摘要：采用圓形電弧技術(shù)和線性離子源技術(shù)在高速鋼和硬質(zhì)合金刀具表面制備了類金剛石涂層，對涂層表面形貌和物相組成進(jìn)行了觀察，對比分析了膜層成分和耐磨性能。結(jié)果表明，在高速鋼和硬質(zhì)合金表面分別制備了0.84μm和1.23μm厚涂層；對磨過程中Al的粘附量由少至多為：N1涂層 

機械加工刀具按工件加工表面的形式可分為五類，加工各種外表面的刀具、孔加工刀具、螺紋加工刀具、齒輪加工刀具和切斷刀具，此外，還有組合刀具。按切削運動方式和相應(yīng)的刀刃形狀，刀具又可分為三類：通用刀具、成形刀具和展成刀具。刀具材料大致分如下幾類：高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金剛石。

本文以市場上用量較大的高速鋼和硬質(zhì)合金材料為基材，通過在兩種刀具基材表面進(jìn)行涂層制備的方法，研究了表面涂層的物相組成和結(jié)構(gòu)，并對比分析了基材和涂層的摩擦磨損性能，旨在通過在機械加工刀具表面制備表面涂層來進(jìn)一步提高刀具的使用壽命。

1、實驗材料與方法

選取市場上常用的高速鋼和硬質(zhì)合金刀具作為基材，分別采用圓形電弧技術(shù)和線性離子源技術(shù)在基材上制備金剛石涂層，以提高機械刀具的綜合性能。高速鋼基材為W8Mo5Cr3V1，硬質(zhì)合金基材為YG6，涂層制備過程中在基材上首先制備Cr層作為過渡層，整個涂層的結(jié)構(gòu)為：基材-Cr層-涂層，涂層成分為C。高速鋼表面涂層計為N-1，制備時的沉積溫度為180℃；硬質(zhì)合金刀具表層涂層計為N-2，沉積溫度為65℃。涂層的制備工藝流程為基材前處理、抽真空、爐內(nèi)刻蝕、Cr過渡層沉積、涂層沉積、隨爐冷卻和出爐等步驟。

采用JSM-2000型掃描電鏡對基材和涂層的形貌進(jìn)行觀察，并用附帶的能譜分析儀測定了微區(qū)成分：物相分析采用德國BUEKER型X射線衍射分析儀進(jìn)行觀察，掃描角度為20°~90°；涂層厚度采用BFKBALLCRATETDEVICE球磨儀測量；在F-1500型摩擦磨損試機上進(jìn)行磨損試驗，對磨材料為工業(yè)純Al，試驗條件為轉(zhuǎn)速500r/min，法向載荷為200N，周期為10min，試驗溫度為常溫。

2、實驗結(jié)果與分析

圖1為采用圓形電弧技術(shù)在高速鋼表面制備的涂層的截面形貌和能譜分析。從截面顯微組織中可見基材、Cr過渡層和表面涂層組織，采用球磨儀測得的表面涂層的厚度為0.84μm，中間Cr過渡層的厚度為0.52μm。從能譜線掃描分析結(jié)果可見，在整個基材-Cr過渡層-涂層截面的C元素和Cr元素分布，可見Cr元素的濃度梯度界面層，而表面涂層中Cr元素含量較低，C元素含量較高。圖2為采用線性離子源技術(shù)在硬質(zhì)合金表面制備的涂層的截面形貌和能譜分析。從截面顯微組織中可見基材、Cr過渡層和表面涂層組織，采用球磨儀測得的表面涂層的厚度為1.23μm，中間Cr過渡層的厚度為0.68μm。從能譜線掃描分析結(jié)果中也可以清楚看到基材-Cr過渡層-涂層截面。整個截面層中C元素和Cr元素的分布狀態(tài)與高速鋼截面類似，但是在硬質(zhì)合金涂層中C元素含量要高。

兩種截面中的Cr過渡層中都出現(xiàn)了明顯的Cr濃度梯度界面，這種界面的存在可以在一定程度上降低整個涂層的生長應(yīng)，從而可以改善涂層與基材的結(jié)合力。

