調(diào)制比對AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層結(jié)構(gòu)的影響及涂層刀具的切削性能

朱建博，劉艷梅，王 瑜，王 歡，王重陽，黨鈺欽，王鐵鋼

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學 天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

0 前 言

隨著現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展，高速超高速切削、綠色干切削和精密超精密切削技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進步，這對刀具的性能提出了更大的挑戰(zhàn)。采用多層、納米復合結(jié)構(gòu)涂層可以充分利用2 種材料的優(yōu)勢，形成高硬度、高耐磨性的復合型材料[1]。納米多層膜是一種可控的一維周期結(jié)構(gòu)，這種周期結(jié)構(gòu)可以有效地調(diào)整膜中的位錯、缺陷及其運動，當周期尺寸與位錯運動自由程相近時，位錯運動就會被2 種物質(zhì)界面之間的應力所阻礙，從而獲得高硬度、高模量等性能[2，3]。

AlCrSiN 涂層具有優(yōu)異的力學性能和抗高溫氧化性能，但其耐磨性能較差。在涂層中引入過渡金屬Mo元素，可形成自潤滑涂層，減小涂層的摩擦系數(shù)，提升耐磨性能。Qi 等[4]、Fu 等[5]等分別制備了Cr-Mo-N、CrMoSiCN 涂層，并系統(tǒng)地研究了涂層的摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)Mo 元素的摻雜可以有效地改善涂層的抗磨損性能。Niranatlumpong 等[6]采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備了NiCrBSi-Mo 涂層，研究了Mo 含量對涂層摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)Mo 的存在可以起到潤滑減摩效果，但當Mo 含量超過一定量時，會導致涂層開裂與剝落。Yuan 等[7]發(fā)現(xiàn)在高Mo 含量下(40%～50%，原子分數(shù))，MoSiCN 涂層中的C 原子會取代納米級結(jié)晶Mo2N 中的N 原子，形成Mo2N(C)固溶體相，涂層晶粒細化，涂層的摩擦和力學性能均可以得到改善。但調(diào)制比對多層膜性能的作用也不可忽視[8]。田甜等[9]研究了調(diào)制比對Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的結(jié)構(gòu)和性能，發(fā)現(xiàn)膜層表面質(zhì)量和生長取向與兩單膜層調(diào)制比有關(guān)，隨著Cr/CrN 比例的增加，膜層表面質(zhì)量越來越好。吳彥超等[10]制備了不同調(diào)制比的Cr/TiN 納米多層膜，所得膜層與基底結(jié)合良好，綜合力學性能優(yōu)異。

針對干切削淬硬鋼時存在的易崩刃、磨損快、溫度高、刀具壽命短、加工效率低等難題，采用在AlCrSiN 涂層中添加Mo 元素形成具有自潤滑功能的多層結(jié)構(gòu)可以有效地提高切削刀具的使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良的綜合性能，從而大幅度提高機械加工效率[11]，但對于這類涂層刀具的研究卻鮮有報道。為此，本工作通過研究具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合結(jié)構(gòu)的涂層表面質(zhì)量、調(diào)控組織結(jié)構(gòu)和切削性能，揭示了潤滑相在干切削淬硬鋼過程中多層復合涂層的強化、增韌、減摩和抗磨機理并進行了切屑的形態(tài)顏色分析，為實現(xiàn)干切削淬硬鋼專用自潤滑刀具的可控制備提供了理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 涂層制備

