CVD金刚石薄膜涂层刀具切削性能研究

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# `, I) v* N; s' b" W$ X     来源：www.86cut.com 　　摘要：本文来用不同涂层工艺的CVD金刚石薄膜刀具切削高硅铝合金，观浏比较刀具的磨损过程、磨损与破损形貌及工件加工表面粗糙度，分析CVD金刚石薄膜刀具切削高硅铝合金的磨损机理和失效原因。研究结果可为涂层工艺的改进提供了理论依据。 　　1 前言 & ]' c7 `. f& ]6 Y% P2 B& P4 P3 I　　CVD金刚石薄膜是采用化学气相沉积(简称CVD)方法制备出来的一种全晶质多晶纯金刚石材料。它具有与天然金刚石完全相同的结构，因而具有硬度高、耐磨损、导热性好、摩擦系数小及与非铁金属亲和力小等优良物理机械性能。CVD金刚石薄膜不含任何金属或非金属添加剂，其多晶结构又使其在各个方向都具有几乎相同的极高硬度，没有解理面，因此其物理机械综合性能兼具单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD) 的优点，而在一定程度上又克服了它们的不足。此外，CVD金刚石薄膜还有制造成本低于聚晶金刚石，且可制作形状较为复杂的刀具的优点。CVD金刚石薄膜涂层刀具不仅使用寿命高，而且极小的摩擦系数可减小切削力，降低切削加工变形，不易产生积屑瘤，可获得高加工精度和表面加工质量，适合于非铁类难加工材料的精密加工、数控加工等，在汽车工业、航空航天工业中有着广泛的应用前景。目前，由于CVD金刚石薄膜涂层技术不够成熟，普遍存在着金刚石薄膜与基体结合力低、膜厚不均匀等问题，CVD金刚石薄膜涂层刀具切削性能不稳定、可靠性较差，这些制约着金刚石薄涂层刀具的产业化。 3 T0 h! L0 H& F8 Y! i( S　　为此，国内外研究者对CVD金刚石薄膜涂层工艺及CVD金刚石薄膜性能的测定进行了大量研究，并取得了较为显著的进展。但有关CVD金刚石薄膜涂层刀具磨损机理、失效机理的研究近年来刚开始，缺乏根据CVD金刚石薄膜涂层刀具磨损性能评价、改进涂层工艺方面的研究。 　　本文采用不同涂层工艺的CVD金刚石薄膜涂层刀具进行高硅铝合金的切削实验，测量、比较CVD金刚石薄膜涂层刀具的磨损过程、磨损与破损形貌及高硅铝合金工件表面粗糙度，分析CVD金刚石薄膜刀具切削高硅铝合金的磨损、破损失效机理，根据实验研究结果，改进CVD金刚石薄膜涂层工艺，得到了切削性能优良的CVD金刚石薄膜涂层刀具。CVD金刚石薄膜涂层刀具切削性能是评价和改进CVD金刚石薄膜徐层工艺的有效方法之一。 　　2 实验条件及方法 + @/ g6 T" N9 j) e: l6 F% Z　　切削实验在TC-15型车削中心上进行。切削条件为：切削速度Vc=180 m/min;切削深度ap=0.2mm; 进给速度f=0.1mm/r，干切削。被切削材料为含硅23%(wt.)的浇铸硅铝合金，硅相尺寸40～150µm。 + I& U, X2 @% k  j4 ?; M- x3 _　　选取YG6和YG3方型硬质合金可转位刀片作为基体，采用直流等离子射流CVD法进行金刚石薄膜涂层，反应气体为甲烷、氢气、氩气的混合气体。涂层过程进行脱钴碳等基体表面处理。金刚石薄膜涂层由广州有色金属研究院完成。 　　刀具几何参数为：前角γo=-6°，后角αo=6°，主偏角κr=45°，副偏角κr'=45°，刃倾角λo=-6°。采用扫描电镜SEM和工具显微镜检测刀具前后刀面的磨损形貌及磨损、破损程度，表面粗糙度仪测量工件加工表面的表面粗糙度。 　　表1 CVD金用石薄膜涂层工艺 气压(kPa) Aγ(SLM) H2(SLM) CH4浓度 电压(V) 电流(A) 温度(℃ ) 　　5.3～20 4～10 5～15 0.5～5% 50～150 7O～200 700～1100 　　3 实验结果与分析 　　YG6硬质合金刀具一直产生剧烈磨损，前刀面上粘刀现象严重，工件加工表面粗糙度大。可见.YG6硬质合金刀具无法胜任高硅铝合金的切削。