微納織構(gòu)涂層刀具研究進(jìn)展*

山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 張克棟 鄧建新 姜 超 陳 帥 劉亞運(yùn)

金屬切削過程是指將工件上多余的材料層，通過切削加工被刀具切除,成為切屑，從而得到所需要的零件幾何形狀的過程，此過程中始終存在著刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，從而產(chǎn)生一系列物理現(xiàn)象，如切削變形、切削力、切削熱與切削溫度以及工件材料的黏著和刀具磨損等[1]。因機(jī)械、熱磨損而引起的刀具快速失效早已成為制約切削加工技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素。磨損始于材料表面，表面性能是決定其耐磨性能的關(guān)鍵，利用表面工程技術(shù)提高材料耐磨損性能一直是研究的熱點(diǎn)。

表面涂層技術(shù)自20世紀(jì)六七十年代問世以來得到迅速發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，金屬切削刀具、模具和耐磨零部件等都可以進(jìn)行表面涂層處理，提高其表面硬度抗高溫氧化性及耐磨性等，從而大幅提高涂層產(chǎn)品的性能和使用壽命。涂層刀具按涂層種類可分為硬涂層刀具和軟涂層刀具。硬涂層刀具是在韌性較好的刀具基體上，沉積一層或多層耐磨性好的難熔化合物，如一些金屬的氮化物、碳化物、氧化物、硼化物以及金剛石等，使刀具結(jié)合了基體高強(qiáng)度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優(yōu)點(diǎn)，提高了刀具的耐磨性，而不降低其整體韌性，可以有效提高刀具壽命。軟涂層刀具是指在刀具表面通過涂層的方法沉積一層具有低的剪切強(qiáng)度和摩擦系數(shù)的固體潤(rùn)滑劑，如 MoS2、WS2、石墨、軟金屬鎳、錫、BN、石蠟等，這些具有低剪切強(qiáng)度的固體潤(rùn)滑劑易附著于摩擦表面，從而可在切削過程中起到減磨作用。涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴(kuò)大，使用涂層刀具可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，涂層刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志，也是刀具技術(shù)發(fā)展的重要方向[2]，在刀具中的使用比例已超過50%。但傳統(tǒng)涂層刀具仍存在著一些不足之處，比如硬涂層刀具的刀具/切屑接觸區(qū)的摩擦系數(shù)較大，導(dǎo)致切削力、切削溫度較高；軟涂層刀具的軟涂層較易磨損，磨損后難以補(bǔ)充，一旦磨損或脫落，涂層作用就將失效，刀具壽命較低；由于涂層厚度較薄，很容易產(chǎn)生尺寸效應(yīng)等。

為了更進(jìn)一步提高切削刀具的性能，國內(nèi)外有些學(xué)者已經(jīng)提出表面涂層技術(shù)與表面織構(gòu)技術(shù)結(jié)合的方法，綜合利用表面織構(gòu)與表面涂層的作用。表面織構(gòu)指利用特定的加工方法將平整的材料表面加工為具有規(guī)則造型的非光滑表面。表面織構(gòu)在活塞缸套、滑動(dòng)軸承、密封圈、發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸、導(dǎo)軌等機(jī)械零部件上的應(yīng)用研究表明，它具有改善表面潤(rùn)滑狀態(tài)和抗摩減磨的作用[3-13]。目前，國內(nèi)外已有學(xué)者進(jìn)行了表面織構(gòu)在切削刀具上應(yīng)用的研究，研究結(jié)果均證明了表面織構(gòu)具有提高刀具切削性能的功效。

微納織構(gòu)涂層刀具是在涂層刀具的基礎(chǔ)上，利用表面織構(gòu)技術(shù)，克服涂層刀具的不足，進(jìn)一步提高刀具性能的一種新型切削刀具。根據(jù)織構(gòu)與涂層的加工順序不同，如圖1所示，微納織構(gòu)涂層刀具可分為先織構(gòu)再涂層（TCT）刀具（圖1（e））以及先涂層再織構(gòu)（CTT）刀具（圖1（d））。將表面織構(gòu)與表面涂層結(jié)合應(yīng)用于刀具表面的研究雖處于起步階段，但其研究結(jié)果均證明了表面織構(gòu)與表面涂層結(jié)合應(yīng)用具有進(jìn)一步提高刀具切削性能的效果。

