納秒激光加工PCD表面織構(gòu)的摩擦磨損行為研究

李偉秋，張國立，彭繼華，肖 揚(yáng)，廖嘉誠，楚高杰

(1.科益展智能裝備有限公司廣州分公司，廣州 510663；2.華南理工大學(xué)材料學(xué)院，廣州 510640)

1 前言

表面織構(gòu)化可以改善表面的浸潤特性、摩擦特性、甚至光聲電特性等[1-4]，與其它表面處理技術(shù)復(fù)合應(yīng)用大大增強(qiáng)了元器件表面的相關(guān)功能[5-7]，成為近年精密加工技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)，并在諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。尤其在精密刀具領(lǐng)域，微納織構(gòu)可降低刀具的切削功耗，延長刀具壽命，提高被加工工件的表面質(zhì)量[8-9]。目前主要織構(gòu)加工方法包括激光加工、微電極放電加工、微細(xì)磨削加工、高能離子刻蝕等[10],尤其激光刻蝕方法環(huán)保、高效、易于精密控制[11-12]。

表面織構(gòu)改善元器件耐磨性能的主要機(jī)理是[13-14]：干摩擦?xí)r，織構(gòu)可以存儲磨屑，避免二次磨損；表面潤滑時(shí)，織構(gòu)產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，減少接觸面的摩擦。表面微納織構(gòu)對切削刀具的積極影響主要是擴(kuò)大了散熱面積，減小了刀-屑接觸長度，甚至在織構(gòu)區(qū)域形成殘余壓應(yīng)力層[15-17]。表面微織構(gòu)化明顯改善了聚晶立方氮化硼(PcBN)刀具的切削工況[18]。隨著高速/高精密加工技術(shù)的發(fā)展，金剛石家族的超硬刀具應(yīng)用越來越廣，但其表面織構(gòu)化研究報(bào)道相對較少[19]。研究表明納秒激光參數(shù)嚴(yán)重影響PCD復(fù)合片表面溝槽陣列織構(gòu)的粗糙度[20]。我們課題組前期研究了PCD表面激光織構(gòu)的形貌、組織變化。本文將重點(diǎn)介紹納秒激光織構(gòu)對PCD試片干式滑動(dòng)摩擦行為的影響，以期為推動(dòng)織構(gòu)PCD刀具的應(yīng)用提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原材料

采用河南領(lǐng)科材料有限公司市售1.2 mm 厚PCD復(fù)合片作為基本表面織構(gòu)加工用素材。復(fù)合片的基體為1 mm厚的硬質(zhì)合金(YG6)；表面為粘結(jié)PCD正方形片，厚度為0.2 mm。復(fù)合片的尺寸為(20 × 20 × 1.2) mm。 PCD由10 μm粒徑的金剛石顆粒同9 wt.%的鈷復(fù)合燒結(jié)而成。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)了兩種幾何參數(shù)的等邊槽型織構(gòu)，設(shè)計(jì)深度為50 μm織構(gòu)的試片命名為DG 50，設(shè)計(jì)深度為150 μm織構(gòu)的試片命名為DG 150。表面無織構(gòu)的空白片本文命名為 0#。使用Smartguy Laser Machining Center(匯專，中國)平臺加工PCD復(fù)合片表面織構(gòu)的納米激光參數(shù)為：激光平均最大功率為100 W，脈沖寬度120 ns，重復(fù)頻率為50 MHz，束斑尺寸為0.05 mm，掃速度為1000 mm/s；采用多道次掃描，每一道次的去除深度為0.006 mm?？棙?gòu)加工完成后實(shí)測的DG 50深度為57.74 μm，DG 150的實(shí)際深度為173.21 μm。

織構(gòu)加工前后，樣品的表面形貌、組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵合結(jié)構(gòu)等分別采用立體顯微鏡(GYENS，德國)、輪廓儀(BMT，德國)、帶有EDS的場發(fā)射掃描電鏡(Zeiss，德國)、拉曼光譜儀(激光波長為523 nm) (LabRAM ARAMIS, 日本) 進(jìn)行表征。每種樣片至少表征3個(gè)試樣以驗(yàn)證測試結(jié)果的重復(fù)性。Raman譜的擬合采用雙高斯模式[21-22]，獲得金剛石相峰T2g及石墨相峰Eg，定義金剛石質(zhì)量因子R=金剛石峰高/石墨峰峰高。R值越大金剛石含量越高，轉(zhuǎn)化為石墨的量越少。

