 10 mm de diametro, contra amostras de Ti6Al4V. Nos testes realizados sem lubrificação, os valores do coeficiente de atrito dos materiais revestidos foram superiores aos obtidos para os materiais não revestidos. Os revestimentos testados em condições de lubrificação apresentaram menores coeficientes de frição do que quando testados a seco. Em todos os testes ocorreu adesão do material testado (Ti6Al4V) ao contra-corpo. Dos 15 revestimentos estudados, aqueles que apresentaram melhor comportamento tribológico foram o TiSi(V)N com 7% at. Si, depositado por HiPIMS com uma potência de 28.31kW, 5 pastilhas de V com 10 mm de diâmetro sobre um alvo puro de Ti com 15 cm x 15 cm, e dois revestimentos do sistema TiSiAlCrN.