YT15硬質(zhì)合金成形銑刀的金剛石涂層制備及應(yīng)用研究*

(①河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作，454000；②河南四方達(dá)超硬材料股份有限公司，河南 鄭州，450016)

隨著新型復(fù)合材料、難加工材料的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)刀具性能提出了更高的要求。鏟齒成形銑刀被大量應(yīng)用于銑削各種復(fù)雜的成形表面，其傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)制造方法已遠(yuǎn)不能滿足高速、高精密的加工需求。與此同時(shí)，涂層工藝已成為刀具制造必不可少的新工藝，其中，化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)金剛石涂層是一種超硬的多功能材料，具有高硬度、高導(dǎo)熱率、低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)和高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，CVD金剛石涂層就成為提高這類刀具性能的有效途徑之一[1]。

目前，研究最多的是在YG類(鎢鈷類)硬質(zhì)合金基體上制備金剛石薄膜，而對(duì)YT類(鎢鈷鈦類)硬質(zhì)合金研究較少。YT類硬質(zhì)合金刀具具有較高的耐磨性、熱硬性和允許切削速度，在此類硬質(zhì)合金刀具上涂覆金剛石薄膜，不僅可提高刀具壽命，而且有利于提高精細(xì)加工質(zhì)量[2]。由于YT類硬質(zhì)合金比YG類多含有TiC成分，在以往YG類制備工藝的基礎(chǔ)上，需考慮TiC成分對(duì)金剛石薄膜制備以及刀具后續(xù)切削性能的影響，同時(shí)，針對(duì)成形刀具等復(fù)雜形狀刀具的使用和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的較高要求，襯底表面的預(yù)處理、刀具沉積裝置和工藝以及薄膜附著強(qiáng)度的檢測(cè)和評(píng)價(jià)都有其特殊性[3]。所以，選用形狀較為復(fù)雜的B212型YT15硬質(zhì)合金成形銑刀片，對(duì)焊接式硬質(zhì)合金鏟齒成形銑刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，制作出“機(jī)夾式”硬質(zhì)合金成形銑刀，以方便刀片裝夾互換和涂層技術(shù)的應(yīng)用，從而延長(zhǎng)刀具壽命及避免刀具重磨，確保刀具切削角度和切削過(guò)程的穩(wěn)定性[4]。

以YT15硬質(zhì)合金為襯底材料，應(yīng)用熱絲CVD法，采用平行的熱絲布置方式以及兩種不同化學(xué)方式的預(yù)處理和優(yōu)化的沉積工藝，制備出微米級(jí)金剛石涂層成形銑刀片，以適應(yīng)YT類硬質(zhì)合金成形刀具的金剛石薄膜涂覆。由此，針對(duì)SiC顆粒體積含量高達(dá)65%的高體分鋁基復(fù)合材料進(jìn)行銑削試驗(yàn)，對(duì)比分析刀具的磨損及工件表面的微觀形貌，檢測(cè)金剛石薄膜的質(zhì)量以及與基體的附著強(qiáng)度，以進(jìn)一步推動(dòng)金剛石薄膜涂層材料在復(fù)雜形狀硬質(zhì)合金刀具上的應(yīng)用。

1 金剛石涂層成形銑刀的制備與表征

1.1 成形銑刀片的預(yù)處理

YT15硬質(zhì)合金基體各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：79% WC，15% TiC和6% Co。B212型刀片尺寸如圖1所示，其中：R=6 mm,t=12 mm,l=12 mm,s=4.5 mm,e=0.8 mm，前角γ=0°，頂刃后角α=14°。

制備金剛石涂層之前，必須對(duì)基體進(jìn)行預(yù)處理，以增加薄膜的成核密度?；w表面分別采用超聲輔助酸堿法、超聲輔助醇?jí)A法預(yù)處理。

第1步：取刀片放入質(zhì)量比KOH ：K3(Fe(CN)6) ：H2O為1 ：1 ：10的Murakam溶液中超聲清洗25 min，以浸蝕表層的部分WC、TiC相，使刀片表面粗化，然后將其表面殘留的Murakam溶液沖洗干凈；

第2步：將刀片放入體積比H2SO4：H2O2為3 ：7的溶液中超聲清洗10 s(超聲輔助酸堿法)或在甲醇溶液超聲清洗20 min(超聲輔助醇?jí)A法)，以去除刀片表層的鈷元素，防止鈷在金剛石薄膜的沉積過(guò)程中產(chǎn)生催石墨化的作用，減弱膜-基間的附著強(qiáng)度；

