微噴砂前處理對(duì)AlCrN涂層刀具表面完整性的影響*

吳振宇 鄭光明 蓋少磊 李方梁 楊先海 程 祥

(①山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000；②濱州渤海活塞有限公司，山東 濱州 256602；③山東耀華特耐科技有限公司，山東 濱州 256619)

涂層刀具因其高硬度、高耐磨性、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸取代傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具，在切削加工中得到了廣泛應(yīng)用[1]。新型難加工材料的不斷出現(xiàn)，對(duì)涂層刀具的切削性能提出更高要求。涂層刀具表面完整性主要包括涂層刀具的幾何特征(表面形貌、表面粗糙度、涂層厚度)、機(jī)械性能(硬度、表面應(yīng)力、結(jié)合強(qiáng)度)、物相結(jié)構(gòu)和化學(xué)參數(shù)等，改善表面完整性對(duì)提高涂層刀具切削性能，延長(zhǎng)刀具使用壽命，降低加工成本具有重要意義。表面處理技術(shù)是目前較為常用的手段，其按處理對(duì)象不同可分為前處理和后處理。前處理的對(duì)象為涂層刀具基體，處理方法主要有熱處理、研磨拋光和微噴砂等；后處理的對(duì)象為整體涂層刀具，處理方法主要有微噴砂、熱處理、激光束和離子束等[2]。

在眾多表面處理技術(shù)中，微噴砂因成本低、刀具表面性能改善明顯等優(yōu)點(diǎn),普遍應(yīng)用于涂層刀具的前、后處理[3]。Bouzaki K D[4]等發(fā)現(xiàn)，微噴砂能夠增大硬質(zhì)合金表面的粗糙度，降低硬質(zhì)合金表面的拉應(yīng)力，從而提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。Mohammadi Z[5]等認(rèn)為，通過微噴砂前處理可以使刀具表面清潔、刃口鈍化及改善鈷流失等，并可提高膜基結(jié)合力。Abusuilik S[6]等在WC-Co上沉積TiAlN涂層之前對(duì)基體刀具進(jìn)行微噴砂處理，發(fā)現(xiàn)處理后涂層刀具能獲得優(yōu)異的膜基結(jié)合力。Gangopadhyay S[7]等在沉積AlTiN涂層之前對(duì)硬質(zhì)合金基體進(jìn)行微噴砂處理，發(fā)現(xiàn)前處理會(huì)提高AlTiN涂層的含氮量，還發(fā)現(xiàn)前處理會(huì)導(dǎo)致基材WC相含量的減少和表面微粗化，從而提高涂層的附著力。胡芳[8]等對(duì)YG6硬質(zhì)合金進(jìn)行微噴砂前處理后沉積金剛石薄膜，發(fā)現(xiàn)微噴砂前處理能顯著提高膜基結(jié)合力。

本文通過改變微噴砂壓強(qiáng)和噴砂時(shí)間，對(duì)涂層刀具的硬質(zhì)合金基體進(jìn)行微噴砂前處理，進(jìn)一步研究了微噴砂前處理對(duì)涂層刀具表面完整性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 微噴砂試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)采用四川自貢硬質(zhì)合金公司生產(chǎn)的YG8硬質(zhì)合金刀片，刀片名義成分：WC含量約為92%，Co含量約為8%。刀片尺寸為16 mm×16 mm×5.5 mm。

微噴砂設(shè)備采用常州瞬潔機(jī)械科技有限公司生產(chǎn)的9080-2W-ZSK型自動(dòng)液體噴砂機(jī)，噴砂設(shè)備如圖1所示。濕式噴砂機(jī)主要由噴砂室、控制面板、噴槍組件、工件夾具和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成。噴砂方式為自動(dòng)噴砂，噴砂距離為100 mm，噴砂角度為90°，工作壓力范圍為0.1～0.5 MPa。使用具有不規(guī)則棱角的500目白剛玉砂粒作為微噴砂磨料。

試驗(yàn)方法：采用單因素法進(jìn)行試驗(yàn)，選取噴砂壓強(qiáng)和噴砂時(shí)間兩種試驗(yàn)因素。噴砂壓強(qiáng)P=0.2、0.3、0.4 MPa；噴砂時(shí)間T=20、30、40 s。噴砂結(jié)束后，使用乙醇超聲波清洗，去除硬質(zhì)合金刀具表面殘余的砂粒，烘干后放入密封袋。