使用直徑4 mm的Si3N4對磨球，0#、DG50、DG150等樣品作為對磨盤，在STF-200球盤摩擦儀上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。摩擦條件為：干燥大氣環(huán)境，相對濕度45%RT，室內(nèi)溫度 25℃；施加的載荷大小為2 N～10 N，每個(gè)載荷下新球和新試片重復(fù)三次；滑動(dòng)摩擦的線速度為0.03 m/s；摩擦?xí)r間均為120 min。因?yàn)楸砻婵棙?gòu)化難以獲得體積磨損率，本文采用質(zhì)量損失表征磨損率。摩擦后的樣片先用配有化學(xué)純酒精的超聲儀(KX-1730 QTD (120 W, 3L)，中國)振動(dòng)15分鐘并吹干，去除表面吸附的磨粒等吸附物；然后采用精度為0.1mg的精密天平(FA1604，中國)稱重?？棙?gòu)制備態(tài)樣片則未清洗直接稱重。本文定義磨損率為：磨損前后的質(zhì)量差/磨損前樣片質(zhì)量。如果樣片在磨損、清洗等過程中有明顯崩缺則磨損率測試結(jié)果視為無效。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 納秒激光織構(gòu)對PCD樣片表面形貌和組織的影響

圖1是PCD試片織構(gòu)前后的表面SEM形貌，表1是采用EDS獲得的樣片表面化學(xué)成分及表面均值粗糙度。0#樣片表面Co的質(zhì)量為8.77 wt.%，與供應(yīng)商提供的信息基本一致。納秒激光加工織構(gòu)后，PCD樣片的織構(gòu)溝槽中殘存少量屑粒；表面碳含量減少，Co的相對量增加。這可能與金剛石相、固相在納秒激光下的燒損速率差異有關(guān)。表面的氧含量及整個(gè)表面的粗糙度則隨著納秒激光刻蝕時(shí)間增加而增加。本研究獲得的表面織構(gòu)的形貌質(zhì)量相對文獻(xiàn)[20]有較大改善， 這可能得益于本文單點(diǎn)脈沖能量(2×10-6J)降低及掃描速度大幅度增加(1000 mm/s)，而后者的相應(yīng)值分別為5 × 10-4J、1～5 mm/s。

圖1 織構(gòu)前后PCD片的表面形貌

表1 不同處理樣品表面的化學(xué)成分(wt.%)及表面粗糙度Ra (μm)

圖2中a)、b)、c)分別是0#樣片表面、DG50槽底及DG150槽底的XPS譜圖及其特征峰的擬合曲線，其中1332 cm-1附近的峰來源于金剛石相，1442 cm-1附近的峰來源于金剛石相的相界面，1590 cm-1的峰則主要來源于石墨相[21-22]。0#樣片表面金剛石質(zhì)量因子R為11.27。納秒激光織構(gòu)后，分別檢測了織構(gòu)的槽底(zone 1)、槽壁(zone 2)和槽頂(zone 3)的XPS譜圖，得到不同位置處的金剛石質(zhì)量因子R(表2)。盡管織構(gòu)的不同部位R值有差異，但這些值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0#試樣。這一結(jié)果表明，本文納秒激光織構(gòu)化過程中，織構(gòu)區(qū)域的金剛石相發(fā)生了嚴(yán)重的石墨化轉(zhuǎn)變。

圖2 不同樣片的XPS圖譜

表2 織構(gòu)PCD片不同區(qū)域處的金剛石質(zhì)量因子R值

3.2 納秒激光織構(gòu)對PCD樣片磨損行為的影響

圖3給出了不同樣片、不同載荷下的典型摩擦曲線。其中圖3a)中的兩條曲線來自于兩個(gè)0#樣片在4 N載荷下的干式滑動(dòng)摩擦，其余圖3b)、c)、d)類同。圖3a)、b)分別是0#樣片在4 N、6 N載荷下的曲線；圖3c)、d)分別是DG 50樣片在4 N、6 N載荷下的曲線。圖3e)、f)分別列出了織構(gòu)樣片DG 150及DG 50 在不同法向載荷下的典型摩擦曲線。在低載荷作用下(≤6 N)，0#樣片的相對穩(wěn)定階段的平均摩擦均大于0.06；在10 N較大載荷下，穩(wěn)定階段平均摩擦系數(shù)大幅度降低到0.03(為簡潔起見，圖中未列出)。這可能與0#樣片在摩擦過程中富含石墨相的摩擦轉(zhuǎn)移層形成有關(guān)。在較大載荷下(如10 N)，干式摩擦導(dǎo)致0#樣片的表面發(fā)生sp3C→sp2C的石墨化，并轉(zhuǎn)移到對磨球Si3N4表面，在摩擦副的接觸面間形成了富含石墨相的固體潤滑轉(zhuǎn)移層，因此摩擦系數(shù)大幅度降低。低載荷下，摩擦力及摩擦熱小，這樣的轉(zhuǎn)移層較難形成，且表面Co具有強(qiáng)固溶磨球元素能力，因此摩擦系數(shù)高，且摩擦系數(shù)的波動(dòng)幅度較大。