第3步：刀片放入丙酮溶液中超聲清洗5 min，防止刀片上殘留的反應(yīng)溶液對(duì)其表層和制備的金剛石薄膜造成污染。

1.2 金剛石涂層成形銑刀的制備方法

涂覆設(shè)備采用偏壓增強(qiáng)輔助熱絲CVD金剛石沉積裝置，反應(yīng)氣體為氫氣和丙酮，丙酮由氫氣帶出。刀片前刀面朝上水平放置，熱絲為直徑0.5 mm的鉭絲，四根鉭絲集中平行等間距布置，鉭絲間距約20 mm，距襯底高度6～8 mm。為便于對(duì)照，同一真空爐內(nèi)分別將不同預(yù)處理的YT15刀片靠近中心對(duì)頂放一組，再靠近邊緣對(duì)頂放一組，以獲取較合適的溫度場(chǎng)。

表1為沉積金剛石薄膜工藝參數(shù)。沉積過(guò)程可以分為碳化、形核和生長(zhǎng)等3個(gè)階段。碳化有兩個(gè)目的：一是為減少雜質(zhì)以獲得高質(zhì)量的金剛石薄膜，因?yàn)闊峤z上有油污等雜質(zhì)，如果不去除，雜質(zhì)會(huì)在沉積過(guò)程中隨氣流運(yùn)動(dòng)而落在金剛石薄膜表面，影響沉積質(zhì)量。二是碳化后的鉭絲不易變形，易產(chǎn)生穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。在形核階段，采用較低的反應(yīng)氣體壓力1.599 kPa和較高的偏流3 A，以利于增加金剛石晶粒的形核密度。經(jīng)過(guò)0.5 h的形核過(guò)程，進(jìn)入生長(zhǎng)階段。將反應(yīng)氣體壓力升至5.332 kPa，并適當(dāng)減小碳源濃度，碳?xì)淞髁勘扔?00：60調(diào)為200：50，使氫氣濃度相對(duì)增加，以使達(dá)到電離狀態(tài)的氫原子對(duì)吸附在襯底表面的碳?xì)浠鶊F(tuán)進(jìn)行刻蝕，促進(jìn)顆粒的生長(zhǎng)。為降低金剛石膜內(nèi)的應(yīng)力，應(yīng)采用較低的沉積溫度和適宜的薄膜厚度[5]，沉積溫度控制在750～800 ℃，生長(zhǎng)階段持續(xù)約6 h，使金剛石薄膜的厚度適中。

表1 金剛石薄膜的沉積工藝參數(shù)

1.3 金剛石涂層銑刀的表面形貌

采用掃描電鏡觀察不同預(yù)處理方式下刀片不同部位沉積的金剛石薄膜表面形貌，如圖2、3所示，刀具表面和切削刃被灰黑色、有金屬光澤、均勻致密的金剛石薄膜覆蓋，說(shuō)明金剛石薄膜在不同預(yù)處理后的襯底上生長(zhǎng)良好。由圖2a、2b與圖3a、3b對(duì)比可知：經(jīng)酸堿預(yù)處理后的刀片表層的金剛石顆?；径汲尸F(xiàn)出晶粒粗壯、發(fā)育良好的〈111〉方向?yàn)橹鞯娜切蚊妫?jīng)醇?jí)A預(yù)處理的襯底表面獲得的金剛石顆粒以〈100〉方向?yàn)橹?，且平均晶粒大小較酸堿預(yù)處理方法小1-2 μm，金剛石薄膜結(jié)構(gòu)更為致密。這主要是由于經(jīng)醇?jí)A預(yù)處理后襯底表面出現(xiàn)的是許多很微小的凹坑和劃痕，粗化程度低，經(jīng)測(cè)量，其表面粗糙度為0.23 μm。而YG6硬質(zhì)合金(成分：94% WC，6% Co)經(jīng)同樣預(yù)處理后得到的表面粗糙度為0.27 μm?？梢?jiàn)，受基體中TiC相的影響，YT類硬質(zhì)合金經(jīng)預(yù)處理后的表面粗糙度值較YG類減小約14.81%。這是由于YT類硬質(zhì)合金在粉末冶金工藝制備中，TiC均勻地分散在WC形成的骨架中，能明顯抑制WC晶粒生長(zhǎng)，并減小WC粒度范圍，細(xì)化WC晶粒，WC晶粒較小[6]，所以預(yù)處理后襯底表面形成的空洞相對(duì)較小，測(cè)得的表面粗糙度值相應(yīng)較小。粗化程度的降低有利于提高金剛石的形核密度和金剛石的生長(zhǎng)。

