硬質(zhì)合金刀條AlCrN硬質(zhì)膜性能的研究

（青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266520）

近年來(lái)，隨著我國(guó)機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，各種難加工材料日益增多，如何提高刀具的切削性能和使用壽命成為迫在眉睫的問(wèn)題。硬質(zhì)合金具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損和耐腐蝕等性能，主要應(yīng)用在刀片、滾刀、鉆頭和刀條等切削刀具中，有關(guān)研究表明，使用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削時(shí)，切削速度提高到高速鋼刀具的2.5倍，使用壽命提高5倍[1—2]。常用的刀具涂層方法主要有物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。CVD在沉積過(guò)程中需要較高的溫度且反應(yīng)氣體對(duì)環(huán)境有害；制備的膜層內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為張應(yīng)力，降低切削刃的韌性，在使用過(guò)程中容易崩刃，故限制了其在硬質(zhì)合金上的發(fā)展使用。PVD制備的涂層內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，且沉積溫度較低，屬于綠色制造，故近年來(lái)得到極大推廣使用。硬質(zhì)合金刀具表面硬質(zhì)膜從簡(jiǎn)單的單層二元涂層到多層涂層和多元涂層、梯度涂層以及納米復(fù)合涂層方向發(fā)展，但是目前應(yīng)用較成熟的仍然是TiN, CrN, TiCN, TiAlN, AlCrN等，這幾類涂層在將來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)將依然是刀具的主要膜層種類[3—6]。

在傳動(dòng)類零件的應(yīng)用中，耐用、低噪音和高效的齒輪加工技術(shù)提高了對(duì)刀具的要求。硬質(zhì)合金刀條作為加工齒輪的主要刀具，如何提高其使用性能，使其具有更高的切削速度、更長(zhǎng)的使用壽命具有非常重大的研究意義。文中簡(jiǎn)述了硬質(zhì)合金刀條的前后處理工藝和 AlCrN涂層的制備方法，檢測(cè)分析了涂層顯微形貌、涂層厚度和顯微硬度的關(guān)系，不同涂層厚度的情況下結(jié)合力的優(yōu)劣以及涂層厚度對(duì)使用壽命的影響，總結(jié)出最適于硬質(zhì)合金刀條的膜層厚度，具有重要的實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。

1 試樣制備及檢測(cè)

1.1 前處理

圖1 刀條實(shí)例Fig.1 Cemented carbide blades

硬質(zhì)合金刀條見(jiàn)圖1，其前處理工序主要包括清洗、鈍化和裝夾。硬質(zhì)合金刀條的清洗工序?yàn)椋?①粗洗先經(jīng)過(guò)噴淋槽，預(yù)清洗掉刀條表面的油污和灰塵，接著進(jìn)入超聲清洗槽，利用超聲波的作用去除噴淋不掉的油污和雜質(zhì)，緊接著進(jìn)入漂洗槽，沖洗掉前一槽的化學(xué)液，最后進(jìn)入烘干槽，利用熱風(fēng)機(jī)烘干刀條；② 精洗此工序是在刀條鈍化完成后，精洗之前要重新粗洗，以便去除刀條表面殘留的鈍化砂料；精洗完成后取出清洗的產(chǎn)品，直接裝爐進(jìn)行涂層制備。鈍化使用的砂料，主要有粗砂和細(xì)砂兩種。粗砂材料是鉻剛玉與鐵砂混合物，用于鍍前刃口倒圓角處理；細(xì)砂材料是核桃粉和鐵砂的混合物，主要用于涂層后處理對(duì)涂層刀具表面滴狀顆粒的清理和拋光。硬質(zhì)合金刀條清洗工序完成之后進(jìn)行鈍化，鈍化使用粗砂料，主軸轉(zhuǎn)速為25 r/min，總鈍化時(shí)間為20 min，其中主軸正轉(zhuǎn)10 min，反轉(zhuǎn)10 min。

