機械加工刀具的表面涂層和摩擦磨損性能研究
2018-11-16 來源： 湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機械工程學(xué)院 作者：景想云
摘 要：采用圓形電弧技術(shù)和線性離子源技術(shù)在高速鋼和硬質(zhì)合金刀具表面制備了類金剛石涂層，對涂層表面形貌和物相組成進行了觀察，對比分析了膜層成分和耐磨性能。 結(jié)果表明，在高速鋼和硬質(zhì)合金表面分別制備了 0.84 μm和 1.23 μm 厚涂層；對磨過程中 Al 的粘附量由少至多為：N1 涂層<N2 涂層<硬質(zhì)合金基材<高速鋼基材，涂層對機械加工刀具基材耐磨性能提高具有明顯改善作用。
關(guān)鍵詞：刀具；涂層；磨損；顯微組織。
機械加工刀具按工件加工表面的形式可分為五類，加工各種外表面的刀具、孔加工刀具、螺紋加工刀具、齒輪加工刀具和切斷刀具，此外，還有組合刀具。 按切削運動方式和相應(yīng)的刀刃形狀，刀具又可分為三類：通用刀具、成形刀具和展成刀具。 刀具材料大致分如下幾類：高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金剛石。
本文以市場上用量較大的高速鋼和硬質(zhì)合金材料為基材，通過在兩種刀具基材表面進行涂層制備的方法，研究了表面涂層的物相組成和結(jié)構(gòu)，并對比分析了基材和涂層的摩擦磨損性能， 旨在通過在機械加工刀 具表面制備表面涂層來進一步提高刀具的使用壽命。
1 、實驗材料與方法
選取市場上常用的高速鋼和硬質(zhì)合金刀具作為基材，分別采用圓形電弧技術(shù)和線性離子源技術(shù)在基材上制備金剛石涂層，以提高機械刀具的綜合性能。 高速鋼基材為W8Mo5Cr3V1，硬質(zhì)合金基材為 YG6， 涂層制備過程中在基材上首先制備 Cr 層作為過渡層，整個涂層的結(jié)構(gòu)為：基材 -Cr 層-涂層，涂層成分為 C。 高速鋼表面涂層計為 N-1，制備時的沉積溫度為 180 ℃； 硬質(zhì)合金刀具表層涂層計為N-2，沉積溫度為 65 ℃。涂層的制備工藝流程為基材前處理、抽真空、爐內(nèi)刻蝕、Cr 過渡層沉積、涂層沉積、隨爐冷卻和出爐等步驟。
采用 JSM-2000 型掃描電鏡對基材和涂層的形貌進行觀察， 并用附帶的能譜分析儀測定了微區(qū)成分：物相分析采用德國 BUEKER 型 X 射線衍射分析儀進行觀察，掃描角度為 20°~90°；涂層厚度采用BFK BALL CRATET DEVICE 球 磨 儀 測 量 ； 在F-1500 型摩擦磨損試機上進行磨損試驗 ，對磨材料為工業(yè)純 Al，試驗條件為轉(zhuǎn)速 500 r/min，法向載荷為 200 N，周期為 10 min，試驗溫度為常溫。
2 、實驗結(jié)果與分析
圖 1 為采用圓形電弧技術(shù)在高速鋼表面制備的涂層的截面形貌和能譜分析。 從截面顯微組織中可見基材、Cr 過渡層和表面涂層組織， 采用球磨儀測得的表面涂層的厚度為 0.84 μm，中間 Cr 過渡層的厚度為 0.52 μm。 從能譜線掃描分析結(jié)果可見，在整個基材 -Cr 過渡層-涂層截面的 C 元素和 Cr 元素分布，可見 Cr 元素的濃度梯度界面層，而表面涂層中 Cr 元素含量較低，C 元素含量較高。圖 2 為采用線性離子源技術(shù)在硬質(zhì)合金表面制備的涂層的截面形貌和能譜分析。 從截面顯微組織中可見基材、Cr 過渡層和表面涂層組織， 采用球磨儀測得的表面涂層的厚度為 1.23 μm，中間 Cr 過渡層的厚度為 0.68 μm。 從能譜線掃描分析結(jié)果中也可以清楚看到基材 -Cr 過渡層-涂層截面。整個截面層中 C 元素和 Cr 元素的分布狀態(tài)與高速鋼截面類似，但是在硬質(zhì)合金涂層中 C 元素含量要高。
兩種截面中的 Cr 過渡層中都出現(xiàn)了明顯的 Cr 濃度梯度界面，這種界面的存在可以在一定程度上降低整個涂層的生長應(yīng)，從而可 以改善涂層與基材的結(jié)合力。