圖1 微納織構(gòu)涂層刀具制備過程示意圖

微納織構(gòu)涂層刀具的制備

微納織構(gòu)涂層刀具的制備主要包括兩部分：表面織構(gòu)的制備以及表面涂層的制備。表面織構(gòu)在切削刀具上的作用機(jī)理主要包括：減少刀屑接觸長(zhǎng)度、產(chǎn)生流體壓力以及存儲(chǔ)潤(rùn)滑劑和捕捉磨屑等。目前，表面織構(gòu)的加工方法主要包括微切削加工[14]、磨削加工[15]、磨料射流加工[16]、電火花加工[17-18]、激光加工[19-20]、反應(yīng)離子刻蝕[21]、光刻技術(shù)[22-23]等，而涉及切削刀具的表面織構(gòu)加工方法主要有電火花加工、光刻技術(shù)、激光加工技術(shù)。電火花加工是一種利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除工件材料，以獲得一定的加工形狀的非接觸加工方法。電火花加工方法能夠滿足用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法難于加工的硬質(zhì)合金等材料的成型加工，并適用于深孔加工及復(fù)雜形狀造型。光刻技術(shù)是一種利用照相復(fù)制與化學(xué)腐蝕相結(jié)合，在工件表面制備微細(xì)薄層圖形的加工方法。該技術(shù)多用于半導(dǎo)體元器件及集成電路的制作加工，文獻(xiàn)報(bào)道最近有研究學(xué)者已將光刻技術(shù)引入了切削刀具表面織構(gòu)的制備。激光加工是一種利用激光束照射工件表面，使材料融化、氣化的加工方法。激光加工方法因能量密度高、加工可控性好、加工速度快以及易實(shí)現(xiàn)精密加工等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在制造業(yè)的諸多領(lǐng)域。在目前已報(bào)道的切削刀具表面織構(gòu)的加工方法中，激光加工技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛。

表面涂層的制備方法主要包括氣相沉積、熱噴涂、化學(xué)熱處理、熱反應(yīng)擴(kuò)散沉積、化學(xué)鍍、復(fù)合鍍、溶膠凝膠、陽極氧化（微弧氧化）等，而涉及涂層刀具的表面涂層制備方法主要為氣相沉積。氣相沉積技術(shù)分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積。物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition,PVD）是利用某種物理過程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或受到粒子轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到沉積涂層的可控轉(zhuǎn)移過程，是在分子、原子的尺度上沉積涂層。真空蒸發(fā)沉積、濺射沉積、離子鍍沉積、離子束合成沉積和分子束外延等屬于物理氣相沉積技術(shù)。它們的特點(diǎn)為： （1）需要使用固態(tài)或熔融態(tài)的物質(zhì)作為沉積涂層的源物質(zhì)； （2）源物質(zhì)經(jīng)過物理過程進(jìn)入氣相；（3）需要相對(duì)較低的氣體壓力環(huán)境；（4）在氣相中及在襯底表面并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)涂層的技術(shù)。與PVD相比，CVD過程多是在相對(duì)較高的壓力和較高的沉積溫度環(huán)境下進(jìn)行的，因?yàn)檩^高的壓力有助于提高涂層的沉積速率，且較高的沉積溫度可保證化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行。

將上述表面織構(gòu)加工技術(shù)與表面涂層制備技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可制備出不同類型的微納織構(gòu)涂層刀具。

1 TCT刀具

Obikawa等[23]利用光刻技術(shù)與化學(xué)氣相沉積方法制備了TCT刀具。該研究首先采用直流磁控濺射的方法在硬質(zhì)合金刀具基體表面涂覆厚度為 0.5～1.2μm 的金屬鎳，利用濕法刻蝕的光刻技術(shù)在已涂層刀具前刀面刻蝕出4種特定的織構(gòu)圖案，然后利用等離子化學(xué)氣相沉積法（PCVD）在織構(gòu)表面涂覆類金剛石薄膜（DLC）或利用直流磁控濺射法涂覆氮化鈦（TiN）。圖2為Obikawa等[23]制備的4種DLC涂層微織構(gòu)形貌。Enomoto等[24]利用飛秒激光加工技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具前刀面加工出平行于主切削刃以及垂直于主切削刃的微納復(fù)合織構(gòu)（深度為 100～150nm，間距為 700nm），然后在織構(gòu)表面利用電弧離子鍍方法沉積類金剛石（DLC）膜，制備出微納織構(gòu)DLC涂層刀具。本課題組利用激光加工技術(shù)與PVD方法制備了多種TCT刀具[25-26]。首先在硬質(zhì)合金刀具前刀面利用Nd：YAG激光加工出平行于主切削刃的微織構(gòu)（深度為 50μm，間距為 200μm）和用鈦寶石飛秒激光加工出納織構(gòu)（深度為 150nm，間距為 550nm），然后利用PVD方法在織構(gòu)刀具表面涂覆厚度為1μm的WS2軟涂層或2μm的TiAlN硬涂層。圖3為制備出的納織構(gòu)WS2軟涂層刀具形貌。