1.2 AlCrN涂層制備

本實(shí)驗(yàn)試樣選用 YG8基材，樣塊尺寸為 15 mm×10 mm×6 mm，表面經(jīng)初拋光后用使用布輪拋光達(dá)到鏡面，然后使用超聲清洗槽進(jìn)行超聲清洗15 min（無(wú)水乙醇溶液）并烘干，試樣烘干后用磁鐵吸附在實(shí)驗(yàn)的備用刀條上，與實(shí)際鍍膜的刀條同等位置安放，采用真空陰極多弧離子鍍?cè)O(shè)備分批次（20批）制備AlCrN涂層。

1.3 后處理

硬質(zhì)合金刀條是采用鈍化的方式進(jìn)行后處理。鈍化時(shí)采用細(xì)砂料，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為25 r/min，鈍化時(shí)間設(shè)定為10 min，其中正轉(zhuǎn)5 min，反轉(zhuǎn)5 min。鈍化完成后取出刀條，清除掉刀條表面殘留的砂料。

1.4 檢測(cè)方法

使用HR-150A洛氏硬度計(jì)（壓入力設(shè)定為60 kg）壓出球坑，測(cè)定樣塊基材硬度，根據(jù)壓痕周圍形貌使用工具顯微鏡定性判斷涂層的結(jié)合力。使用JS-QHY-2型號(hào)球痕儀對(duì)涂層后樣塊進(jìn)行球磨，對(duì)磨球材質(zhì)為金剛石，直徑為 180 mm，磨出球坑后用 HXD-1000TMC/LCD顯微維氏硬度計(jì)測(cè)定涂層厚度和顯微硬度（載荷為25 g），每個(gè)試樣測(cè)A, B, C這3點(diǎn)，通過(guò)取平均值計(jì)算出涂層硬度。使用 ZEISS公司MERLIN COMPACT型號(hào)掃描電子顯微鏡(SEM)觀察AlCrN涂層表面和截面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層顯微形貌

由涂層截面形貌（見(jiàn)圖2a）可觀察到，涂層組織結(jié)構(gòu)為致密的柱狀晶，由基體到表面依次為很薄的CrN層和較厚的AlCrN層，由于CrN的硬度較基體高但是比AlCrN硬度低，所以CrN層作為過(guò)渡層可以提高膜基結(jié)合力，并且由于較高比例的Cr元素的存在，高溫時(shí)極易形成Cr2O3，能阻止涂層氧化向基體擴(kuò)散，提高涂層抗氧化性[7]。AlCrN層屬于功能層，在沉積過(guò)程中 Al元素能夠置換出 CrN相中的Cr形成AlN相，同時(shí)Al元素可以固溶在CrN相中形成固溶體，導(dǎo)致固溶強(qiáng)化大幅度提高涂層的綜合性能；刀具切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，此時(shí)Al元素向涂層表面遷移形成 Al2O3氧化層，不僅減小摩擦因數(shù)，杜絕切削過(guò)程中沾料的發(fā)生，而且具有很高的紅硬性[8]。經(jīng)分析涂層表面形貌（見(jiàn)圖2b），涂層表面凹凸不平，有少許凹坑和大顆粒。表面的凹凸不平是由于涂覆過(guò)程中Cr離子和 Al離子受到偏壓的影響，攜帶了大量能量，離子在到達(dá)涂層表面時(shí)，能量逸散不均勻所造成的。大顆粒是多弧離子鍍技術(shù)的特定產(chǎn)物，主要是由于靶材表面弧斑沒(méi)有受到磁場(chǎng)的控制或者磁場(chǎng)調(diào)整的不均勻，弧斑運(yùn)動(dòng)速度過(guò)慢造成靶面局部溫度過(guò)高來(lái)不及冷卻，涂覆離子蒸發(fā)過(guò)快，形成了陰極多弧離子鍍?cè)O(shè)備典型的“大熔滴”。涂層表面的大顆粒與涂層結(jié)合不緊密，脫落后形成凹坑[9—10]。

