采用不同涂層工藝的CVD刀具切削高硅鋁合金，觀察比較刀具的磨損過程、磨損與破損形貌及工件加工表面粗糙度，分析CVD金剛石刀具切削高硅鋁合金的磨損機(jī)理和失效原因。其研究結(jié)果可為涂層工藝的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1、CVD金剛石涂層刀具切削性能的研究

(1)基體表面脫鈷處理時(shí)間對(duì)刀具磨損性能的影響

硬質(zhì)合金基體中含有粘結(jié)相鈷。在CVD金剛石涂層工藝條件下，鈷會(huì)向基體表面擴(kuò)散，鈷在基體表面的存在，對(duì)金剛石成核和生長(zhǎng)過程中起到抑制作用。而且碳在鈷中有較大的固溶度和擴(kuò)散系數(shù)，在金剛石沉積的長(zhǎng)時(shí)間熱處理過程中，鈷粘結(jié)相熔解金剛石涂層。因此采用化學(xué)溶液對(duì)硬質(zhì)合金基體表面進(jìn)行脫鈷處理，以消除粘結(jié)相鈷的不利影響，提高金剛石涂層基體的結(jié)合強(qiáng)度。但脫鈷時(shí)間對(duì)金剛石成核和生長(zhǎng)過程有影響，從而對(duì)金剛石膜厚、晶粒度等有著顯著影響。脫鈷時(shí)間過長(zhǎng)，金剛石涂層厚度明顯增加，粘附強(qiáng)度變差，且因脫鈷深度過大，脫鈷層組織疏松導(dǎo)致基體強(qiáng)度和韌性顯著降低。此外，金剛石晶粒粗大，涂層表面粗糙。因此，脫鈷時(shí)間存在一最佳值。通過對(duì)CVD45、CVD48、CVD47刀具測(cè)試比較(脫鈷時(shí)間分別為15min、10min、5min，其它條件相同)表明，對(duì)于硬質(zhì)合金基體的金剛石涂層刀具，脫鈷時(shí)間為5min時(shí)，對(duì)應(yīng)的金剛石涂層粘附強(qiáng)度最強(qiáng)，其切削性能最佳。

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(2)基體材料對(duì)刀具磨損的影響

相同涂層工藝條件下，基體為YG3硬質(zhì)合金的CVD-63金剛石涂層刀具切削性能較基體為YG6硬質(zhì)合金的CVD-47金剛石涂層刀具更佳。表現(xiàn)為：切削過程平穩(wěn)，切削溫度低，工件表面粗糙度小，刀具使用壽命長(zhǎng)。

硬質(zhì)合金基體表面進(jìn)行脫鈷處理后，有利于金剛石的成核，但同時(shí)基體強(qiáng)度明顯降低，且表層與基體深層的鈷濃度差，會(huì)使深層鈷在金剛石涂層加熱過程和切削熱的作用下向表層擴(kuò)散，與金剛石碳元素反應(yīng)及促使金剛石向石墨轉(zhuǎn)變，削弱刀刃強(qiáng)度，加速刀具磨損。

CVD-63因脫鈷后表面與基體深層的濃度差小，金剛石涂層的質(zhì)量較好。金剛石涂層均勻，金剛石顆粒晶形完整細(xì)小，金剛石膜在基體表面有釘扎結(jié)合。因此，金剛石涂層基體結(jié)合牢固。

(3) CVD金剛石涂層刀具的磨損失效機(jī)理分析

金剛石涂層厚度對(duì)膜基體的結(jié)合強(qiáng)度有著決定性的影響，隨著金剛石膜的增厚，由于膜的內(nèi)部應(yīng)力增大，結(jié)合強(qiáng)度會(huì)下降。

金剛石膜表面粗糙度也是導(dǎo)致金剛石膜早期剝落，開裂的主要原因之一。金剛石涂層表面越粗糙，刀具工件接觸區(qū)域摩擦阻力越大，切削溫度越高，甚至產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，金剛石膜及膜基體間強(qiáng)度降低，而導(dǎo)致金剛石膜越早剝落。因此，控制金剛石顆粒尺寸及對(duì)金剛石膜進(jìn)行拋光，以降低表面粗糙度，將有效改善刀具-工件間的摩擦狀況，延長(zhǎng)刀具壽命。

通過上述研究可得出如下結(jié)論：

(1)CVD金剛石刀具因涂層工藝條件不同，存在著金剛石粒度、膜厚度、膜純度等的不同，磨損性能差異顯著。

(2)對(duì)YG6、YG3硬質(zhì)合金基體進(jìn)行5min脫鈷處理，膜厚為7—10μm的CVD47和CVD-63金剛石膜刀具具有良好的切削性能。

(3)CVD金剛石膜刀具切削高硅鋁合金的主要磨損、破損失效形式有磨粒磨損，金剛石膜開裂、剝落，磨粒磨損主要是工件材料中硬質(zhì)點(diǎn)硅顆粒的“微切削”作用所致。早期金剛石膜剝落主要是金剛石膜/基體間結(jié)合強(qiáng)度不足，脫鈷層深度過大基體強(qiáng)度低所致;切削機(jī)力、切削熱沖擊作用是引起中、后期金剛石膜剝落主要原因。

2、金剛石涂層刀具切削SiC/Al的適應(yīng)性及失效機(jī)理

CVD金剛石涂層一般厚度為10--25μm,其中不含任何金屬或非金屬添加劑，其多晶結(jié)構(gòu)使其在各方面都具有幾乎相同的極高硬度，并且沒有解理面，因其物理機(jī)械綜合性能兼具單晶金剛石和聚晶金剛石所擁有的優(yōu)點(diǎn)，因而成為非金屬硬脆材料、高耐磨材料、復(fù)合材料、高硅鋁合金及其它韌性有色金屬材料的精密加工、數(shù)控加工等首選材料之一，在汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。