1.2 涂層制備

將微噴砂處理后的硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行涂層處理。涂層處理設(shè)備為AS600DMTXB型離子鍍膜機(jī)。先制備CrN過渡層以降低AlCrN涂層與基體的應(yīng)力差，制備基本參數(shù)：純Cr靶電流70 A，工作氣壓1.0 Pa，沉積時(shí)間20 min，涂層厚度控制在0.5～1 μm。之后制備AlCrN涂層，制備基本參數(shù)：使用 Al70Cr30靶，靶電流70 A，負(fù)偏壓-90 V，氮?dú)饬髁?00 sccm，真空度2.0 Pa，整體涂層厚度達(dá)到4 μm。

1.3 性能參數(shù)檢測(cè)

釆用Quanta250型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察刀具表面形貌，用其自帶的能量色譜儀(EDS)分析涂層成分；HVS-1000A型數(shù)顯自動(dòng)磚塔顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層顯微硬度；WYKO NT9300型光學(xué)輪廓儀測(cè)量表面粗糙度Ra；X-stress 3000型X射線應(yīng)力分析儀檢測(cè)涂層表面殘余應(yīng)力。其中X射線應(yīng)力分析儀測(cè)試殘余應(yīng)力時(shí)，管電壓及管電流分別為20 kV和2 mA，采用直徑2 mm的準(zhǔn)直管，靶材選用鈦靶，2θ衍射角為156°，曝光時(shí)間為15 s。AlCrN的楊氏模量為255 GPa，泊松比為0.215[9]。上述參數(shù)測(cè)量時(shí)每個(gè)樣品選取5個(gè)點(diǎn)位，測(cè)量后取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層的表面形貌與EDS分析

圖2所示為未前處理涂層刀具和前處理后涂層刀具的表面微觀形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)，未前處理AlCrN涂層刀具表面較為致密，涂層表面不平坦，分布有大量尺寸不均勻的液滴狀顆粒和圓形孔洞。顆粒、空洞等缺陷將成為裂紋擴(kuò)展源或腐蝕介質(zhì)進(jìn)入通道，降低涂層的使用壽命[10]。經(jīng)過微噴砂前處理的AlCrN涂層刀具表面顆粒、孔洞數(shù)量都明顯減少，涂層更加致密，表面更加平坦。這表明微噴砂前處理可以改善硬質(zhì)合金基體表面質(zhì)量，從而改善涂層沉積環(huán)境，使涂層沉積后表面缺陷減少。

圖3所示為未前處理涂層刀具和前處理后涂層刀具的涂層EDS分析。有研究[11-12]表明，當(dāng)AlCrN涂層中Al元素與Cr元素原子比接近70∶30時(shí)，涂層抗氧化性最佳。經(jīng)過微噴砂前處理后，刀具涂層N元素含量上升，原因可能是基體微噴砂導(dǎo)致活化成核點(diǎn)位的優(yōu)先氮化[7]；Cr元素含量下降，原因是涂層表面缺陷改善，主要成分為Cr元素的表面液滴狀顆粒減少[13]。涂層表面Al元素與Cr元素原子比為69∶31，涂層抗氧化性能高、沉積效果好。

2.2 涂層刀具表面粗糙度Ra

圖4所示為AlCrN涂層刀具表面粗糙度Ra與噴砂壓強(qiáng)的關(guān)系圖。可以看出，隨著噴砂壓強(qiáng)的增大，涂層刀具表面粗糙度Ra也增大。原因是Al2O3噴料具有尖銳的棱角，在較大的噴砂壓強(qiáng)下對(duì)硬質(zhì)合金基體表面有較強(qiáng)的沖擊作用，使基體表面產(chǎn)生更多凹坑，劣化涂層沉積環(huán)境，造成涂層表面粗糙度Ra的增加。隨著噴砂壓強(qiáng)的增大，噴料對(duì)基體的沖擊力度也增大，涂層表面粗糙度Ra也隨之增大。