涂層鈍化前后的表面形貌見(jiàn)圖3。鈍化前涂層表面分布有黑點(diǎn)和凹坑，表面粗糙度很大；黑點(diǎn)為上文所述的“大熔滴”暴露在空氣中遇氧氣氧化而形成，凹坑是大熔滴脫落而形成。鈍化后表面的黑點(diǎn)基本消失，未消除的黑點(diǎn)尺寸也明顯減小，但是凹坑的數(shù)量有所增多?？梢杂^察出，經(jīng)鈍化處理后，涂層的表面質(zhì)量明顯改善。

圖2 AlCrN涂層顯微形貌Fig.2 Micromorphology of AlCrN coating

圖3 鈍化前后表面形貌Fig.3 Surface morphology before and after passivation

2.2 涂層的力學(xué)性能

對(duì) 20組實(shí)驗(yàn)結(jié)果依次檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1，涂層厚度在2.1～5.8 μm之間，結(jié)合力在HF3～HF1，基材硬度均為 HRA89，涂層顯微硬度在 HV2200～HV3700。分析數(shù)據(jù)可得知，涂層的顯微硬度整體較高，顯微硬度較高一方面是因?yàn)槟映练e過(guò)程中由于偏壓的存在，膜層離子在電場(chǎng)中進(jìn)行加速，以較高的速度沉積在基體表面，同時(shí)對(duì)已沉積表面具有轟擊作用，提高膜層致密性的同時(shí)減小缺陷的產(chǎn)生；另一方面是因?yàn)橥繉拥?CrN相以面心立方結(jié)構(gòu)沉積時(shí)，涂層內(nèi)部 Al元素取代了部分 Cr，形成 AlN相，Al元素的晶粒尺寸小于Cr的晶粒尺寸，發(fā)生了晶格畸變，使晶格常數(shù)降低，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，提高顯微硬度[11—12]。

2.2.1 涂層厚度對(duì)結(jié)合力的影響

依據(jù)巴爾查斯、賽利和山特維克等公司共同制定的HF1～HF6評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)壓痕形貌對(duì)膜層結(jié)合力進(jìn)行定性分析（見(jiàn)圖4），可以看出，涂層厚度在2.1～3.0 μm之間時(shí)，壓痕為完整的圓形，周圍無(wú)塌陷，但是裂紋較多，故可判定結(jié)合力為HF2；涂層厚度在3.0～4.5 μm之間時(shí)，壓痕同樣為完整的圓形，周圍無(wú)塌陷，但是只有局部位置有少許裂紋，膜層與基體結(jié)合力很好，故可判定結(jié)合力為 HF1；涂層厚度在4.5～5.8 μm之間時(shí)，壓痕局部位置有塌陷且伴有少許脫落，其余位置裂紋密布，膜層與基體結(jié)合力較差，故可判定結(jié)合力為HF3。決定膜層結(jié)合力的主要因素是膜層的總能量，在膜層沉積開始的階段（2.1～3.0 μm），膜層內(nèi)應(yīng)力較小，表面能是決定膜層總能量的主要因素，此時(shí)膜層往往含有空洞和柱狀晶，柱狀晶界面貢獻(xiàn)了較大的表面能，膜層由于具有較大的表面能所以在壓入時(shí)候產(chǎn)生裂紋；隨著厚度的增加，內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)的增加，此時(shí)應(yīng)變能成為決定膜層總能量的決定性因素，膜層厚度在4.5～5.8 μm時(shí)，由于內(nèi)應(yīng)力較大導(dǎo)致結(jié)合力變差，壓痕的局部位置有脫落；膜層厚度在3.0～4.5 μm時(shí)，膜層的表面能和應(yīng)變能的總和即膜層的總能量相對(duì)較小，膜層抗裂紋擴(kuò)展的能力也相應(yīng)的增強(qiáng)，此時(shí)結(jié)合力最優(yōu)[13]。

表1 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Test results statistics of mechanical property

圖4 不同膜層厚度的壓痕形貌Fig.4 Indentation morphology of different film thickness

圖5 涂層硬度隨厚度變化結(jié)果Fig.5 Result of coating thickness changing with coating hardness