比較圖3a)、b)及圖3c)、d)后，在低載荷作用下(≤ 6 N)表面織構(gòu)化的DG 50的摩擦系數(shù)低于0#樣品。DG 150樣品在2～10 N的加載范圍內(nèi)，穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)均小于0.06 (圖3e))；DG 50樣片的摩擦系數(shù)隨著載荷變化分為明顯的兩個(gè)區(qū)域，即小載荷(2 N、4 N)時(shí)摩擦系數(shù)低于0.06，較大載荷時(shí)(6 N、 8 N)摩擦系數(shù)高于0.06。表3列出了織構(gòu)化/未織構(gòu)化樣片在不同載荷下的質(zhì)量損失磨損率。從總體趨勢來看，無論是DG 50還是DG 150，PCD表面激光織構(gòu)化可以明顯地提高其耐磨性。表中一些數(shù)據(jù)的異?？赡軄碓从谇逑催^程產(chǎn)生的誤差。一方面，如圖1所示，織構(gòu)表面或多或少存在一些屑粒，摩擦前稱重的樣片未清洗，但摩擦后的超聲清洗過程被清除，這會增加磨損失重；另一方面，圖4給出了超聲清洗后的部分磨痕圖及其輪廓，如圖所示，磨損的織構(gòu)溝槽中仍有殘留的磨粒存在，導(dǎo)致磨損失重減少。綜合摩擦系數(shù)及磨損率來看，納秒激光加工的DG 150 槽型織構(gòu)在2～10 N載荷范圍內(nèi)具有最佳的耐磨性。

圖3 樣片的干式滑動(dòng)摩擦曲線

表3 不同載荷下PCD樣片的質(zhì)量損失磨損率(%)

因?yàn)榻饎偸Я５挠捕雀哂谀デ騍i3N4，干式滑動(dòng)摩擦過程中不僅發(fā)生PCD樣品表面sp3C→sp2C的石墨化及轉(zhuǎn)移，同時(shí)也會有大量Si3N4磨屑；后者可能與環(huán)境氧反應(yīng)轉(zhuǎn)化為SiO2等產(chǎn)物有關(guān)。這些相對硬的粒子可能破壞形成的富石墨相轉(zhuǎn)移層。織構(gòu)可以有效地捕獲這些磨屑，對轉(zhuǎn)移層起博湖作用[8,15,17]?？棙?gòu)化使磨球接觸區(qū)的Herzian應(yīng)力增加，促進(jìn)了摩擦表面sp3C→sp2C的石墨化，可以更加快速地形成富石墨相轉(zhuǎn)移層；甚至包裹表面Co，削弱其固溶粘附作用。以上三種效應(yīng)均可降低摩擦系數(shù)、提高表面耐磨性。但是還需要指出的是，目前織構(gòu)化表面導(dǎo)致表面粗糙度增加(表1)，表面一定程度的疏松化，這對摩擦系數(shù)及磨損率會產(chǎn)生不利影響。圖4的輪廓雖然有不夠準(zhǔn)確之處，但也說明疏松區(qū)在摩擦?xí)r會快速地被磨掉，這一問題值得后續(xù)深入探討。

圖4 樣片磨痕的表面形貌及其輪廓

4 結(jié)論

在聚晶金剛石(PCD)復(fù)合片表面采用最大功率100 W，脈沖寬度120 ns，重復(fù)頻率50 MHz的納秒激光加工獲得了形貌質(zhì)量優(yōu)良的等邊三角形截面槽型織構(gòu)。研究結(jié)果表明隨著納秒激光刻蝕時(shí)間增加，表面碳含量減少，Co的相對含量增加，織構(gòu)表面的粗糙度增加。納秒激光加工過程導(dǎo)致PCD復(fù)合片表面的金剛石發(fā)生嚴(yán)重的石墨化，石墨化程度在槽型織構(gòu)的底、壁、頂部位有一定差異。納秒激光加工的DG 150 槽型織構(gòu)在2～10 N載荷范圍內(nèi)與Si3N4對磨球的干式摩擦系數(shù)均小于0.06，磨損率有明顯降低。納秒激光織構(gòu)化PCD復(fù)合片的耐磨性得到明顯改善。