本實驗采用高功率脈沖磁控濺射及脈沖直流復合濺射技術(shù)制備了不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層?；w材料為拋光后的304 不銹鋼(30 mm×25 mm×1 mm)、硬質(zhì)合金片(25 mm×25 mm×5 mm)、單晶硅片(20.00 mm×3.00 mm×0.67 mm)和硬質(zhì)合金銑刀(D6×16×d6×L50×4T)。氣體選用純氬氣(Ar)和純氮氣(N2)。實驗預處理，將基材在金相磨拋機上打磨至鏡面，并用脫脂劑、丙酮溶液、酒精、超純水浸泡后在超聲波清洗機中超聲清洗，高純氮氣干燥烘干后將基材放入爐內(nèi)樣品臺上。實驗進行機械泵、分子泵抽真空，室內(nèi)壓強保持在3.0×10-3Pa，加熱溫度達到400 ℃并保持穩(wěn)定。通入純Ar，進行輝光清洗，調(diào)節(jié)脈沖偏壓至-800 V，占空比87%，開啟電弧Cr 靶，進行轟擊清洗。通入Ar 與N2，開啟Cr 靶，調(diào)節(jié)偏壓至-150 V，沉積CrN 過渡層，以增大膜/基結(jié)合能力。沉積多層涂層工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 制備具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復合涂層工藝參數(shù)Table 1 Process parameters for preparation of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

1.2 性能測試

采用Hitachi Regulus8100 超高分辨率冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察多層膜的表面及截面形貌。利用D8-Advance X 射線衍射儀分析涂層的物相組成、晶粒尺寸，電壓40 kV，電流40 mA，步長0.02°，測試速度0.01 s/step，入射線波長為0.154 18 nm。采用EDAX 公司Octane Elect EDS 系統(tǒng)Octane Elect Super-70 mm2分析涂層中的元素成分。采用Anton Paar TTX-NHT-3 型納米壓痕儀測試多層涂層的硬度和彈性模量，壓頭壓入深度不超過涂層厚度的1/10，并在樣品可觀測視場中選取6 個位置，求取平均值減小誤差。采用Anton Paar RST-3 型劃痕測試儀，設置劃痕長度為4 mm，劃痕速度為8 mm/min，勻速從0 N 至120 N 增加法向載荷，記錄臨界載荷(Lc2)。采用球盤式高溫摩擦試驗機在室溫條件下測量多層涂層的摩擦系數(shù)，對摩副為φ＝6 mm 的Al2O3球，線速度為0.1 m/s，施加法向載荷4 N，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為4 000 圈，旋轉(zhuǎn)半徑為6 mm。利用CONTOUR GT-K 白光干涉儀觀察摩擦實驗后多層涂層的磨痕形貌。采用XH715D 立式加工中心測試無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層銑刀的切削性能。工件材料為淬火態(tài)C1045 中碳鋼，硬度為HRC 55±1。選用市售D6×16×D6×L50×4L四刃整體硬質(zhì)合金立銑刀，其材質(zhì)為K44UF，直徑為φ＝6 mm，螺旋角為40°，銑削方式為端銑。切削過程中切削用量如表2 所示，每間隔10 min 利用Fluke Tix640紅外熱像儀測量并記錄切削溫度。切削總時間為85 min，在切削時間為10，25，50，85 min 時取下刀具觀察刀具后刀面磨損寬度并收集切屑。將切屑制成金相試樣，選用硝酸(4%，體積分數(shù)，下同)和無水乙醇(96%)混合溶液進行腐蝕處理，再利用Axiovert 40 MAT 倒置萬能材料顯微鏡及掃描電鏡觀察切屑組織與形貌。使用VHX-1000 超景深顯微鏡對刀具后刀面磨損寬度、切屑截面宏觀磨損形貌進行觀測，當后刀面磨損寬度達到0.3 mm 或刀具出現(xiàn)崩刃即為失效。

表2 切削用量Table 2 Cutting parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 化學成分

圖1 為具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的化學成分。隨著調(diào)制比的不斷改變，N 元素含量(原子分數(shù)，下同)先由29.50%減小到27.63%再增加至36.91%，隨后保持相對含量不變，這可能是隨著氮氣作為反應氣體的持續(xù)通入，在高溫環(huán)境下涂層中的Me-N金屬鍵容易發(fā)生斷裂，游離的N 元素由于質(zhì)量較輕，分子熱運動導致其沿晶界間的孔隙揮發(fā)，導致N 原子含量明顯降低。靶材表面由于受到劇烈的鈍化現(xiàn)象，降低了濺射效率，使多層涂層內(nèi)N 元素含量漸漸穩(wěn)定[12]。而由后文所示的硬度與彈性模量也隨之先增加后減小，與其趨勢變化一致，這與Rebholz 等[13]描述的非常吻合。Cr 元素和Mo 元素含量分別從24.59%和4.60%一直減小到19.36%和0.59%。Si 含量也隨著調(diào)制比的增大而增大，從6.08%升高到7.59%，這可能是由于與金屬離子得到了充分反應。Al 含量增大，從35.23%升高到40.75%，導致組織容易出現(xiàn)非晶化，從而降低了硬度。