對高速鋼刀具表面涂層和硬質(zhì)合金刀具涂層表面的金相組織進行觀察，結(jié)果如圖 3。 可以看出，在高速鋼涂層表面出現(xiàn)了許多分布均勻的黑色顆粒，對這些尺寸較小的顆粒進行平均尺寸統(tǒng)計結(jié)果表明，這些黑色顆粒的平均尺寸為 1.13 μm；對比分析硬質(zhì)合金刀具表面金相組織，表面組織中較為干凈，沒有明顯的黑色顆粒狀物質(zhì)出現(xiàn)， 只是在局部區(qū)域出現(xiàn)了黑色顆粒狀物質(zhì)。
這可能與涂層的制備工藝有關(guān)，高速鋼表面涂層由于采用的是圓形電弧技術(shù)，涂層表面會出現(xiàn)較大的波谷，造成表面粗糙度增加，而采用線性離子源技術(shù)的硬質(zhì)合金表面涂層的波谷較為平緩，所以其粗糙度會低。對高速鋼刀具表面涂層和硬質(zhì)合金刀具涂層表面進行 X 射線衍射圖譜分析， 結(jié)果如圖 4。 可以看出， 在高速鋼表面涂層和硬質(zhì)合金涂層中都出現(xiàn)了類金剛石物相和非晶態(tài)饅頭峰。 但是兩種涂層表面的 X 射線衍射圖譜的衍射峰存在一定差異，具體表現(xiàn)為硬質(zhì)合金涂層表面峰較為毛糙，在 60° ~70° 和80° ~90° 間的峰強度明顯小于高速鋼涂層表面峰值強度。 兩種涂層表面的主要物相都為 C，只是 C 的形態(tài)不同而已，高速鋼表面涂層的類金剛石膜層特征更加明顯。
圖 5 對比分析了高速鋼、 硬質(zhì)合金基材、N1 涂層和 N2 涂層在與工業(yè)純 Al 對磨后表面附著 Al 的情況對比分析，并用箭頭指出了鋁的存在，經(jīng)過對比分析可見，在經(jīng)過 10 min 對磨試驗后，高速鋼基材表面質(zhì)量增加了 0.394 g，硬質(zhì)合金基材表面質(zhì)量增加了 0.124 g， 而 N1 涂層和 N2 涂層表面質(zhì)量分別增加了 0.009 g 和 0.023 g。 結(jié)合質(zhì)量情況可見，對磨過程中 Al 的粘附量由少至多為：N1 涂層<N2 涂層<硬質(zhì)合金基材<高速鋼基材。 由此可見，在高速鋼和硬質(zhì)合金刀具表面制備涂層都可以提高耐磨性能，尤其以高速鋼的改善狀況最為明顯。摩擦磨損試驗后， 對高速鋼涂層和硬度合金涂層在磨損時間分別為 3 min 和 7 min 后的表面涂層形貌進行了觀察，結(jié)果如圖 6 圖 7。
對于高速鋼涂層，在背散射掃描電鏡下，衍射較亮的部位為高速鋼基體，灰色部分為 Al 合金，黑色部分則為涂層，對比 3 min 和 7 min 摩擦后的形貌，3 min 對磨試樣后涂層中沒有出現(xiàn)明顯的 Al 殘留痕跡，涂層有一定程度的減薄， 而 7 min 對磨試驗后涂層中出現(xiàn)了局部破裂， 局部還可以發(fā)現(xiàn)高速鋼基體材料，Al 的殘留也開始出現(xiàn)。對于硬質(zhì)合金涂層， 對比 3 min 和 7 min 摩擦后的形貌，在磨損進行到 3 min 時，涂層中就已經(jīng)出現(xiàn)了破裂，同時在涂層中可以發(fā)現(xiàn)明顯的 Al 殘留痕跡，硬質(zhì)合金基體局部暴露；對比 7 min 摩擦后的形貌，局部破裂行為進一步加劇，同時在涂層表面出現(xiàn)了大面積的 Al 粘附聚集現(xiàn)象， 這一點與對磨后質(zhì)量的變化結(jié)果保持一致。
3 、結(jié)論
（1）高速鋼表面涂層的厚度為 0.84 μm，中間 cr過渡層的厚度為 0.52 μm； 硬質(zhì)合金涂層的厚度為1.23 μm，中間 Cr 過渡層的厚度為 0.68 μm。
（2）在經(jīng)過 10 min 對磨試 驗后 ，高速鋼基材表面質(zhì)量增加了 0.394 g，硬質(zhì)合金基材表面質(zhì)量增加了0.124 g， 而 N1 涂層和 N2 涂層表面質(zhì)量分別增加了 0.009 g 和 0.023 g；對磨過程中 Al 的粘附量由少至多為：N1 涂層<N2 涂層<硬質(zhì)合金基材<高速鋼基材。
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