2.2.1. Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trượt
Theo Arnell cả ma sát và mòn đều phục thuộc vào kiểu biến dạng tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô, tức là phục thuộc vào chỉ số biến dạng dẻo hoặc độ cứng hoặc mô đun đàn hồi. Lớp phủ có thể làm thay đổi cả kiểu và mức độ biến dạng ở chỗ tiếp xúc vì lớp phủ và nền đã tạo nên một hệ composite. Điều này tạo ra những thay đổi vô cùng quan trọng trong hệ thống ma sát, mòn và bôi trơn. Komvopoulos và đồng nghiệp đã tiến hành thí nghiệm về mòn của đầu phủ TiN và đĩa, họ thấy rằng biến dạng tại chỗ tiếp xúc trượt chủ yếu là đàn hồi khi lớp phủ chưa bị vỡ và mòn hầu như bằng không.
Holmberg cho rằng tỷ số độ cứng của lớp phủ và nền là một thông số rất quan trọng ảnh hưởng tính chất ma sát của bề mặt phủ với bề mặt đối tiếp.
Theo công thức: Lực ma sát : F = Ar . = o W. ; Hệ số ma sát trượt: f = W F = o = o o
Để giảm F thì cả Ar và đều phải nhỏ, nghĩa là nền phải cứng và lớp phủ phải mềm. Lớp phủ có độ cứng cao sẽ không có tác dụng giảm ma sát trừ khi một lớp màng mỏng có sức bền cắt thấp hình thành trên bề mặt của lớp phủ, hoặc trên đỉnh các nhấp nhô. Theo các nghiên cứu trước, lớp màng mỏng trên bề mặt lớp phủ có thể hình thành do tương tác hoá học với thép trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao và cao. Hệ số ma sát trượt giữa TiN và thép thay đổi trong khoảng 0,01 đến 0,6 có thể giải thích sự tạo thành và không tạo thành lớp màng mỏng trên bề mặt tiếp xúc chung. Lớp màng mỏng Fe2O3 và TiO2 đã được phát hiện trong các nghiên cứu của Holmberg khi quan sát đầu thép trượt trên đĩa thép phủ TiN. Hendenqvist và Olsson đã phát hiện lớp màng mỏng Silica tạo thành trên bề mặt lớp phủ khi dùng đầu thép trượt trên đĩa thép phủ TiN.
Holmgerg cho rằng, lớp phủ cứng có khả năng ngăn cản các nhấp nhô bề mặt đâm sâu vào nhau và cào xước lên nhau dẫn đến giảm ma sát và mòn. Tuy nhiên, Van Stappen cho rằng lớp phủ chỉ có khả năng giảm thành phần cào xước của lực ma sát nếu như các hạt cứng trong vật liệu đối tiếp nhỏ đáng kể so với chiều dày của lớp phủ. Độ cứng cao của lớp phủ còn có tác dụng giảm thành phần biến dạng của lực ma sát.
Ví dụ: Độ cứng của TiN là 2200-2500kg/mm2; của TiCN là 2800-3200kg/mm2 cao hơn rất nhiều so với độ cứng của thép ở trạng thái ủ.
Vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt có ảnh hưởng lớn đến tương tác ma sát của hệ phủ. Các thí nghiệm về ma sát giữa thép và một số lớp phủ PVD của Konig và Kammerleier cho thấy rằng khi tăng vận tốc trượt tương đối hệ số ma sát giảm đối với tất cả các hệ. Nguyên nhân là do nhiệt độ cao sinh ra ở chỗ tiếp xúc khi tăng vận tốc trượt tương đối làm giảm sức bền của thép ở vùng bề mặt.
Ví dụ: Khi vận tốc trượt nhỏ (khoảng 7m/s) hệ số ma sát của thép với TiAlN là lớn nhất trong ba hệ phủ TiAlN, TiN và TiCN do cấu trúc bề mặt của TiAlN không mịn như TiN và TiCN nên thành phần cào xước của lực ma sát chiếm ưu thế. Nhưng khi tăng vận tốc trượt thì hệ số ma sát của TiAlN với thép trở nên nhỏ nhất.
Có thể thấy rằng lớp phủ cứng có tác dụng giảm ma sát do độ cứng cao của lớp phủ làm giảm các thành phần cào xước và biến dạng dẻo của lực ma sát, hơn nữa tương tác hoá học giữa hai bề mặt đối tiếp tạo nên một lớp màng tiếp xúc có sức bền cắt thấp là nguyên nhân làm giảm ma sát gữa hai bề mặt.
2.2.2. Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trong cắt kim loại
Lớp phủ trên bề mặt dụng cụ có tác dụng làm giảm ma sát giữa phoi và mặt trước, chủ yếu là giảm dính do độ cứng cao và tính trơ hoá học cao của lớp phủ làm tăng góc tạo phoi dẫn tới giảm kích thước lẹo dao và loại trừ lẹo dao ở tốc độ cắt thấp hơn như hình 19.
Hình 19: a. So sánh quá trình tạo phoi khi cắt bằng dao phủ TiN và dao không phủ b. Đồ thị biểu diễn thể tích của lẹo dao khi cắt thép 1045
Từ hình 19 có thể thấy rằng lớp phủ cứng làm giảm ma sát giữa phoi và mặt trước, chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước, chiều dày của phoi dẫn đến tăng góc tạo phoi và làm cho vùng tiếp xúc trên mặt trước tiến gần lưỡi cắt hơn. Hình 19 cho thấy TiN có khả năng loại trừ lẹo dao tốt nhất so với TiC và oxide. Ở vận tốc cắt trên 50 m/phút lẹo dao hầu như bị loại trừ.