圖1 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復合涂層的化學成分Fig.1 Chemical composition of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

2.2 物相分析

圖2 為具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的XRD 譜。從圖中可以看出，AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復合涂層的相結(jié)構(gòu)主要由fcc-AlN 相、fcc-CrN相組成，這是構(gòu)成多層膜的基礎(chǔ)。第六副族元素Mo 氮化形成面心立方結(jié)構(gòu)的Mo2N 相在(200)晶面上擇優(yōu)生長，分布在多層復合涂層內(nèi)部[14]。隨著調(diào)制比減小，多層復合涂層中衍射峰強度變低、寬度變寬，由于涂層摻雜更多的Mo 元素使得晶粒更加細化，排列更加無序化[15]。根據(jù)謝樂(Scherrer)公式(1)半定量計算晶粒半徑，當調(diào)制比為9 ∶1 時，AlN 和Mo2N 的晶粒半徑Ra 最大，分別為2.44 nm 和1.36 nm；當調(diào)制比為3 ∶1 時，AlN 和Mo2N 的晶粒半徑最小，分別為1.31 nm 和1.04 nm。其中，λ為Cu 靶入射波長(λ＝0.140 5 nm)，B為半寬高，θ為衍射峰角度。

圖2 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復合涂層的XRD 譜Fig.2 XRD diffraction patterns of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayered coatings with different modulation ratios

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

圖3 為具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的表面形貌。由圖3 可見，所有多層膜表面均有顆粒聚集現(xiàn)象，當調(diào)制比為5 ∶1 時，多層膜表面顆粒最多，這是由于離子鍍膜時，真空室內(nèi)真空度不高導致存在多余的氧雜質(zhì)，靶材異常放電而使得靶材瞬間電流增大，導致局部噴發(fā)出金屬顆粒，在高溫電場中與離子發(fā)生碰撞，碰撞后的金屬顆粒分裂，尺寸減小，從而沉積到基材表面。小顆粒在開始鍍膜時易被埋入到涂層內(nèi)部，較大的顆粒易沉積在涂層表面，這些大小不一的顆粒不僅會影響涂層的光澤，還可能導致多層涂層的總體性能下降[16，17]，如圖3c ～3e。同時，沉積多層涂層時通入大量的氮氣，附著于靶材和基材周圍，在高溫電場作用下不斷產(chǎn)生氮化物，使得靶表面逐漸鈍化，濺射離子的散射能和自由能不斷減小，造成多層膜表面的顆粒不斷減小，這一觀點與Bujak 等[18]闡述的一致。但由于氮氣流量的大量增加，使得結(jié)晶程度升高，離子的吸附能力減弱，沉積后失去了擴散能力，晶體的形核速率降低，多層涂層的晶粒尺寸增大，使得涂層表面缺陷增多[19]。另外，多層涂層表面呈網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)生長，由于Mo 元素固溶于(Al，Cr)N 晶粒間隙中，形成非晶包裹納米晶的復合結(jié)構(gòu)，Mo 元素的添加使涂層發(fā)生了固溶強化，改善了多層膜的表面致密度。

圖3 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的表面形貌Fig.3 Surface morphology of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

圖4 為不同調(diào)制比下制備AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的截面形貌。從圖中可以看出，多層復合涂層層狀結(jié)構(gòu)明顯，整體呈無柱狀晶的玻璃狀結(jié)構(gòu)，阻礙了柱狀晶生長，擁有更細的晶粒，結(jié)構(gòu)更為致密[20]，并且多層結(jié)構(gòu)會改變單層涂層的原始生長機理。由于Mo 元素的添加使得柱狀晶粒得到細化，并且較大的靶濺射電流使得入射粒子具有較高的能量，導致沉積粒子在多層涂層內(nèi)得到了充分擴散。結(jié)合XRD 譜可知，隨著調(diào)制比的不斷改變，多層復合涂層均在(111)和(200)晶面上擇優(yōu)取向，多層涂層的沉積速率得到有效提高，表面的顆粒逐漸減少，極大地促進了晶粒細化。

