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機械加工刀具的（de）表麵塗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（jǐng）想雲

摘要：采用圓（yuán）形電弧技術和線性離子源技術在高速鋼和硬質合（hé）金刀具表麵製備了類金剛石塗層，對塗層表麵形貌和物相組（zǔ）成進行了觀察，對（duì）比（bǐ）分析了膜層成分和耐（nài）磨性能。結果（guǒ）表明，在高速鋼和硬質合金（jīn）表麵分別製備了 0.84 μm和 1.23 μm 厚塗層；對（duì）磨過程中 Al 的粘（zhān）附量由少至多為：N1 塗層<N2 塗層<硬質合金基材（cái）<高速（sù）鋼基材，塗層對機械加工刀具基材耐磨性能提高具有明（míng）顯改善（shàn）作（zuò）用。

關鍵詞：刀具；塗層；磨損（sǔn）；顯微組織。

機（jī）械（xiè）加工（gōng）刀（dāo）具按工件加工（gōng）表麵的形式可分為五類，加工各種外表麵的刀（dāo）具、孔加工刀具、螺紋加工刀具、齒輪加工刀具（jù）和切斷刀具，此外，還有組合（hé）刀具（jù）。按切削運動（dòng）方（fāng）式和（hé）相應的刀（dāo）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（xià）幾類：高速鋼、硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、聚晶立方（fāng）氮化硼以及聚晶金剛石。

本文以市場上（shàng）用量較大的高速鋼和（hé）硬質合金材料為基材，通過在兩種刀具基材表麵進行塗層製備的方法，研究了表麵塗層的物相組成和結構，並對比分析了基材和塗層的摩擦磨損性能，旨在通過在機械加（jiā）工刀（dāo）具表麵製備表麵塗層來進一步提高（gāo）刀具的使（shǐ）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（hé）金刀具作為基（jī）材，分（fèn）別采用圓形電（diàn）弧技術和線性離子源技術在基（jī）材上製備金剛石塗層，以提高機械刀具的綜合性能（néng）。高速鋼基材為W8Mo5Cr3V1，硬（yìng）質（zhì）合（hé）金基材為 YG6，塗層製備過程中（zhōng）在基材上首先製備 Cr 層作為過渡層，整（zhěng）個（gè）塗層的結構為：基材 -Cr 層-塗（tú）層，塗層（céng）成分為 C。高速鋼表麵塗（tú）層計為 N-1，製備（bèi）時的沉積溫（wēn）度為（wéi） 180 ℃；硬質合金刀具表層塗（tú）層計為N-2，沉積溫度為 65 ℃。塗層的製備工藝流程為基材前處理（lǐ）、抽真空、爐（lú）內刻蝕、Cr 過渡層沉（chén）積（jī）、塗層沉積、隨爐冷卻和出爐等步驟（zhòu）。

采用 JSM-2000 型掃描電鏡對基材（cái）和（hé）塗層的（de）形（xíng）貌進行觀察，並用附帶的能譜分析儀測定了微區成分：物相分（fèn）析采用德（dé）國 BUEKER 型 X 射線衍射分析儀進行觀察，掃描角度為 20°~90°；塗層厚度采用BFK BALL CRATET DEVICE 球磨儀測量；在F-1500 型摩擦磨損試機（jī）上進（jìn）行磨損試（shì）驗，對磨材料為工業純 Al，試驗條件為（wéi）轉速 500 r/min，法向載荷為 200 N，周期為 10 min，試驗溫（wēn）度為常溫。

2 、實驗結果與分析

圖（tú） 1 為采用圓（yuán）形電弧技術在高速鋼表麵製備的塗層的截麵形貌和能譜分析。從截麵顯微組織中可見基材、Cr 過渡層和表麵塗層組織，采用球磨儀（yí）測得的表麵塗層的厚度為 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（zhěng）個（gè）基材 -Cr 過渡層-塗層（céng）截麵的（de） C 元素和 Cr 元素分（fèn）布，可見 Cr 元素的濃度梯度（dù）界（jiè）麵層，而表麵塗層中 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（biǎo）麵（miàn）製備的塗層的截（jié）麵形貌（mào）和能譜分析（xī）。從截麵顯（xiǎn）微組織中可見基（jī）材、Cr 過渡層和（hé）表麵塗層組織（zhī），采用球磨儀測（cè）得的表麵塗層的厚度為 1.23 μm，中間 Cr 過（guò）渡（dù）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（dù）層-塗層截麵。整個截麵層中 C 元素和 Cr 元素的分布狀態與高速鋼截麵類似，但是在硬質（zhì）合金塗層中 C 元素含量要高。

兩種截麵中的 Cr 過渡層中都出現了明顯的 Cr 濃度（dù）梯度界（jiè）麵，這種界麵的存在可以在一定程度上降低整個（gè）塗層的生長應，從而可（kě）以改善塗層與基（jī）材的結（jié）合力。

