高速鋼刀具固體潤滑涂層的研究

孫 凱, 劉鳳霞, 安 寧

（1.遼寧工程技術大學實驗實訓中心,遼寧阜新 123000;2.遼寧工程技術大學應用技術學院遼寧阜新 123000;3.四川建筑職業(yè)技術學院土木系,四川德陽 618000）

高速鋼刀具固體潤滑涂層的研究

孫 凱1, 劉鳳霞2, 安 寧3

（1.遼寧工程技術大學實驗實訓中心,遼寧阜新 123000;2.遼寧工程技術大學應用技術學院遼寧阜新 123000;3.四川建筑職業(yè)技術學院土木系,四川德陽 618000）

為了解決高速鋼刀具磨損快的問題,延長刀具使用壽命,通過研究磷化處理加固體潤滑涂層的工藝方法,在刀具表面制備出了以WS2為主的固體潤滑涂層。實驗證明:在外加磁場（3.0×10-3T）作用下,刀具表面磷化膜的粗糙度得到較好的控制;此時進行固體潤滑劑涂覆刀具處理,涂層厚度達4.935μm,刀具使用壽命最高,比未進行處理的刀具壽命提高1.8倍。

磷化處理;固體潤滑涂層;刀具壽命

0 前言

在現(xiàn)代機械加工中,高速鋼因具有較高的強度和韌性、一定的硬度和耐磨性、可加工性好等特點成為制造金屬切削刀具的主要材料。但是受高速鋼自身性能的影響,在切削加工中易發(fā)生擴散磨損和相變磨損,從而降低刀具的使用壽命。為了提高高速鋼刀具的使用壽命,目前多采用對刀具進行涂層處理的方式。以MoS2等固體潤滑材料為涂層材料的軟涂層刀具[1],既保持了刀具良好的韌性和較高的強度,又降低了摩擦系數(shù);不僅提高了刀具的切削性能,而且大大延長了刀具的使用壽命。

鋼鐵零件在含有錳、鐵、鋅、鈣的磷酸鹽溶液中進行化學處理,使其表面形成一層難溶于水的磷酸鹽保護膜的方法叫做磷化處理[2]。本研究以 WS2為主要固體潤滑涂層材料,對高速鋼刀具表面進行涂層處理。在涂層處理前,先對刀具進行磷化處理,以提高固體潤滑涂層在刀具表面的吸附能力,并研究外加磁場對高速鋼磷化膜成膜質(zhì)量的影響。

1 實驗

1.1 儀器設備

電子天平,恒溫槽,長直螺線管,軟鐵棒,勵磁直流電源,粗糙度測定儀,烘箱,平底銑刀,XH714加工中心。

1.2 主要試劑

質(zhì)量分數(shù)為85%的濃 H3PO4,ZnO,質(zhì)量分數(shù)為36%的 HCl,Zn（NO3）2·6H2O,質(zhì)量分數(shù)為5%的Na2CO3,質(zhì)量分數(shù)為2%的蘇打肥皂水,WS2,納米氧化鋁,無水乙醇。

1.3 磷化液的配制

按容器計算出配方用量。將 H3PO4倒入磷化槽內(nèi)加熱,攪拌中緩慢加入預先用水釋稀好的ZnO,待ZnO全部溶解后再加入Zn（NO3）2·6H2O,完全溶解后即可應用。

1.4 涂層制備工藝流程

2 結(jié)果與分析

2.1 磁感應強度對刀具涂層性能的影響

在磷化處理中使用外加磁場對刀具涂層的影響主要體現(xiàn)在對磷化膜表面粗糙度的影響上。通過改變磁感應強度,用表面粗糙度測量儀測定磷化膜的表面粗糙度。圖1,圖2為磁感應強度對刀具增重及刀具表面粗糙度的影響。

圖1 磁感應強度與刀具增重的關系

圖2 磁感應強度與刀具表面粗糙度的關系

圖3 磁感應強度與刀具涂層厚度的關系

由圖1,2可知:加外加磁場后,刀具增重開始明顯增加,同時磷化后刀具表面粗糙度也粗化;當磁感應強度增大至3.0×10-3T時,增重和粗糙度均達到最大,此時表面微觀形貌最均勻、致密,相比于不加外加磁場的高速鋼刀具增重近30%,粗糙度增加46%。這是因為磷化反應的速度取決于整個反應系統(tǒng)的熵。一定強度的磁場可以降低磷化處理系統(tǒng)的熵值[4],降低磷化膜生成的條件,故可以有效地形成磷化膜。所以,外加磁場有利于高速鋼刀具表面磷化處理的進行,促使磷酸鐵鹽和磷酸氫鐵鹽有序排列,能夠更快地沉積在金屬表面上。

圖3為磁感應強度與刀具涂層厚度的關系。由圖3可知:當磁感應強度增大至3.0×10-3T時,所得涂層最厚。

2.2 刀具使用壽命

表1為經(jīng)不同方法處理后所得刀具的使用壽命。由表1可知:經(jīng)單純磷化處理或單純涂層處理,都能提高刀具的使用壽命,但效果不是非常明顯;而將二者復合處理（磷化加固體潤滑劑涂層復合處理）后,所得刀具的使用壽命提高較大,可比未處理刀具的使用壽命提高1.8倍。

表1 不同處理方法所得刀具的使用壽命

3 結(jié)語

外加磁場可以降低整個磷化處理系統(tǒng)的熵值,對高速鋼磷化過程中磷化膜的成膜、外觀及膜的表面粗糙度等能夠產(chǎn)生直接影響。當磁感應強度為3.0×10-3T時,高速鋼磷化處理形成的磷化膜的表面粗糙度為2.739μm,此時對刀具進行固體潤滑劑涂層處理,涂層厚度達4.935μm,刀具使用壽命比未進行任何處理時提高1.8倍。

[1] 鄧建新.軟涂層刀具的發(fā)展與應用[J].工具技術,2005,39（3）:35-37.

[2] 弗里曼D B.磷化與金屬預處理[M].侯鈞達,吳哲,譯.北京:國防工業(yè)出版社,1989.

[3] 夏致斌.高速鋼刀具磷化處理試驗研究[J].表面技術,2008,37（4）:42-45.

[4] Bataineh O,KlameckiB,KoepkeB G.Effectofpulsed magnetic treatment on drill wear[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,134（2）:190-196.

Solid Lubricant Coating for High-Speed Steel Cutting Tools

SUN K ai1, LIU Feng-xia2, AN Ning3

（1.Experiment Practice Training Center,Liaoning Technique University,Fuxin 123000,China;2.College of Applied Technologies,Liaoning Engineering and Technical University,Fuxin 123000,China;3.Detp.of Civil Engineering,Sichuan College of Architectural Technology,Deyang 618000,China）

To solve the faster wear problem of high speed steel tools and extend their service life,a WS2-based solid lubricant coating is prepared on the surface of cutting tools through the study of a process of phosphating plus solid lubricant coating.Experiments show that under the action of an externally applied magnetic field（3.0×10-3T）the roughness of phosphate coating on cutting tool surface can be better controlled,and cover cutting tools with a 4.935μm thick solid lubricant layer at that time,the cutting tools will have the longest service life,1.8 times longer than that of untreated ones.

phosphate treatment;solid lubrication layer;cutting tool life

TG 174

A

1000-4742（2011）04-0027-02

2010-11-02