圖4 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的截面形貌Fig.4 Cross-sectional morphology of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

2.4 多層膜性能

涂層的硬度與晶粒尺寸滿足Hall-Petch 關(guān)系[21]，晶粒尺寸降低會使晶界面積增大，從而有效阻止位錯和晶間滑移，大大提高涂層的硬度。如圖5 所示為不同調(diào)制比下制備的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的硬度和彈性模量。從圖中可以看出，當調(diào)制周期固定且總厚度基本相同的情況下，隨著調(diào)制比的不斷增大，多層涂層的硬度和彈性模量的變化趨勢大致相同，即先增大后減小。當調(diào)制比為1 ∶ 1 時，AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復合涂層的硬度為21.5 GPa，彈性模量為292.9 GPa。當調(diào)制比為3 ∶1 時，多層膜的硬度和彈性模量達到最大，分別是25.7 GPa 和327.4 GPa，這是由于在制備多層膜時，通入適當?shù)牡獨馐沟梅磻映浞?，大顆粒明顯減少，晶粒更加細化，多層涂層結(jié)構(gòu)更加致密，顯著減少了內(nèi)部孔洞、裂紋等缺陷，有效地阻止位錯擴展，從而提高了多層涂層的硬度[22]。

圖5 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的硬度和彈性模量Fig.5 The hardness and elastic modulus of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

特征值H/E、H3/E*2分別代表著薄膜的彈性變形恢復能力和抗塑性變形能力，數(shù)值越大，涂層的表征性能越好。Leyland 等[23]研究討論了具有高硬度和低彈性模量的多層復合涂層的概念，認為H/E可以表現(xiàn)出涂層更高的韌性。Chang 等[24]的研究表明特征值H3/E*2是涂層抗塑性變形的重要指標，證明了涂層的耐磨性不僅取決于摩擦系數(shù)，更依賴于H3/E*2值。如圖6 所示，在調(diào)制比為7 ∶1 ～9 ∶1 時，H/E、H3/E*2呈現(xiàn)相反趨勢。而多層復合涂層在調(diào)制比為1 ∶1 ～5 ∶1時，特征值H/E、H3/E*2變化趨勢一致，且在3 ∶1 時達到了最大，分別為0.079 和0.13 GPa，此時AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復合涂層的力學性能和耐磨性可能達到最優(yōu)。

圖6 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的H/E、H3/E*2Fig.6 H/E、H3/E*2of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

劃痕法能對涂層的結(jié)合強度進行定量分析，結(jié)合聲信號、摩擦力信號及劃痕形貌能夠確定涂層的結(jié)合強度，并能夠有效分析各個失效事件，研究涂層的破損機理[25]。不同調(diào)制比下制備的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的臨界載荷和劃痕形貌如圖7 和圖8。

圖7 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的臨界載荷Fig.7 Critical load of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

圖8 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的劃痕形貌Fig.8 Scratch morphology of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

隨著調(diào)制比的改變，多層膜的臨界載荷整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當調(diào)制比為3 ∶1 時，多層涂層的臨界載荷達到最大為79.6 N，這是由于沉積粒子獲得了更大的遷移能量，使涂層在基體上的附著能力變強，離子動能增大，吸附能力增強，結(jié)合強度增大。高的基體溫度能夠促進吸附原子移動到一個低的勢能阱位置，提高了基體與涂層的結(jié)合力[26]。沉積多層涂層時，基體溫度為400 ℃，可以促進涂層與基材表面間的擴散作用，增加了粒子的活性，提高了納米多層復合涂層的結(jié)合力。從圖3 也可以看出，多層涂層的表面結(jié)構(gòu)致密，這也有利于提高多層復合涂層的結(jié)合力。