2 CTT刀具

圖2 刀具表面的DLC涂層微織構(gòu)形貌

圖3 納織構(gòu)WS2軟涂層刀具前刀面形貌

Da Silva等[27]首先利用化學(xué)沉積方法在硬質(zhì)合金刀具前刀面涂覆厚度為10.5μm的TiCN-Al2O3-TiN復(fù)合涂層，然后在復(fù)合涂層表面利用Nd:YAG激光加工出深度大約為2.05μm的微織構(gòu)，制備出CTT刀具，如圖4所示。

作者曾利用激光加工方法與PVD方法制備了CTT刀具。首先利用PVD方法在硬質(zhì)合金刀具表面涂覆厚度為2μm的TiAlN硬質(zhì)涂層，然后利用鈦寶石飛秒激光在涂層刀具表面前刀面加工出兩種深度為120nm，間距為650nm的納織構(gòu)圖案，制備出的TiAlN涂層納織構(gòu)刀具如圖5所示。

微納織構(gòu)涂層刀具的切削性能及其作用機(jī)理

1 微納織構(gòu)涂層刀具的切削性能

圖4 CTT刀具

圖5 TiAlN涂層納織構(gòu)刀具前刀面納織構(gòu)形貌

本課題組利用制備的納織構(gòu)WS2軟涂層刀具進(jìn)行了干車削45#淬火鋼的切削試驗(yàn)。結(jié)果表明，相比普通的硬質(zhì)合金刀具以及僅表面織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具，這種WS2軟涂層納織構(gòu)刀具能夠降低切削力和切削溫度，在刀屑接觸區(qū)域加工納米微槽并沉積一層WS2軟涂層，能夠顯著降低刀具與切屑的平均摩擦系數(shù)，減輕工件材料粘結(jié)及刀具磨損（見圖6）。隨后又利用制備的微織構(gòu)TiAlN硬涂層刀具在不同潤(rùn)滑方式下進(jìn)行了車削45#淬火鋼的切削試驗(yàn)。結(jié)果表明，不論在貧油潤(rùn)滑或完全潤(rùn)滑條件下織構(gòu)涂層刀具與普通涂層刀具比較，均能夠降低切削力和切削溫度（見圖7）；在完全潤(rùn)滑條件下織構(gòu)涂層刀具性能最優(yōu)，與普通涂層刀具比較，其高速切削下可降低切削力21.2%～34.7%；刀具前刀面的微織構(gòu)能夠有效促進(jìn)潤(rùn)滑劑滲入到刀屑接觸區(qū)域，從而顯著增強(qiáng)潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑作用，降低刀具磨損，提高刀具壽命。

圖6 織構(gòu)涂層刀具、僅織構(gòu)刀具與普通刀具的前刀面磨損情況對(duì)比(v =150m/min,ap =0.3mm, f =0.1mm/r, t =3min)

圖7 不同潤(rùn)滑條件下未織構(gòu)涂層刀具與織構(gòu)涂層刀具切削45#淬火鋼的切削力對(duì)比（ap =0.3mm, f =0.1mm/r）

Obikawa等[23]利用光刻技術(shù)在硬質(zhì)合金車刀前刀面加工了4種微織構(gòu)（垂直于主切削刃的微凹槽陣列、平行于主切削刃的微凹槽陣列、微方坑陣列和微凸點(diǎn)陣列），在織構(gòu)表面涂覆了類金剛石薄膜（DLC）或氮化鈦（TiN），制備了微織構(gòu)涂層刀具。使用該微織構(gòu)涂層刀具進(jìn)行直角切削A6061鋁合金的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在使用切削液潤(rùn)滑條件下，平行于主切削刃的微凹槽陣列和微凸點(diǎn)陣列兩種織構(gòu)形式的微織構(gòu)涂層刀具相比未織構(gòu)的普通刀具能夠有效降低前刀面的摩擦系數(shù)和摩擦力；單元織構(gòu)寬度的減小和織構(gòu)深度的增加都將有助于提高涂微織構(gòu)層刀具的切削性能。

Nevesa等[28]在4mm厚水層下或空氣中利用Nd :YAG激光在2種不同平均功率（9W、15W）條件下對(duì)硬質(zhì)合金刀具表面織構(gòu)化，再利用PVD技術(shù)在織構(gòu)表面沉積一層厚度為1.8μm的TiAlN涂層，制備了4種微織構(gòu)TiAlN涂層刀具，與未織構(gòu)涂層刀具比較；然后利用制備的試樣進(jìn)行納米壓痕試驗(yàn)以及干車削1045鋼試驗(yàn)，結(jié)果表明，涂層在織構(gòu)試樣表面的結(jié)合力均大于在未織構(gòu)試樣表面的結(jié)合力，因此織構(gòu)涂層刀具的壽命高于未織構(gòu)涂層刀具；由激光加工導(dǎo)致基體表面粗糙度增加從而提高涂層與基體的機(jī)械結(jié)合，以及由激光熱導(dǎo)致的硬質(zhì)合金顆?；瘜W(xué)改性是織構(gòu)涂層刀具性能得到改善的原因。

