（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 上海物理氣相沉積（PVD）超硬涂層及裝備工程技術(shù)研究中心，上海 201418）

為響應(yīng)國家環(huán)保、節(jié)能、高效的號(hào)召，干式切削逐步取代了濕式切削，適當(dāng)?shù)販p少了生產(chǎn)成本、環(huán)境污染以及廢液處理費(fèi)用[1]。ZL108鋁合金（牌號(hào)為ZALSi12Cu2Mg1）是一種共晶鋁硅合金（又是鑄造鋁合金），抗拉強(qiáng)度σb為195 MPa。由于ZL108鋁合金在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等汽車加工行業(yè)有著廣泛應(yīng)用（如汽車火花塞材料）[2]，因此國內(nèi)外對(duì)ZL108鋁合金進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)ZL108鋁合金對(duì)刀具的磨損較為嚴(yán)重，同時(shí)在干切削的過程中極易出現(xiàn)刀具粘屑現(xiàn)象，進(jìn)而形成積屑瘤，影響工件的表面質(zhì)量以及加工精度。積屑瘤會(huì)隨著堆積的增加而剝落，導(dǎo)致刀具受力不均，從而加劇刀具的磨損，因此ZL108鋁合金屬于加工性能較差的材料[3-4]。為了克服在加工ZL108鋁合金時(shí)所遇到的刀具磨損以及粘屑問題，專家學(xué)者進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)刀具材料、進(jìn)給速度、刀具前角和潤滑等諸多因素都會(huì)影響刀具磨損和粘屑情況[5]。

改變刀具的幾何形狀或在刀具表面進(jìn)行涂層沉積，均能有效地抑制切屑對(duì)刀具的粘附。改變刀具的幾何形狀即在刀具表面設(shè)計(jì)合理的微條紋紋理[6]，此法雖然能夠有效地抑制切屑的粘附，但是加大了生產(chǎn)成本，限制了刀具的循環(huán)適用性。在刀具表面進(jìn)行涂層沉積，既降低了生產(chǎn)成本，又保證了刀具的循環(huán)利用，是一種價(jià)格低廉、有效的解決粘屑問題的方法。碳基涂層和氮基涂層是兩種常用的刀具表面涂層。在Suresh Kannan[7]等人的研究中發(fā)現(xiàn)，碳基涂層刀具干切削BSL168鋁合金時(shí)，有效地減少了刀具表面的切屑粘附，而其他的氮化物、碳化物基過渡金屬以及MoS2涂層在干切削的環(huán)境下容易在刀具表面產(chǎn)生積屑瘤，影響加工精度。碳基涂層較其他類別的涂層更適用于刀具涂層，根據(jù)制備方法和種類的不同，可以進(jìn)一步地分為金剛石涂層和類金剛石涂層。由于金剛石涂層的制備工藝比較復(fù)雜，成本昂貴，經(jīng)濟(jì)價(jià)廉的類金剛石涂層成為了首選[8]。

類金剛石涂層（DLC）是一類含有金剛石結(jié)構(gòu)和石墨結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)非晶態(tài)物質(zhì)，主要以sp3和sp2雜化鍵結(jié)合，它具有高硬度、高彈性模量、低摩擦因數(shù)、高耐磨性等一系列優(yōu)良的性能。根據(jù)制備過程中是否含氫分為四面體無氫非晶態(tài)碳膜和四面體含氫非晶態(tài)碳膜，由于兩者結(jié)構(gòu)中sp3雜化鍵含量和氫含量的不同，導(dǎo)致兩種涂層在摩擦學(xué)以及切削方面表現(xiàn)出了不同的性能[9-19]。在Sheng R等人[20]的研究中發(fā)現(xiàn)，含氫DLC涂層的石墨化分為兩個(gè)階段：一是結(jié)構(gòu)的變化，即由四面體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為層狀結(jié)構(gòu)；二是氫的析出，碳基體的重排和sp2在一個(gè)優(yōu)先方向的聚集，導(dǎo)致晶粒尺寸增大，納米硬度下降，最終導(dǎo)致涂層的承載能力和磨損率急劇下降。Erdemir A等人[21-25]研究發(fā)現(xiàn)，含氫DLC和無氫DLC涂層在不同氣體環(huán)境中具有不同的摩擦性能。在潮濕的環(huán)境中，無氫DLC涂層由于表面懸浮碳鍵被吸附的水分子鈍化，導(dǎo)致表面出現(xiàn)較低的摩擦系數(shù)；而含氫DLC涂層表面亦會(huì)吸附水分子，引起界面的偶極作用和毛細(xì)作用，最終導(dǎo)致表面摩擦系數(shù)增加。Zhang T F等人[26]研究發(fā)現(xiàn)，DLC涂層在加工鋁、鎂合金等有色金屬時(shí)表現(xiàn)出了良好的摩擦性能和抗粘性，但是由于加工環(huán)境的不同，導(dǎo)致兩種涂層刀具出現(xiàn)不同的磨損和切屑粘附情況。Bhowmick等人[27]發(fā)現(xiàn)，在319鋁合金的干鉆過程中，無氫DLC涂層的切削力和切屑粘附力均大于含氫的類金剛石涂層，在319鋁合金近干鉆的過程中也發(fā)現(xiàn)了同樣的趨勢(shì)。Maslov A R[28]在干燥的環(huán)境中銑削D16T鋁合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，含氫DLC涂層銑刀在銑削過程中表現(xiàn)出了較低的磨損率，而在潮濕的環(huán)境中則出現(xiàn)相反的結(jié)果。因此，氫元素存在與否和工作環(huán)境中RH的大小均會(huì)影響DLC涂層的摩擦學(xué)性能以及實(shí)際的切削加工性能。