与之相比较，CVD金刚石薄膜徐层刀具磨损量小，刀具使用寿命明显提高。但CVD金刚石薄膜涂层刀具因涂层工艺及预处理方法不同，存在着金刚石晶粒度、薄膜厚度、膜膜纯度等方面的差异.切削性能明显不同。 　　3.1 基体表面脱钴处理时间对刀具磨损性能的影响 　　硬质合金基体中含有粘结相钴。在CVD金刚石涂层工艺条件下，钴会向基体表面扩散，钴在基体表面的存在，对金刚石成核和生长过程起有抑制作用。而且碳在钴中有较大的固溶度和扩散系数，在金刚石沉积条件的长时间热处理过程中，钴粘结相溶解金刚石涂层。因此，采用化学溶液对硬质合金基体表面进行脱钴处理，以消除粘结相钴的不利影响，提高金刚石薄膜/基体的结合强度。但脱钴时间对金刚石成核和生长过程，从而对www.86cut.com金刚石膜厚、晶粒度等有着显著影响，脱钴时间还对基体强度有着重要影响。脱钴时间过长，金刚石薄膜厚度明显增加，粘附强度变差，且因脱钴深度过大，脱钴层组织琉松导致基体强度和韧性显著降低。此外，金刚石晶粒粗大.涂层表面粗糙。因此，脱钴时间存在一最佳值。比较图1 中CVD-45、CVD-48、CCD-47刀具(脱钴时间分别为15min，10min和5min，其它工艺条件相同)表明.对于YG6硬质合金基体的CVD金刚石薄膜刀具，脱钴时间为5min时，对应的CVD金刚石薄膜粘附性能最强，其切削性能最佳。 3 x' e0 o9 h+ i- @! Z& x+ v　　脱钴时间在5～15min范围内，随着脱钴时间的增加，金刚石晶粒尺寸和膜厚也相应增大.而基体强度因脱钴量的增加、粘结相的减少而降低。因此，金刚石薄膜/基体结合强度降低。 　　CVD-45刀具的金刚石薄膜厚为14µm，刀刃处甚至达18µm，金刚石晶粒较粗大。切削时，金刚石晶粒粗大的涂层表面粗糙度大，导致前刀面—切屑、后刀面—加工表面间摩擦力增大。前刀面上金刚石涂层表面甚至产生粘刀现象，从而使金刚石薄膜疲劳强度降低。同时由于热应力及膜厚所致的内应力作用，以及基体强度较低.金刚石薄膜/基体间产生裂纹并扩展.致便前、后刀面上金刚石膜过早开裂、剥落。所以.CVD-45磨损、破损较严重，刀具寿命低。 8 X! ?# `7 t7 @　　CVD-47刀具的金刚石膜厚(7µm)均匀，金刚石柱状晶结构整齐，金刚石薄膜/基体有较好的结合力，金刚石晶粒细小，涂层表面粗糙度较低。初始切削过程中，由于切削刃上金刚石薄膜较薄，及工件材料中存在尺寸较大的硬质相硅颗粒.金刚石涂层很快被磨穿.存在较剧烈的初期磨损阶段。但主切削刃附近前、后刀面上仍粘附着很薄一层金刚石膜，具有抵抗磨损及减小摩擦、抑制粘刀的作用。因此，刀具磨损量随切削过程的进行而平缓增加。随着磨损面积的增加，前、后刀面均出现轻微的粘刀现象，粘结物的频繁脱落，对金刚石薄膜产生周期性剥落作用，刃口出现微小崩刃，导致磨损曲线有微小波动，工件表面粗糙度逐渐增加。 　　3.2 基体材料对刀具磨损的影响 3 O$ I3 e; D, W6 A' v- W, u' e. l　　在相同涂层工艺条件下.基体为YG3硬质合金的CVD-63金刚石薄膜涂层刀具切削性能较基体为YG6 硬质合金的CVD-47金刚石薄膜刀具更佳。表现为：切削过程平稳，切削温度低，工件表面粗糙度小，刀具使用寿命长。当切削时间达69min时.刀具后刀面才开始出现VB=0.06mm的微小磨损。随着切削过程的进行.后刀面磨损区域慢速扩大，前刀面逐渐产生微小磨痕区。当切削时间达116min，后刀面出现微小金刚石膜剥落区，磨损速度加快，最终出现大面积金刚石膜剥落和急剧磨损。 　　硬质合金基体表面进行脱钴处理后，有利于金刚石的成核，但同时基体强度明显降低，且表层与基体深层的钴浓度差，会使深层的钴在金刚石涂层加热过程和切削热的作用下向表层扩散，与金刚石的碳元素反应及促使金刚石向石墨转变，削弱刀刃强度，加速刀具磨损。 1 D# i! [0 c! b9 ~# l: q+ T　　CVD-63因脱钴后表面与基体深层的浓度差小，金刚石薄膜的质量较好。金刚石膜厚(10µm)均匀，金刚石颗粒晶形完整细小，金刚石膜在基体表面有“钉扎”结合，因此，金刚石薄膜/基体结合牢固。