圖5所示為AlCrN涂層刀具表面粗糙度Ra與噴砂時(shí)間的關(guān)系圖。可以看出，隨著噴砂時(shí)間的增加，涂層刀具表面粗糙度Ra呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，在T=30 s時(shí)，表面粗糙度Ra達(dá)到最小值0.426 μm，較未前處理刀具降低約25%。其原因是微噴砂前處理能夠去除硬質(zhì)合金基體表面的雜質(zhì)，使基體表面變得光潔平整，從而使沉積涂層后刀具的表面粗糙度Ra降低。當(dāng)噴砂時(shí)間超過30 s時(shí)，Al2O3噴料在去除硬質(zhì)合金基體表面雜質(zhì)后，繼續(xù)撞擊基體表面產(chǎn)生較大凹坑，使涂層沉積環(huán)境變差，導(dǎo)致涂層沉積后表面不平坦，涂層表面粗糙度Ra增大。

2.3 涂層刀具顯微硬度

圖6所示為涂層刀具顯微硬度隨噴砂時(shí)間、噴砂壓強(qiáng)變化的趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，增大噴砂時(shí)間，顯微硬度先增大，然后略微提升；增大噴砂壓強(qiáng)，硬度持續(xù)增大，當(dāng)噴砂壓強(qiáng)為0.4 MPa時(shí)硬度達(dá)到最大值2 081 HV，較未前處理刀具硬度提高約22%，這表明噴砂壓強(qiáng)對(duì)涂層刀具顯微硬度的影響更大。原因主要是微噴砂前處理使硬質(zhì)合金表面發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生大量孿晶和位錯(cuò)，使硬質(zhì)合金表面發(fā)生加工硬化，增大噴砂壓強(qiáng)使加工硬化程度提高，從而使硬質(zhì)合金表面硬度提升，進(jìn)而使涂層刀具整體顯微硬度提升。

2.4 涂層刀具表面殘余應(yīng)力

較高的表面殘余壓應(yīng)力能夠抑制刀具表面的微裂紋的產(chǎn)生，以減緩刀具在切削過程中涂層脫落的情況，從而提高刀具的切削性能，延長(zhǎng)刀具的使用壽命[14]。圖7所示為涂層刀具表面殘余應(yīng)力與噴砂時(shí)間、噴砂壓強(qiáng)的關(guān)系圖，負(fù)號(hào)表示殘余壓應(yīng)力。從圖中可以看出，增大噴砂時(shí)間與噴砂壓強(qiáng)，涂層刀具表面殘余應(yīng)力均增大，其中增大噴砂壓強(qiáng)對(duì)殘余應(yīng)力影響更顯著。這是因?yàn)橛操|(zhì)合金表面存在燒結(jié)冷卻過程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，而微噴砂前處理使硬質(zhì)合金表面發(fā)生加工硬化，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力可以部分抵消存在的殘余拉應(yīng)力，提高硬質(zhì)合金表面機(jī)械性能，改善涂層與基體的結(jié)合質(zhì)量。噴砂壓強(qiáng)越大，改善效果越明顯，涂層刀具表面殘余應(yīng)力越大。

3 結(jié)語

(1)硬質(zhì)合金YG8基體經(jīng)微噴砂處理后沉積AlCrN涂層，涂層表面液滴狀顆粒和凹坑等缺陷與未前處理涂層刀具相比都顯著減少，表面更加致密平坦，涂層質(zhì)量得到改善。涂層中Al元素與Cr元素原子比接近標(biāo)準(zhǔn)要求，涂層抗氧化性好。

(2)微噴砂前處理可以提高涂層硬度。噴砂時(shí)間與噴砂壓強(qiáng)都對(duì)涂層硬度有影響，其中噴砂壓強(qiáng)對(duì)涂層硬度的影響更明顯。

(3)微噴砂前處理可以有效降低涂層刀具表面粗糙度Ra，但過大的噴砂時(shí)間和噴砂壓強(qiáng)都會(huì)增大表面粗糙度Ra。當(dāng)P=0.3 MPa,T=30 s時(shí)，涂層刀具表面粗糙度Ra最小。

(4)增大噴砂時(shí)間和噴砂壓強(qiáng)都能使涂層表面殘余壓應(yīng)力提高，其中增大壓強(qiáng)效果更明顯。

(5)當(dāng)P=0.3 MPa，T=30 s時(shí)，AlCrN涂層刀具能獲得綜合水平較高的表面完整性。