觀察前刀面截面形貌，如圖2c、3c所示，其表面層為金剛石薄膜，里層是硬質(zhì)合金基體，界面清晰，在界面上金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基體緊密連接，并相互滲透，薄膜厚度基本一致，涂層均勻性良好。經(jīng)與刻度尺對(duì)比，涂層沉積6 h后，其厚度大約為8～10 μm。而后刀面由于沉積過(guò)程中所處的位置，涂層厚度在遠(yuǎn)離刀刃處有逐漸變薄的趨勢(shì)，如圖2d、3d所示，均勻性相對(duì)前刀面較差。但刀片實(shí)際銑削時(shí)主要是刀刃與前刀面進(jìn)行切削與排屑，后刀面主要是熨壓已加工表面，而工件材料質(zhì)地硬脆，彈性回復(fù)很小。因此，刀片涂層的整體厚度可滿足加工需求，表明所采用的熱絲布置方式、刀片放置形式和沉積工藝參數(shù)比較合理。

2 應(yīng)用試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證所制備金剛石涂層的性能，以SiC顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料SiCp/Al作為工件材料，對(duì)比考察金剛石涂層成形銑刀與同規(guī)格未涂層硬質(zhì)合金銑刀的切削性能。其中，SiC顆粒體積含量65%，粒度30 μm，HV硬度11.9～12.6 GPa，試件尺寸65 mm×60 mm×25 mm；“機(jī)夾式”YT15硬質(zhì)合金金剛石涂層成形銑刀，刀盤(pán)直徑d=98 mm，齒數(shù)z=8，所加工圓弧槽半徑R=6 mm，裝夾的B212型刀片分別經(jīng)過(guò)酸堿預(yù)處理和醇?jí)A預(yù)處理兩種方法，相同CVD制備工藝，涂覆的金剛石薄膜厚度約為10 μm。

銑削試驗(yàn)在X8130銑床上進(jìn)行，采用干式逆銑。對(duì)于SiCp/Al這類難加工材料，應(yīng)選取較小的銑削寬度ae和每齒進(jìn)給量fz，而選用較高的銑削速度vc。一般選取每齒進(jìn)給量fz約0.02 mm/齒，轉(zhuǎn)速n介于(200～400) r/min[7]。所以，根據(jù)銑床已有參數(shù)的取值范圍，對(duì)應(yīng)選取典型的銑削參數(shù)：n=300 r/min，fv=8 mm/min，ae=1 mm，則每齒進(jìn)給量fz=0.027 mm/齒，切削速度vc=92.32 m/min。以JSM-6390LV型掃描電鏡、KISTLER9257B型三向壓電式測(cè)力儀、2017B型工具顯微鏡、Talysurf CCI6000型白光干涉表面輪廓儀分別檢測(cè)刀具磨損、銑削力的變化、試件的表面形貌及粗糙度。

