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： 湖北汽車工業學院 機械工程學院 作者：景想云
摘 要：采用圓形電弧技術和線性離子源技術在高速鋼和硬質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。 結果表明，在高速鋼和硬質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構，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合金刀具作為基材，分別采用圓形電弧技術和線性離子源技術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，整個涂層的結構為：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 ，對磨材料為工業純 Al，試驗條件為轉速 500 r/min，法向載荷為 200 N，周期為 10 min，試驗溫度為常溫。
2 、實驗結果與分析
圖 1 為采用圓形電弧技術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在硬質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 元素的分布狀態與高速鋼截面類似，但是在硬質合金涂層中 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，從而可 以改善涂層與基材的結合力。
對高速鋼刀具表面涂層和硬質合金刀具涂層表面的金相組織進行觀察，結果如圖 3。 可以看出，在高速鋼涂層表面出現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計結果表明，這些黑色顆粒的平均尺寸為 1.13 μm；對比分析硬質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出現， 只是在局部區域出現了黑色顆粒狀物質。
這可能與涂層的制備工藝有關，高速鋼表面涂層由于采用的是圓形電弧技術，涂層表面會出現較大的波谷，造成表面粗糙度增加，而采用線性離子源技術的硬質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合金刀具涂層表面進行 X 射線衍射圖譜分析， 結果如圖 4。 可以看出， 在高速鋼表面涂層和硬質合金涂層中都出現了類金剛石物相和非晶態饅頭峰。 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，具體表現為硬質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、 硬質合金基材、N1 涂層和 N2 涂層在與工業純 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，經過對比分析可見，在經過 10 min 對磨試驗后，高速鋼基材表面質量增加了 0.394 g，硬質合金基材表面質量增加了 0.124 g， 而 N1 涂層和 N2 涂層表面質量分別增加了 0.009 g 和 0.023 g。 結合質量情況可見，對磨過程中 Al 的粘附量由少至多為：N1 涂層<N2 涂層<硬質合金基材<高速鋼基材。 由此可見，在高速鋼和硬質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了局部破裂， 局部還可以發現高速鋼基體材料，Al 的殘留也開始出現。對于硬質合金涂層， 對比 3 min 和 7 min 摩擦后的形貌，在磨損進行到 3 min 時，涂層中就已經出現了破裂，同時在涂層中可以發現明顯的 Al 殘留痕跡，硬質合金基體局部暴露；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了大面積的 Al 粘附聚集現象， 這一點與對磨后質量的變化結果保持一致。
3 、結論
（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）在經過 10 min 對磨試 驗后 ，高速鋼基材表面質量增加了 0.394 g，硬質合金基材表面質量增加了0.124 g， 而 N1 涂層和 N2 涂層表面質量分別增加了 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<硬質合金基材<高速鋼基材。
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