對高速鋼刀具表面涂層和硬質(zhì)合金刀具涂層表面的金相組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3?？梢钥闯?，在高速鋼涂層表面出現(xiàn)了許多分布均勻的黑色顆粒，對這些尺寸較小的顆粒進(jìn)行平均尺寸統(tǒng)計結(jié)果表明，這些黑色顆粒的平均尺寸為1.13μm；對比分析硬質(zhì)合金刀具表面金相組織，表面組織中較為干凈，沒有明顯的黑色顆粒狀物質(zhì)出現(xiàn)，只是在局部區(qū)域出現(xiàn)了黑色顆粒狀物質(zhì)。

這可能與涂層的制備工藝有關(guān)，高速鋼表面涂層由于采用的是圓形電弧技術(shù)，涂層表面會出現(xiàn)較大的波谷，造成表面粗糙度增加，而采用線性離子源技術(shù)的硬質(zhì)合金表面涂層的波谷較為平緩，所以其粗糙度會低。對高速鋼刀具表面涂層和硬質(zhì)合金刀具涂層表面進(jìn)行X射線衍射圖譜分析，結(jié)果如圖4?？梢钥闯觯诟咚黉摫砻嫱繉雍陀操|(zhì)合金涂層中都出現(xiàn)了類金剛石物相和非晶態(tài)饅頭峰。但是兩種涂層表面的X射線衍射圖譜的衍射峰存在一定差異，具體表現(xiàn)為硬質(zhì)合金涂層表面峰較為毛糙，在60°~70°和80°~90°間的峰強度明顯小于高速鋼涂層表面峰值強度。兩種涂層表面的主要物相都為C，只是C的形態(tài)不同而已，高速鋼表面涂層的類金剛石膜層特征更加明顯。

圖5對比分析了高速鋼、硬質(zhì)合金基材、N1涂層和N2涂層在與工業(yè)純Al對磨后表面附著Al的情況對比分析，并用箭頭指出了鋁的存在，經(jīng)過對比分析可見，在經(jīng)過10min對磨試驗后，高速鋼基材表面質(zhì)量增加了0.394g，硬質(zhì)合金基材表面質(zhì)量增加了0.124g，而N1涂層和N2涂層表面質(zhì)量分別增加了0.009g和0.023g。結(jié)合質(zhì)量情況可見，對磨過程中Al的粘附量由少至多為：N1涂層

對于高速鋼涂層，在背散射掃描電鏡下，衍射較亮的部位為高速鋼基體，灰色部分為Al合金，黑色部分則為涂層，對比3min和7min摩擦后的形貌，3min對磨試樣后涂層中沒有出現(xiàn)明顯的Al殘留痕跡，涂層有一定程度的減薄，而7min對磨試驗后涂層中出現(xiàn)了局部破裂，局部還可以發(fā)現(xiàn)高速鋼基體材料，Al的殘留也開始出現(xiàn)。對于硬質(zhì)合金涂層，對比3min和7min摩擦后的形貌，在磨損進(jìn)行到3min時，涂層中就已經(jīng)出現(xiàn)了破裂，同時在涂層中可以發(fā)現(xiàn)明顯的Al殘留痕跡，硬質(zhì)合金基體局部暴露；對比7min摩擦后的形貌，局部破裂行為進(jìn)一步加劇，同時在涂層表面出現(xiàn)了大面積的Al粘附聚集現(xiàn)象，這一點與對磨后質(zhì)量的變化結(jié)果保持一致。

3、結(jié)論

（1）高速鋼表面涂層的厚度為0.84μm，中間cr過渡層的厚度為0.52μm；硬質(zhì)合金涂層的厚度為1.23μm，中間Cr過渡層的厚度為0.68μm。

（2）在經(jīng)過10min對磨試驗后，高速鋼基材表面質(zhì)量增加了0.394g，硬質(zhì)合金基材表面質(zhì)量增加了0.124g，而N1涂層和N2涂層表面質(zhì)量分別增加了0.009g和0.023g；對磨過程中Al的粘附量由少至多為：N1涂層