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; J* D+ t5 Y2 q3 g* P 来源:www.86cut.com
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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。
% m. }- B, Y# v4 o' u0 T4 G 1 前言' C% e/ i* G J0 a
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。
& u) ^1 }6 T2 l 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。
6 D t+ v2 {( [2 U' M+ F7 x/ J2 t$ G 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。
/ q+ M/ q: w2 Y/ p( C/ T 2 实验条件及方法
1 U" t& z1 z+ i& u0 d 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。
* Y5 N0 P2 b& D/ c 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。
1 s' H9 U Z \. u 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。
) L% M, {* |! g$ Y: t/ s5 e: y; v 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(℃ )' F$ c7 v$ f8 O/ f
5.3~20 4~10 5~15 0.5~5% 50~150 7O~200 700~1100
0 W; y* U: f) c) _; s% J 3 实验结果与分析
% a1 q- W+ c; s+ U8 \# }: _ 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。
& K6 S) S/ d0 }" K9 O7 v1 | 3.1 基体表面脱钴处理时间对刀具磨损性能的影响8 K7 y+ X7 g/ @2 }
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。7 l+ x0 t/ e- y& F1 {$ p0 r/ e
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。
2 @# H) p. e; P) m# X9 { 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。& Y8 y- A* Z5 r1 T# T0 F! M, T
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。6 E$ S$ e& r- n& a$ A
3.2 基体材料对刀具磨损的影响
4 Q: C( I+ ^' ]9 X; } 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。
* x' U3 E I! K" Q. N 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。
) x' r' p: H6 ^/ }$ N# Z 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。9 m4 z0 p; y U9 I4 |' y* C0 X! U
3.3 CVD金刚石薄膜涂层刀具的磨损失效机理分析3 p* r# c6 |" l
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。
) i# v \ j4 }( v 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。
* F7 v( ^- f- O4 ?/ s& `" o 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。- r+ A; y9 v N5 L2 a
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。$ k& F, g9 y, z! X( p5 c+ L3 Y) \
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。5 G# N/ c; O5 d6 }* U' X( Q, `
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。
& k; C. q! O* Y4 g1 H# | 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。
) F1 k$ y+ _1 \6 s3 e 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。" m( S Y/ _! R8 w/ \* T
4 结论/ x9 J3 p4 ]% C- x1 p
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。, r! H: e* ?; J4 y2 R$ U
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。
! G' ?/ _% f$ G3 o, F; s$ r, A( e 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。
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