2.1 金剛石涂層對(duì)刀具磨損的影響

由于試件材料內(nèi)部存在體積含量高達(dá)65%的SiC顆粒，硬度與SiC砂輪幾乎相當(dāng)，因此，未涂層刀片由于本身硬度不夠，銑削時(shí)磨損劇烈。在銑削長(zhǎng)度達(dá)20 mm時(shí)，后刀面就呈現(xiàn)出0.07 mm的磨損帶，并附有嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和磨粒磨損，如圖4a所示。繼續(xù)加工后，由于銑刀局部銑削時(shí)間較長(zhǎng)，排屑不充分，刀刃與金屬層發(fā)生粘著，磨損嚴(yán)重，后刀面出現(xiàn)崩刃。因此，未涂層YT15刀片不適合這種高硬度復(fù)合材料的加工。圖4b為經(jīng)酸堿預(yù)處理后的金剛石涂層刀片在相同銑削條件下的后刀面磨損?？梢钥闯?，刀片表面較粗糙，后刀面主要呈現(xiàn)出大量的粘結(jié)磨損及磨粒磨損。由于涂層的保護(hù)，刀刃磨損量較少，尚未形成磨損帶。刀具表面涂覆的金剛石薄膜并沒(méi)有明顯的剝落，表明膜-基的附著強(qiáng)度較好。由于涂層銑刀表面只磨損掉少量金剛石顆粒，可見(jiàn)金剛石涂層有效增強(qiáng)了刀具的耐磨性。這表明，經(jīng)酸堿預(yù)處理后的金剛石涂層刀具較適合高體分復(fù)合材料的粗加工。圖4c為經(jīng)醇?jí)A預(yù)處理后的金剛石涂層刀片在相同銑削條件下的后刀面磨損?？梢钥闯?，該刀片表面較光滑，后刀面基本沒(méi)有明顯的粘結(jié)磨損及磨粒磨損，且涂層未剝落，說(shuō)明涂層硬度及結(jié)合力均較好，所以，該預(yù)處理方法及相應(yīng)的涂層工藝較適合此類復(fù)合材料的半精加工。試驗(yàn)表明：切削這類高體分復(fù)合材料時(shí)，金剛石涂層刀具在強(qiáng)度、硬度和耐磨性等方面明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具，在銑削過(guò)程中刀具后刀面磨損較輕，有利于減小切削力。經(jīng)試驗(yàn)，在相同的切削用量條件下，金剛石涂層刀具比未涂層硬質(zhì)合金刀具的各銑削力減小20%～60%。

2.2 金剛石涂層對(duì)工件表面質(zhì)量的影響

加工初期，采用工具顯微鏡觀察兩種刀具在同一銑削參數(shù)加工后的試件表面，如圖5所示。由圖可見(jiàn)，未涂層硬質(zhì)合金刀具加工后的試件表面有較多凹坑，加工刀痕凌亂，而涂層刀具加工后的表面加工刀痕較規(guī)整，加工試件的表面粗糙度Ra經(jīng)測(cè)試分別為0.427 μm(醇?jí)A預(yù)處理)、0.586 μm(酸堿預(yù)處理)，明顯小于未涂層刀具加工的表面粗糙度Ra1.062 μm，進(jìn)一步表明細(xì)化晶粒有助于減小涂層表面的粗糙度，提高膜-基間的附著強(qiáng)度，試件表面不易粘結(jié)，從而降低刀具與試件間的摩擦，提高加工表面質(zhì)量。加工中后期，未涂層刀具磨損劇烈，被快速磨鈍，加工表面出現(xiàn)許多硬粒脫落凹坑、裂紋等缺陷。持續(xù)銑削后，試件表面出現(xiàn)黏結(jié)。而金剛石薄膜耐磨性、導(dǎo)熱性較好，持續(xù)加工一段時(shí)間后涂層銑刀的優(yōu)勢(shì)逐漸發(fā)揮出來(lái)，所加工試件的表面粗糙度介于0.668～0.806 μm，加工質(zhì)量較為穩(wěn)定。但沉積金剛石薄膜前對(duì)基體表面進(jìn)行了粗化處理，由粗化所形成的缺陷在沉積過(guò)程中映射到金剛石薄膜表面[3]，所加工試件表面質(zhì)量仍較粗糙。因此，未涂層硬質(zhì)合金刀具并不適合這類材料的加工，微米級(jí)金剛石涂層刀具較適合其粗加工或半精加工。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)于復(fù)雜形狀B212型YT15硬質(zhì)合金成形銑刀片，采用平行布置熱絲方式和現(xiàn)有的沉積工藝在表面涂覆的金剛石薄膜均勻性較好。

(2)經(jīng)酸堿預(yù)處理的YT15金剛石涂層刀片表層的金剛石晶粒粗壯，醇?jí)A預(yù)處理后的表層金剛石晶粒較小，薄膜結(jié)構(gòu)更為致密，后刀面刀刃磨損量均較少，且涂層未剝落，所以，YT15硬質(zhì)合金銑刀表面沉積的金剛石薄膜能有效增強(qiáng)刀具耐磨性，減輕其磨損，在銑削過(guò)程中具有良好的附著強(qiáng)度，從而降低切削力20%～60%。

(3)YT15未涂層刀具不適合高體分SiCp/Al復(fù)合材料的加工，而YT15金剛石涂層刀具加工后的工件表面質(zhì)量較穩(wěn)定，且經(jīng)酸堿預(yù)處理后的金剛石涂層刀具較適合此類材料的粗加工，醇?jí)A預(yù)處理方法及相應(yīng)的金剛石涂層工藝較適合其半精加工。

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