Sugihara等[29]利用飛秒激光在硬質(zhì)合金銑刀片前刀面加工了微納織構(gòu)，然后在刀具表面涂覆類金剛石薄膜（DLC），制備了微納織構(gòu)DLC涂層刀具。使用該刀具進(jìn)行銑削A5052鋁合金的試驗(yàn)結(jié)果表明，在潤(rùn)滑液作用下，微納織構(gòu)涂層刀具相比普通刀具具有良好的抗粘結(jié)能力；微納織構(gòu)刀具的抗粘結(jié)作用與織構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，帶狀微納織構(gòu)刀具的抗工件材料粘結(jié)的效果優(yōu)于均勻分布微納織構(gòu)刀具。

圖8 未織構(gòu)涂層與織構(gòu)涂層試樣納米壓痕標(biāo)記

圖9 液體流入前刀面織構(gòu)刀具刀屑接觸區(qū)域示意圖

圖10 滑動(dòng)摩擦過程中，不同試樣作用原理示意圖

2 微納織構(gòu)涂層刀具改善切削性能的作用機(jī)理

上述切削試驗(yàn)均表明，表面織構(gòu)能夠有效提高涂層刀具的切削性能。目前確認(rèn)的織構(gòu)改善涂層刀具切削性能的作用機(jī)理包括以下3個(gè)方面：（1）刀具表面加工表面織構(gòu)能夠有效改善涂層性能，從而提高涂層刀具性能，如對(duì)于先織構(gòu)再涂層刀具，表面織構(gòu)能夠提高涂層與基體的結(jié)合力。圖8為織構(gòu)化與未織構(gòu)化TiAlN涂層刀具表面經(jīng)過納米壓痕試驗(yàn)后表面形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)與未織構(gòu)涂層試樣比較，表面織構(gòu)均能提高TiAlN涂層的結(jié)合力。（2）在刀具前刀面加工表面織構(gòu)有利于潤(rùn)滑劑作用的發(fā)揮，能夠提高刀具的潤(rùn)滑效果。對(duì)于液體潤(rùn)滑條件下的切削，涂層刀具表面織構(gòu)有利于潤(rùn)滑劑滲入到刀屑接觸區(qū)域，從而提高涂層刀具性能。如圖9所示，澆注的切削液能夠從刀屑接觸區(qū)域外的溝槽滲入到刀屑接觸區(qū)域內(nèi)的溝槽，刀屑摩擦副之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)能夠帶動(dòng)織構(gòu)中潤(rùn)滑劑，將其“擠壓”出表面，從而在刀屑接觸區(qū)域形成潤(rùn)滑膜。對(duì)于織構(gòu)軟涂層刀具，基體表面織構(gòu)有利于軟涂層潤(rùn)滑劑的存儲(chǔ)和供給，從而提高軟涂層有效作用時(shí)間。滑動(dòng)摩擦中，不同刀具作用原理見圖10。如圖10（d）所示，當(dāng)?shù)缎冀佑|區(qū)域的初始潤(rùn)滑層被耗盡后，存儲(chǔ)在織構(gòu)內(nèi)的潤(rùn)滑劑能夠及時(shí)被擠壓出拖覆在光滑表面，從而維持潤(rùn)滑層的存在[30]。（3）表面織構(gòu)的存在能夠減少刀-屑實(shí)際接觸面積。表面織構(gòu)改善涂層性能、潤(rùn)滑劑作用性能以及使刀-屑接觸面積的減小都將降低切屑與刀具之間的摩擦力，從而降低切削力、切削溫度，并減緩刀具磨損。

結(jié)束語

微納織構(gòu)涂層刀具是將表面織構(gòu)與表面涂層技術(shù)結(jié)合以改善刀具切削摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)的新型刀具。國內(nèi)外相關(guān)研究學(xué)者采用電火花、光刻、激光等織構(gòu)加工技術(shù)與氣相沉積等涂層制備技術(shù)，在硬質(zhì)合金、高速鋼等刀具上制備了尺寸從微米級(jí)到納米級(jí)的多種表面織構(gòu)以及各種軟、硬涂層，研究了其切削加工鋼、鋁合金、鈦合金等工件材料的切削性能。結(jié)果表明，織構(gòu)涂層刀具在改善涂層性能、刀-屑接觸面摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)、降低切削力和切削溫度、延緩刀具磨損等方面具有顯著的效果。織構(gòu)涂層刀具是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ牡毒?，已成為?dāng)前切削刀具研究領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，在今后的研究中應(yīng)將重點(diǎn)放在微納復(fù)合織構(gòu)在軟硬復(fù)合涂層刀具上的應(yīng)用，以進(jìn)一步提高織構(gòu)涂層刀具的切削加工性能。

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