2.5 摩擦學性能

圖9 和圖10 分別為具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的摩擦系數(shù)和磨損率。

圖9 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的摩擦系數(shù)Fig.9 Friction coefficient of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

圖10 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的磨損率Fig.10 Wear rate of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

圖中可以看出，隨著調(diào)制比的增加，摩擦系數(shù)先減小后增加，當調(diào)制比為3 ∶1 時摩擦系數(shù)最低約為0.45，可能是由于Mo 含量的增加在多層膜與對摩副的摩擦界面生成了大量的MoO3潤滑相[27]，有效減少了界面摩擦，也增強了多層復合涂層的耐磨性能。這也可能和較高的H/E*值和彈性恢復值增強了多層復合涂層的韌性，提高了抗裂紋擴展能力有關(guān)[28]。由于AlCrSiN/AlCrMoSiN 涂層是多層結(jié)構(gòu)，較軟的AlCrMoSiN 層磨破后氧化形成的Al2O3、MoO3小顆粒附著在AlCrSiN 層上，且AlCrSiN 涂層硬度較高，起到支撐的作用。在摩擦磨損循環(huán)周期內(nèi)，對應的多層膜的微動[29]摩擦系數(shù)較小，隨著微動循環(huán)的進行，以消耗對摩副與多層膜之間的第三體為主，多層膜的表面損傷相對較輕，具備了較好的潤滑減磨性能[30]。

圖11 為具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的三維磨痕形貌。多層膜表面磨痕形貌均出現(xiàn)了不同程度的“犁溝現(xiàn)象”，這是由于在摩擦過程中大顆粒脫落后混入摩擦副接觸面之間，被破碎成小顆粒磨料，在后續(xù)摩擦中充當推擠或切削作用[31]。當調(diào)制比為3 ∶1 時，多層涂層與對摩副對摩的接觸區(qū)域邊緣存在較少的磨屑，磨斑尺寸較小，磨損程度較淺，磨損率最低為0.735×10-6mm3/(N·m)，摩擦系數(shù)較低，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐磨性能，這可能和多層涂層本身的抗磨特性好有關(guān)，多層涂層的完整性較好。另外，Mo 摻雜于AlCrSiN 形成的納米多層結(jié)構(gòu)，在摩擦過程中發(fā)生了摩擦化學反應，生成了MoO3潤滑薄層，起到了固態(tài)潤滑劑的作用[32]，使涂層耐磨性能顯著提升。

圖11 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層的磨痕形貌Fig.11 Wear scar of the AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayered coatings with different modulation ratios

2.6 切削性能

圖12 為無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層銑刀切削10 min 及達到磨鈍標準的磨損形貌。由圖12 可以看出，3 種銑刀在切削過程早期，磨損程度表現(xiàn)不同，但主要的磨損形式均表現(xiàn)為均勻、正常的后刀面磨損，這也符合ISO 刀具壽命試驗標準對高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷刀具磨鈍標準的規(guī)定，即VBB＝0.3 mm[33]。在切削10 min 時，不同涂層刀具的磨損寬度分別為0.28，0.21，0.16 mm。雖然3 種刀具的側(cè)刃都保持較為完整，但無涂層刀具底刃已出現(xiàn)了輕微磨損的情況。在連續(xù)高速干式切削25 min 后，無涂層刀具后刀面磨損帶呈現(xiàn)出多條清晰的條狀溝痕。溝痕的產(chǎn)生是由于工件材料中的大顆粒受到切削壓應力和剪切應力的共同作用，跟隨切屑進入切削區(qū)域，從而劃傷后刀面，加劇了底刃的磨損，產(chǎn)生了嚴重的磨粒磨損，降低了刀具的使用壽命[34]。

圖12 無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀和AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層銑刀切削10 min 及達到磨鈍標準時的磨損形貌Fig.12 Wear morphologies of the uncoatel tool，AlCrSiN coated tool and AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer coated tool after 10 minutes of continuous cutting and tool fuilure morphologies of uncoated tool (cutting 25 min)，AlCrSiN coated tool(cutting 50 min)，AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer coated tool (cutting 85 min)