2.2.2 涂層厚度對(duì)顯微硬度的影響

基材硬度為HRA89時(shí)，涂層的顯微硬度隨涂層厚度的變化情況見(jiàn)圖5?？梢杂^察到，當(dāng)涂層厚度在2.0 μm時(shí)，涂層的顯微硬度為HV2200，涂層厚度在5.8 μm時(shí)，涂層的顯微硬度在HV3700。整體來(lái)講，涂層的顯微硬度隨厚度的增加而增加。可分析出，相同基材硬度前提下，涂層厚度的增加有利于涂層硬度的提高。這是因?yàn)橄鄬?duì)于基體來(lái)說(shuō)，膜層的顯微硬度較高，膜層較薄時(shí)，同等載荷的壓力有一部分作用在基體上，故表現(xiàn)為顯微硬度較低；隨著涂層厚度的增加，壓入力會(huì)完全作用在膜層上，基體受到的力逐漸減小直至消失，故表現(xiàn)在顯微硬度增高。由于組成膜層的晶體組織是逐層生長(zhǎng)，當(dāng)涂層厚度逐漸增加時(shí)，晶體層數(shù)也相應(yīng)的增加，當(dāng)以相同的載荷壓入時(shí)，壓入力被各層晶體分擔(dān)，抵抗壓入的能力相應(yīng)增加，故表現(xiàn)為顯微硬度增加[14]。

2.2.3 膜層厚度對(duì)刀具壽命的影響

具有不同膜層厚度的刀條進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，切削速度設(shè)定為150 m/min，具體實(shí)驗(yàn)效果見(jiàn)圖6。總體來(lái)講，隨著膜層厚度的增加，刀具的使用壽命呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。涂層厚度在2.1～2.8 μm之間時(shí)，刀具的加工數(shù)量在100～130件；涂層厚度在 3.1～4.5 μm之間時(shí)，刀具的使用壽命急劇增加，當(dāng)涂層厚度在 4.5 μm時(shí)，加工數(shù)量最多達(dá)到200件；涂層厚度在4.8～5.8 μm之間時(shí)，刀具的使用壽命又開始下降，加工數(shù)量在120～180件。故可分析得出，當(dāng)涂層厚度較薄時(shí)，涂層的顯微硬度較低，薄膜對(duì)基體的支撐作用較差，加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量可以透過(guò)膜層影響基體，基體會(huì)受熱變形造成切削力分配不均，加劇刀刃的磨損，從而影響使用壽命；隨著膜層厚度的增加，涂層的顯微硬度增加，刀具受到的等效應(yīng)力相應(yīng)較小，從而磨損量較小[15]，涂層的耐磨損性能得到相應(yīng)的提升，故而使用壽命得到改善；當(dāng)涂層厚度繼續(xù)增加，由于膜層內(nèi)應(yīng)力的存在，膜基結(jié)合力變差，在切削使用過(guò)程中膜層崩裂，失去對(duì)基體的保護(hù)作用，故而影響刀具的使用壽命。綜合分析可得出硬質(zhì)合金刀條 AlCrN涂層的最佳涂層厚度為4.0～4.5 μm。

圖6 涂層厚度與使用壽命檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.6 Test results statistics of coating thickness and service life

3 結(jié)論

1) AlCrN涂層整體為AlCrN/CrN雙層結(jié)構(gòu)，膜層表面呈波紋狀且分布有少許大顆粒和凹坑，經(jīng)鈍化處理后膜層質(zhì)量明顯改善。

2) AlCrN涂層的結(jié)合力隨涂層厚度的增加具有先優(yōu)后劣的變化趨勢(shì)，涂層厚度在 3.0～4.5 μm 之間時(shí)，結(jié)合力最好為HF1。

3) 相同基材硬度時(shí)，隨著膜層厚度的增加，膜層的變形抗力會(huì)逐漸增高，壓痕變形區(qū)域隨之減小，涂層顯微硬度越高。

4) 實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)表明，膜層厚度增加有利于刀具使用壽命的提高，但是當(dāng)膜層厚度大于4.5 μm時(shí)，使用壽命又逐漸下降，總結(jié)出最適合硬質(zhì)合金刀條的涂層厚度在 4.0～4.5 μm。