本文采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）和磁控濺射物理氣相沉積（MS）技術(shù)制備了含氫和無氫DLC涂層，對(duì)兩類涂層試片進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，分析研究了兩種涂層的摩擦磨損性能。然后采用兩類涂層銑刀對(duì)鋁合金材料進(jìn)行銑削加工，分析兩類涂層銑刀的切削加工性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層制備

實(shí)驗(yàn)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（型號(hào)ICS-04 ARC PRO）和磁控濺射物理氣相沉積（設(shè)備型號(hào)PLASMAADS 400），基材為硬質(zhì)合金試樣及硬質(zhì)合金銑刀（硬質(zhì)合金牌號(hào)為YG10C，試片尺寸為16 mm×16 mm×3 mm，表面粗糙度Ra為0.6 μm，硬度為86HRA，銑刀尺寸為?10 mm×30 mm×75L，兩刃45°），在基材表面沉積含氫和無氫DLC涂層。對(duì)YG10C硬質(zhì)合金試片和銑刀涂覆之前，需對(duì)其進(jìn)行酒精清洗、蒸餾水清洗。最后在丙酮溶液中進(jìn)行40～50 min的超聲波清洗，清洗結(jié)束后，放入烘干室進(jìn)行烘干處理，確?；暮偷毒弑砻鏌o油漬、銹斑、水漬等影響涂層沉積的因素。烘干后，將其采用專用夾具裝夾送入真空爐腔內(nèi)，兩種涂層制備工藝和參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 兩種涂層制備工藝參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of preparation parameters of the two coatings

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，PECVD制備DLC涂層的過程是在C2H2環(huán)境下進(jìn)行的，C2H2在高溫下分解，獲得H元素和C元素，因此PECVD制備的DLC涂層是含氫的。MS制備的類金剛石涂層是在純氬氣的環(huán)境下進(jìn)行的，因此制備的是無氫DLC涂層。

1.2 性能表征及摩擦磨損測(cè)試

采用Taly surf CCI非接觸表面輪廓儀對(duì)兩種涂層的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試，為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選取了6組DLC涂層試片進(jìn)行測(cè)試（其中無氫DLC涂層試片的編號(hào)為1—3，含氫DLC涂層試片的編號(hào)為4—6）。采用干濕球濕度計(jì)對(duì)測(cè)試環(huán)境以及切削加工環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得相對(duì)濕度RH為40%。采用球-平面往復(fù)式HRS-2M型高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試兩種涂層在相同的摩擦速度以及相同的試驗(yàn)環(huán)境下（RH=40%）與GCr15鋼球（?6 mm，硬度為25.8 HRC）配副的摩擦性能。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，選用了6組DLC涂層試片（含氫和無氫DLC涂層試片各3組），對(duì)其進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，記錄每組試片不同測(cè)試時(shí)間（15、30、45、60、75 min）時(shí)的摩擦系數(shù)，測(cè)試參數(shù)見表2。為進(jìn)一步研究?jī)煞N涂層摩擦磨損情況，采用非接觸表面輪廓儀對(duì)試驗(yàn)后的兩種涂層試片進(jìn)行測(cè)試，通過式（1）計(jì)算兩種涂層的磨損率。

式中：ω為磨損率；ΔV為涂層磨損體積；s為對(duì)磨副滑動(dòng)距離；Fn為對(duì)磨副上的正壓力。

1.3 銑削實(shí)驗(yàn)

本次銑削試驗(yàn)采用的是立式機(jī)床（HARDINGE VMC-1000Ⅱ），具體的機(jī)床參數(shù)和切削技術(shù)參數(shù)見表3，ZL108鋁合金的化學(xué)成分見表4。采用手持式粗糙度儀（TR220）對(duì)被加工的鋁合金表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試參數(shù)見表5。

表2 摩擦磨損測(cè)試參數(shù)Tab.2 Friction and wear test parameters

表3 刀具參數(shù)及切削技術(shù)參數(shù)Tab.3 Tool parameters and cutting technical parameters

表4 ZL108鋁合金的化學(xué)成分Tab.4 Chemical composition of ZL108 aluminum alloy wt.%

表5 粗糙度測(cè)試參數(shù)Tab.5 Roughness test parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的物理性能