Nghiên cứu của Konig chỉ ra rằng tính chất nhiệt của lớp phủ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo phoi. Nhiệt độ cao trên mặt trước và khả năng dẫn nhiệt kém
của lớp phủ sẽ làm giảm sức bền cắt của thép các bon. Ở trạng thái như thế biến dạng dẻo xảy ra trước, làm phoi tách ra khỏi phôi dễ hơn dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dày của phoi. Ngược lại khi lớp phủ có hệ số dẫn nhiệt cao sẽ làm cho quá trình tạo phoi khó khăn hơn.
Ví dụ: TiCN có hệ số dẫn nhiệt 36W-1.K-1 lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của TiN (19W-1.K-1) sẽ làm giảm góc tạo phoi và tăng chiều dày của phoi. Nguyên nhân là do nhiệt thoát nhanh từ mặt trước vào dụng cụ làm giảm nhiệt độ ở mặt dưới của phoi làm cho quá trình thoát phoi trở lên khó khăn hơn. Trong thí nghiệm của Konig chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước tăng từ dao phủ TiAlN đến TiN đến TiCN tương ứng với sự tăng của lực cắt lên 20% của dao phủ TiN và 33% của dao phủ TiCN so với dao phủ TiAlN. Sau này Konig và Kêmmrmeier cho rằng hệ số thẩm nhiệt thấp của lớp phủ xác định theo công thức: b2 = c. . (b: hệ số thẩm nhiệt, c: nhiệt dung riêng, : tỷ trọng, : hệ số dẫn nhiệt) mới là yếu tố làm tăng góc tạo phoi và giảm chiều dày của phoi.
Có thể thấy rằng tính trơ hoá học và tính chất nhiệt đặc biệt của vật liệu phủ có ảnh hưởng rất lớn đến tương tác ma sát trên mặt trước và quá trình tạo phoi.
2.2.3. Ảnh hưởng của tạp chất trong thép đến tương tác ma sát trong cắt kim loại
Các tạp chất phi kim loại trong thép có ảnh hưởng rất lớn đến tính gia công với mức độ khác nhau phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, sự phân bố và tỷ trọng của chúng. Các nguyên tố như lưu huỳnh, silíc, phốt pho vv… có ảnh hưởng lớn đến hình dạng, kích thước và đặc tính của các tạp chất làm thay đổi tính gia công.
Phốt pho và lưu huỳnh có tác dụng tăng tính gia công, silíc làm giảm tính gia công. Các nguyên tố khác như các bon và mangan có tác dụng làm tăng sức bền của thép và làm giảm tính gia công.
Theo Trent, Optiz và Kankaanpaa, tạp chất trong thép có tác dụng tạo ra lớp đọng MnS và silicate như một lớp bôi trơn giữa phoi và mặt trước của dụng cụ có tác dụng giảm mòn. Ngược lại, Liesling và Shaw lại cho rằng tạp chất (như MnS) không đóng vai trò là chất bôi trơn theo cách nghĩ thông thường bởi vì hàm lượng lưu huỳnh càng cao thì hệ số ma sát trung bình trên mặt trước càng lớn. Kiesling
cũng phát hiện các tạp chất MnS nhỏ có tác dụng làm tăng ma sát trên mặt trước của dụng cụ, bởi vì các tạp chất nhỏ thường có khuynh hướng khó bị biến dạng hơn các tạp chất lớn và do đó không có khả năng tạo nên những vùng dễ biến dạng dẻo trong vùng biến dạng thứ hai. Theo ông thì MnS có hai tác dụng đó là giảm biến dạng trong vùng mặt phẳng trượt (tác dụng khối) và tăng ma sát trên mặt trước (tác dụng bề mặt). Trong các điều kiện cắt thông thường tác dụng thứ nhất chiếm ưu thế, tuy nhiên khi vận tốc cắt thấp và lượng chạy dao nhỏ thì tác dụng thứ hai chiếm ưu thế.
Cho đến nay một số nghiên cứu đã phát hiện được sự tồn tại của lớp đọng tạp chất trên mặt trước của dao và ảnh hưởng của nó tới tuổi bền. Milovic đã quan sát được lớp đọng MnS trên mặt trước của dao thép gió phủ TiN dùng cắt thép các bon dễ gia công với tốc độ cắt 75m/phút. Lớp đọng này làm giảm ma sát giữa phoi và mặt trước và có tác dụng tăng tuổi bền của dao. Palmai cũng khẳng định được sự hình thành lớp đọng trên mặt trước với thành phần hoá học gồm MnS và silicate khi cắt thép C45 bằng dao thép gió M2 phủ TiN với tốc độ cắt 45m/phút có tác dụng tăng tuổi bền. Kankaanpaa đã tìm thấy lớp đọng chứa các nguyên tố như Mangan, silic, lưu huỳnh và canxi trên mặt trước của dụng cụ thép gió phủ TiN khi cắt thép khử ôxy bằng calcium. Sự tồn tại của lớp đọng này làm tăng tuổi bền của dụng cụ.
Tóm lại việc hình thành lớp đọng phi kim loại trên mặt trước của dao hợp kim cứng, ceramic và phủ làm thay đổi tương tác ma sát trên mặt trước dẫn đến tăng hoặc giảm tuổi bền của dụng cụ.