對高速鋼刀具表麵塗層和硬質合（hé）金刀具塗層表麵的金相組織進行觀察，結果如圖 3。可以（yǐ）看出，在高速鋼塗層表麵出（chū）現了許（xǔ）多（duō）分布均勻的黑色顆粒，對（duì）這些尺寸較小的顆粒進行平均尺（chǐ）寸統計（jì）結果表（biǎo）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（biǎo）麵金相組織，表（biǎo）麵組織中較為幹淨，沒有明（míng）顯的黑（hēi）色顆粒狀（zhuàng）物質出現，隻是在局部區域出（chū）現了黑色顆粒（lì）狀物質。

這可（kě）能與塗層的製備工藝有關，高速鋼表麵塗層（céng）由於采用的是圓形電弧技術，塗（tú）層表麵會出現較大的波穀，造成表麵粗糙度增加，而采用線性離子源技術的硬質合金表麵塗層的波穀較為平緩，所以其粗糙度會低。對高速鋼（gāng）刀具表麵塗層和硬質合金刀具塗層表麵進行 X 射線衍射圖（tú）譜分析，結果如圖 4。可（kě）以看出（chū），在高速鋼表麵塗層和硬質合金（jīn）塗層中都（dōu）出現了類金剛石物相和非（fēi）晶（jīng）態饅頭峰。但是兩種塗層表麵的 X 射線衍射（shè）圖譜的衍射峰存在一定差異（yì），具體表現為硬質合金塗層表麵（miàn）峰較為毛糙，在 60° ~70° 和80° ~90° 間的（de）峰強度明顯小於高速鋼塗（tú）層表麵（miàn）峰值強度。兩種塗層表（biǎo）麵（miàn）的主要物相都為 C，隻是 C 的形態不同而已，高速鋼表麵塗層的類金剛石膜（mó）層特征更加明顯。

圖 5 對比分析（xī）了高速鋼、硬質合金基材、N1 塗層和 N2 塗層在與工業純 Al 對（duì）磨後表麵附著 Al 的情況對比分析，並用箭頭指出了鋁的存在，經過對比分析可見，在經過 10 min 對（duì）磨試（shì）驗後，高（gāo）速鋼基材表麵質量增加了 0.394 g，硬質合金基材表麵質量增加了 0.124 g，而 N1 塗層和 N2 塗層表麵質量分別增加了 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 塗層<N2 塗層<硬（yìng）質合金（jīn）基材<高速鋼基材。由此可見，在高速鋼和硬質合金刀具表麵製備塗層都可（kě）以提高耐磨性能，尤其以高（gāo）速鋼的改（gǎi）善狀況最為明顯。摩擦磨損試驗後，對高速鋼塗層和硬（yìng）度合金塗層在磨損時間分別為 3 min 和 7 min 後的表麵塗層形貌進行了觀察，結果（guǒ）如圖 6 圖 7。

對於高速鋼塗層，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（wéi） Al 合金，黑色部分則為（wéi）塗層，對比 3 min 和 7 min 摩擦後的形貌，3 min 對（duì）磨試樣後塗層中沒有出（chū）現明（míng）顯的 Al 殘留痕跡，塗層有一定程度（dù）的減薄，而 7 min 對（duì）磨試驗後塗層中出現了局部破裂，局部還可以發（fā）現高速鋼（gāng）基體材料，Al 的殘留也開始出現。對於硬質合金塗層，對比 3 min 和 7 min 摩擦後（hòu）的（de）形貌，在磨（mó）損進行到 3 min 時，塗層（céng）中就已經出現了破裂，同時在塗層中可以發現明顯的 Al 殘留痕（hén）跡，硬質合金基體局部暴露（lù）；對比 7 min 摩擦後的形貌，局部破裂行為進一步加劇，同時在塗層表麵出現了大麵積的 Al 粘附聚集現象，這一點與對磨後質量的變化結果保持一（yī）致（zhì）。

3 、結論

（1）高速鋼表（biǎo）麵塗層的厚（hòu）度為 0.84 μm，中間 cr過渡（dù）層的厚度為 0.52 μm；硬質合金塗層（céng）的（de）厚（hòu）度為1.23 μm，中間（jiān） Cr 過渡層的厚（hòu）度為 0.68 μm。

（2）在經過（guò） 10 min 對磨試驗後，高（gāo）速鋼基材表麵質量增加了 0.394 g，硬質合金（jīn）基材表麵質量增加了0.124 g，而 N1 塗層和 N2 塗層表麵（miàn）質量（liàng）分別增加了 0.009 g 和 0.023 g；對磨過程中 Al 的（de）粘附量（liàng）由少至多為：N1 塗（tú）層<N2 塗層<硬質合金基材<高速鋼基材。

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