當高速干切削25 min 后，無涂層刀具上的條狀溝痕持續(xù)擴展，并伴有較大噪聲，磨損帶寬度為0.36 mm，無涂層刀具失效。切削同一時間的AlCrSiN 涂層刀具未出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，但也存在條狀溝痕，表明涂層刀具也發(fā)生了磨粒磨損。連續(xù)切削50 min 后，AlCrSiN 涂層刀具出現(xiàn)崩刃，側(cè)刃表面存在著附著物，這些附著物可能是工件、涂層、刀具在高溫下相互擴散而產(chǎn)生的氧化物，這表明涂層刀具發(fā)生了黏著磨損。另外，涂層刀具后刀面呈現(xiàn)淡黃色，這可能是在高溫條件下刀具發(fā)生了氧化磨損。Nouari 等[35]研究發(fā)現(xiàn)，元素擴散過程是涂層分層的主要原因，容易造成涂層失效。而AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復合涂層刀具連續(xù)切削25 min后磨損較輕微，磨損寬度僅為0.203 mm，這是由于Mo元素固溶于(Al，Cr)N 晶粒間隙中，形成非晶包裹納米晶的復合結(jié)構(gòu)，提高了涂層的硬度和耐磨性。切削50 min 時，多層涂層刀具磨損帶寬度為0.28 mm，元素擴散現(xiàn)象得到了明顯改善。繼續(xù)切削至85 min 后，多層涂層銑刀磨損帶寬度為0.34 mm，已超過磨鈍標準，刀具已進入了急劇磨損階段，積聚的熱疲勞使刀具產(chǎn)生裂紋，加速涂層材料剝落[36]。AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層內(nèi)部的多層結(jié)構(gòu)使涂層缺陷大大減小，提高了致密性，AlCrSiN 和AlCrMoSiN 材料交替生長，形成的多層界面可以有效的打斷各自的柱狀生長方式，且AlCrMoSiN 具有良好的抗摩擦磨損能力，可以有效地降低刀具與工件產(chǎn)生的切削熱，大大地延長刀具的使用壽命。另外，AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層刀具展現(xiàn)出了更好的切削性能[37]，在同一磨損寬度時，多層涂層刀具比切削時間無涂層刀具延長約3.2 倍，比AlCrSiN涂層刀具延長約1.2 倍，如圖13 所示。

圖13 無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀、AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復合涂層銑刀磨損寬度隨時間的變化曲線Fig.13 Curves of wear width of uncoated tool、AlCrSiN coated tool、AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer coated tool with time

圖14 為無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層刀具的切削溫度隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，3 種刀具的溫度在切削加工時都呈現(xiàn)開始急劇增加逐漸緩慢線性增加的趨勢。這是由于被加工材料的硬度較高，快速達到了劇烈磨損時期，持續(xù)的干切削會產(chǎn)生的大量切削熱。隨著切削時間的增長，AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層銑刀的切削溫度相比于其他2 種銑刀上升較為緩慢，這說明加工已經(jīng)進入到穩(wěn)定磨損階段，產(chǎn)生的熱量較少，在切削55 min 后切削溫度再次急劇上升，多層涂層刀具最終失效。在切削10 min 時，無涂層刀具切削溫度急劇飆升至328.7 ℃，25 min 后失效狀態(tài)時的切削溫度為460.4 ℃，而AlCrSiN 涂層刀具失效的切削溫度為457.2℃，AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層銑刀的切削溫度則僅為411.7 ℃，有效地保護了刀具基體，避免了刀具基體的崩刃[38]，改善了刀具的摩擦磨損情況，使刀具與工件接觸的切削力降低，有效地延長了刀具的使用壽命。

圖14 無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀、AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復合涂層銑刀切削溫度的變化Fig.14 Cutting temperature variation for the uncoated tool，AlCrSiN coated tool，AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer coated tool，respectively