切削时间低于69min，未见后刀面磨损、金刚石膜磨穿或剥落。随着切削过程的进行，工件中硬质点硅颗粒不断在金刚石膜表面划擦，金刚石薄膜不断承受交变的冲击力作用和高的切削温度，由于金刚石与硬质合金的热膨胀系数相差很大，金刚石薄膜与基体之间产生热应力，切削载荷与热应力的冲击作用，使金刚石薄膜疲劳强度降低，出现金刚石薄膜剥落。之后，硬质合金基体直接参与切削，因此，刀具发生急剧磨损。 ' j6 B; j( i8 ~# t8 ]* F# P% R1 _　　3.3 CVD金刚石薄膜涂层刀具的磨损失效机理分析 $ p; N/ s4 ]0 h4 ?9 Z, s2 w1 J% i　　切削Al-Si合金时，CVD金刚石薄膜刀具磨损往往首先在刀尖附近的前后刀面发生，存在金刚石薄膜磨穿(金刚石膜较薄时)、磨粒磨损、金刚石膜早期剥落(金刚石膜/基体结合强度不足时)的主要磨损、破损形式。随着切削过程的进行，前、后刀面逐渐磨损，同时往往伴随着金刚石薄膜开裂、剥落、崩刃等破损现象产生。金刚石膜剥落后的前、后刀面由于切削力增大、切削温度升高及硬质合金基体直接参与切削，刀具发生急剧磨损而失效。 　　工件材料中的硬质点硅颗粒在切削过程不断“微切削”金刚石薄膜表面，致使金刚石薄膜表面因疲劳强度降低磨损，甚至出现金刚石膜脱落。金刚石膜较薄的刀具则出现金刚石膜被磨穿的现象。 # e  M- `$ d: I7 G　　早期的金刚石膜剥落、开裂主要是由于金刚石薄膜/基体界面的结合强度不足所致。 　　金刚石薄膜厚度对膜/基体的结合强度有着决定性的影响，随着金刚石膜的增厚，由于膜的内部应力增大，结合强度会下降。切削时，在机械冲击载荷和热冲击载荷的作用下，金刚石涂层在刀刃处产生微裂纹，并沿金刚石薄膜/基体界面开裂、剥落。对于因脱钴层深度过大基体强度低的CVD金刚石刀具(如CVD-45刀具)，金刚石膜剥落主要不是沿金刚石膜/基体界面进行，而是在疏松的脱钴层内部断裂所致。一定切削条件下，CVD金刚石薄膜涂层刀具存在一最佳膜厚范围。在本实验切削条件下，膜厚在7～10µm范围的CVD金刚石薄膜涂层刀具未见金刚石薄膜过早剥夺落开裂现象。 / {9 O! Y$ A3 V0 q, N2 n# \) `　　金刚石薄膜表面粗糙度也是导致金刚石膜早期剥落、开裂的主要原因之一。金刚石涂层表面愈粗糙，刀具—工件接触区域摩擦阻力愈大，切削温度愈高，甚至产生“粘刀”现象，金刚石膜及膜/基体间强度降低，因而导致金刚石薄膜愈早剥落。因此，控制金刚石颗粒尺寸及对金刚石薄膜表面进行抛光，以降低表面粗糙度，将有效改善刀具—工件间的摩擦状况，延长刀具寿命。 # x$ J2 T, B; d. M. [3 U3 R　　CVD金刚石薄膜刀具的中、后期涂层开裂剥落主要是切削力和切削热作用所致。 + H, |% `5 O2 L5 u　　Al-Si合金材料中由于硅颗粒的存在，切削过程存在不连续性，刀具承受着一定冲击作用。由于金刚石涂层与硬质合金膨胀系数的不同，在切削温度作用下，金刚石膜与基体间产生热应力。随着磨损区域的增大，机械载荷和热应力的冲击作用增大，金刚石膜因疲劳强度降低，而逐渐剥落。 　　此外，在切削温度作用下，基体中的钴向金刚石薄膜/基体界面中扩散，使金刚石的碳元元素在其中溶解，也将降低金刚石膜/基体的结合强度，加剧金刚石膜的剥落和刀具磨损。 　　4 结论 4 v& P, o+ Q9 L% w, l# @2 r) l/ Q　　CVD金刚石薄膜刀具因涂层工艺条件不同，存在着金刚石粒度、膜厚度、膜纯度等的不同，磨损性能差异显著。 1 _; v( K( X: _* Q, z0 P' ?　　对YG6、YG3硬质合金基体进行5min脱钴处理，膜厚为7～10µm的CVD-47 和CVD-63金刚石薄膜刀具具有良好的切削性能。 　　CVD金刚石薄膜刀具切削高硅铝合金的主要磨损、破损失效形式有磨粒磨损，金刚石膜开裂、剥落。磨粒磨损主要是工件材料中硬质点硅颗粒的“微切削”作用所致。早期金刚石膜剥落主要是金刚石膜/基体间结合强度不足、脱钴层深度过大基体强度低所致;切削机力、切削热冲击作用是引起中、后期金刚石薄膜剥落的主要原因。