切削加工實(shí)驗(yàn)研究是刀具研制及應(yīng)用中重要的一環(huán)，不僅可以直接評(píng)價(jià)出刀具的切削性能，客觀評(píng)價(jià)金剛石涂層與刀具基體附著力的大小，給涂層工藝改進(jìn)提供必要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，而且有利于金剛石涂層刀具在生產(chǎn)實(shí)際中的推廣應(yīng)用。出于此目的全燕鳴等人，對(duì)金剛石涂層可轉(zhuǎn)位刀片SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行了切削加工實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果揭示了金剛石涂層刀具的磨損破損機(jī)理和切削復(fù)合材料適應(yīng)性，同時(shí)還表明涂層工藝對(duì)磨損涂層質(zhì)量有重要影響。其結(jié)論如下：

(1)金剛石涂層刀具切削加工諸如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料一類耐磨材料時(shí)，金剛石涂層過早剝落是刀具磨損失效的主要原因。

(2)金剛石涂層刀具在切削加工中的切削力變化，刀具磨損量和涂層形貌情況等可作為反映刀具涂層質(zhì)量的依據(jù)。

(3)合理的涂層工藝參數(shù)是保證金剛石涂層質(zhì)量的關(guān)鍵，適當(dāng)參數(shù)下沉積金剛石涂層刀具對(duì)精加工類似顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的難加工材料有較好的適應(yīng)性。

3、涂層工藝對(duì)硬質(zhì)合金銑刀銑削CFRP性能的影響

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、抗疲勞、耐腐蝕和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車、能源等領(lǐng)域。它是典型的難加工材料。傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金銑刀已不能滿足其加工要求，需增加耐磨涂層。

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金剛石薄膜因硬度高、導(dǎo)熱率高及摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，成為制作CFR刀具耐磨涂層的理想材料。于是，楊小潘等人在國(guó)內(nèi)外專家研究CFRP的切削加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性開展了3種硬質(zhì)合金基體相同、涂層工藝和薄膜結(jié)構(gòu)不同的金剛石涂層誠(chéng)銑刀研究，刀具涂層工藝參數(shù)如表所列。

表1 刀具涂層工藝參數(shù)

在相同的硬質(zhì)合金立銑刀基體上，分別制備了粗晶、細(xì)晶、復(fù)合晶3種不同涂層工藝的CVD金剛石薄膜。

(1)通過掃描電觀察，粗晶金剛石涂層表面晶粒呈塊狀結(jié)構(gòu);細(xì)晶粒金剛石涂層表面晶粒結(jié)構(gòu)呈球形結(jié)構(gòu);復(fù)合晶金剛石涂層表面晶粒呈錐體結(jié)構(gòu)。

(2)粗晶金剛石涂層硬度高，耐沖擊，但晶界明顯,易產(chǎn)生涂層微崩;細(xì)晶金剛石涂層結(jié)構(gòu)致密，但硬度較低;質(zhì)復(fù)合晶金剛石涂層結(jié)合了粗晶和細(xì)晶工藝的優(yōu)點(diǎn)，耐磨性最佳。

(3)在相同的切削條件下對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)，復(fù)合晶工藝的金剛石涂層銑刀使用壽命最長(zhǎng)，約為粗晶金剛石涂層銑刀的1.35倍、細(xì)晶金剛石涂層銑刀的1.59倍，更適合于碳纖維復(fù)合材料的銑削加工。

4、微/納米復(fù)合金剛石涂層的切削性能

超硬刀具最重要的就是其切削性能，不僅要有高的耐磨性，同時(shí)還有高的加工精度。鄧福銘等通過熱絲CVD法在硬質(zhì)合金YG6基體上沉積納米、微米、微/納米復(fù)合金剛石涂層，并進(jìn)行了切削對(duì)比試驗(yàn)，研究CVD金剛石涂層刀具的切削性能、失效形式及磨損機(jī)理。

表2 不同晶粒金剛石涂層的制備工藝參數(shù)

鄧福銘等通過制備微米、納米、微納米金剛石復(fù)合涂層刀具，對(duì)其進(jìn)行了切削對(duì)比試驗(yàn)，可得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)鋁合金材料進(jìn)行切削加工得出，納米涂層金剛石刀具切削加工后的表面粗糙度值最小，Ra為0.942m，微米金剛石涂層刀具切削加工后表面粗糙度最大，Ra為1.631m。

(2)金剛石涂層刀具后刀面磨損量進(jìn)行對(duì)比分析顯示，納米涂層金剛石刀具的后刀面磨損最大，約為微米涂層的2倍，復(fù)合涂層的5倍。從磨損形貌來(lái)看，單層微米金剛石刀具和納米涂層金剛石刀具的后刀面金剛石涂層結(jié)合力較弱，在切削過程中容易發(fā)生脫落。而微/納米復(fù)合金剛石涂層刀具膜/基結(jié)合力高，后刀面的金剛石涂層沒有出現(xiàn)脫落，且刀具的磨損較少。

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(3)金剛石涂層刀具前刀面磨損對(duì)比分析中，微米金剛石涂層刀具前刀面的磨損要比微/納米金剛石復(fù)合涂層刀具的磨損嚴(yán)重，且微米金剛石涂層刀具表面存在很多積屑瘤。

(4)金剛石涂層刀具的主要失效形式是涂層的過早脫落造成刀具的失效，其刀具的失效機(jī)理，主要有金剛石涂層臉沉積過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、涂層化學(xué)純度低、內(nèi)部微裂紋多，切削時(shí)表面粗糙度值大和切削力大以及刀具積屑瘤等原因。