圖15 分別為無涂層刀具、AlCrSiN 涂層刀具、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層刀具切削25 min 后的切屑形貌。從圖中可以看出，無涂層刀具連續(xù)切削25 min 后，產(chǎn)生深藍紫色切屑，此時切削溫度為460.4℃，切屑呈鋸齒狀，并伴有較小的分叉，在切削試驗時觀察到刀具發(fā)生劇烈振動并伴有噪聲。AlCrSiN 涂層刀具在高速銑削時產(chǎn)生的切屑主體的顏色為褐色，兩側(cè)為淺藍色，切削溫度為389.1 ℃，而淬火鋼的導熱系數(shù)較低，變形能轉(zhuǎn)化的熱量都集中在主剪切區(qū)，切削時熱量來不及向外傳遞，在高速銑削時發(fā)生了絕熱剪切現(xiàn)象，由于強剪切作用，在主剪切區(qū)域的淬火鋼承載能力下降而導致呈楔狀移動，前楔塊與現(xiàn)楔塊接觸面迅速減小，從而形成了鋸齒形切屑。AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復合涂層刀具切削產(chǎn)生的切屑顏色為黃褐色，此時的切削溫度為201.5 ℃。由于在高速銑削時產(chǎn)生了大量的固體潤滑相，有效地降低了切削過程產(chǎn)生的切削熱，在潤滑相的冷卻作用下，切屑進行了“淬火”，切屑顏色較淺，剪切區(qū)內(nèi)由形變帶轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)變帶，進而增強了切屑的變形程度[39]。

圖15 無涂層刀具、AlCrSiN 涂層刀具、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層刀具切削25 min 后的切屑形貌Fig.15 Morphology of chips of uncoated tool，AlCrSiN coated tool，AlCrSiN/AlCrMoSiN multilager coated tool after cutting 25 min

圖16a 為AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層刀具所產(chǎn)生切屑的金相組織，圖中可觀察到明顯的“白亮帶”，這些“白亮帶”即為剪切帶，這是由于切屑的形成伴隨著較大切削力的作用，材料發(fā)生了脆性斷裂，同時產(chǎn)生了一定的塑性變形。由于腐蝕劑與變形材料的反應速率不同，導致切屑集中變形的剪切帶區(qū)域與未塑性變形區(qū)域的顏色不同。選用鋸齒化程度Gs表示切屑的變形程度[40]，如式(2)所示，H為切屑的齒頂高度，h為齒根高度:

圖16 切屑的金相組織及鋸齒形切屑的微觀形態(tài)Fig.16 Metallographic structure of chip and measurement of serrated chips

利用SEM 觀察3 種切屑的微觀形態(tài)，分別選取加工平穩(wěn)且鋸齒排列規(guī)律的位置(圖16b ～16d)，利用Digimizer 軟件測量各齒頂和齒根的高度。再根據(jù)公式(2)分別計算切屑的鋸齒化程度值Gs，取每種切屑中相鄰3 個鋸齒Gs的平均值，獲得無涂層刀具、AlCrSiN涂層刀具、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層刀具所產(chǎn)生切屑的Gs值分別為0.29±0.03、0.34±0.03、0.36±0.03?？梢姸鄬訌秃贤繉拥毒弋a(chǎn)生的切屑鋸齒化程度最高，易于自動斷屑，更有利于切削的持續(xù)進行。

3 結(jié) 論

(1)AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層在(111)、(200)晶面擇優(yōu)取向，層狀結(jié)構(gòu)明顯，柱狀晶粒得到細化。多層復合涂層的力學性能在調(diào)制比為3 ∶1 時表征良好，硬度達到最大為25.7 GPa，臨界載荷最大為79.6 N。多層復合涂層的磨損率最低為0.735×10-6mm3/(N·m)，摩擦系數(shù)最小為0.45。

(2)整個切削過程中，AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復合涂層刀具表現(xiàn)了更優(yōu)異的切削性能，其使用壽命比無涂層刀具延長了約3.2 倍，比AlCrSiN 涂層刀具延長約1.2 倍。

(3)無涂層刀具、AlCrSiN 涂層、AlCrSiN/AlCrMo-SiN 多層復合涂層刀具在同時切削25 min 后的切屑顏色越來越淺。切屑鋸齒化程度越高，切屑越接近于自動斷屑，越利于加工工件。