幾組涂層試片的表面粗糙度Ra（平均值）情況如圖1所示。顯然無氫DLC涂層試片的Ra更小。選取了2組表面形貌相差較大的涂層試片，其表面形貌如圖2所示。由于涂層過程中存在宏觀大顆粒，造成無氫DLC涂層表面存在微凸起，能有效地釋放涂層局部的應(yīng)力。除此之外，無氫DLC涂層表面無凹坑、針眼等缺陷。含氫DLC涂層試片表面有明顯的凹坑缺陷，不但會(huì)影響涂層的表面質(zhì)量，也會(huì)加劇涂層的磨損。由此得知，無氫DLC涂層的表面質(zhì)量更優(yōu)于含氫DLC涂層。

2.2 摩擦磨損性能

通過摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)得兩類DLC涂層試片的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。在15～45 min之間，由于對(duì)磨副和涂層表面的摩擦作用，使涂層表面微凸起被磨平，摩擦系數(shù)均有所下降。同時(shí)受工作環(huán)境的影響（RH=40%），吸附在DLC涂層表面的水分子，在摩擦力和熱的作用下分解出H+。這一方面鈍化了含有碳懸鍵的無氫DLC表面，進(jìn)一步降低了無氫DLC的摩擦系數(shù)；另一方面使含氫DLC涂層表面產(chǎn)生偶極作用和毛細(xì)作用[22]，因此無氫DLC的摩擦系數(shù)下降速率大于含氫DLC。當(dāng)t=45 min時(shí)，含氫DLC涂層在溫度和接觸應(yīng)力的共同作用下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐步由三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)（sp3→sp2），接觸表面潤滑性進(jìn)一步提高。雖然表面粘附的水分子會(huì)使表面產(chǎn)生一定的偶極作用[26]，但其作用遠(yuǎn)小于石墨化作用，含氫DLC涂層的摩擦系數(shù)達(dá)到最低。此時(shí)無氫DLC涂層摩擦系數(shù)繼續(xù)下降，但未達(dá)到最小值。隨著摩擦?xí)r間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，由于凹坑缺陷的進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)磨副將含氫DLC涂層磨穿。此時(shí)摩擦系數(shù)逐漸升高，而無氫DLC涂層隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)，表面石墨化程度加劇。當(dāng)t=60 min時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最低。當(dāng)t=75 min時(shí)，兩種涂層均被磨穿（如圖4所示），摩擦系數(shù)均升高。由圖3可以得出，在相對(duì)濕度RH=40%的工作環(huán)境中，無氫DLC涂層的摩擦系數(shù)小于含氫DLC涂層。

為了進(jìn)一步研究?jī)煞N涂層的耐磨性，選取了幾組摩擦磨損后的涂層試片，通過Taly surf CCI非接觸表面輪廓儀進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過計(jì)算，得出兩類涂層的平均磨損體積：含氫DLC涂層的磨損體積1=2.77×105μm3；無氫DLC涂層的磨損體積2=2.15×105μm3。由式（1）可以得到兩類DLC涂層的磨損率大?。汉瑲銬LC涂層ω1=4.62×10-6mm3/N，無氫DLC涂層ω2=3.58×10-6mm3/N。顯而易見，無氫DLC涂層的磨損率更低，耐磨性更好（與上述摩擦系數(shù)曲線結(jié)果吻合）。通過上述兩種涂層的摩擦性能表征以及磨損情況比較，得到無氫DLC涂層較含氫DLC涂層具有較好的微觀形貌、較低的摩擦系數(shù)以及更高的耐磨性。

2.3 刀具切削力

在銑削加工ZL108鋁合金過程中，采用三向壓電式動(dòng)態(tài)測(cè)力儀對(duì)切削力分量進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量。根據(jù)測(cè)力儀收集的切削力分量的大小，可以得到銑刀不同加工距離時(shí)對(duì)應(yīng)力（Fx、Fy、Fz）的峰值情況，如圖5所示。

從圖5中可以看出，含氫DLC涂層銑刀切削分力（Fx、Fy、Fz）每個(gè)階段的峰值均大于無氫DLC涂層銑刀。當(dāng)0＜S＜4 m時(shí)，F(xiàn)x、Fy、Fz的變化劇烈。這是由于銑刀在開始切削時(shí)，由于被加工材料和切削刀具的相對(duì)位置存在一定的誤差，切削刃與被加工材料表面未充分接觸，因此切削力比較小。隨著切削的進(jìn)行，切削刃與被加工材料表面充分接觸，因此切削力急速上升。當(dāng)4 m＜S＜12 m時(shí)，切削力變化速率明顯下降，此時(shí)銑刀表面的涂層起了一定的減摩和抗磨的作用。從圖5中可以看出，兩種涂層銑刀的切削力大小有明顯差異，其中RH的大小是一個(gè)不可忽略的因素。在整個(gè)切削過程，含氫DLC涂層銑刀的切削力均大于無氫DLC涂層銑刀。

2.4 刀具磨損及粘屑

將加工不同距離的兩刃涂層銑刀用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，如圖6、7所示。

當(dāng)加工距離S=4 m時(shí)，兩種涂層銑刀的切削刃保持良好，基本不存在粘屑情況。當(dāng)加工距離S=8m時(shí)，兩種涂層銑刀都出現(xiàn)了粘屑情況，而含氫DLC涂層銑刀切削刃表面的切屑粘附更多。當(dāng)加工距離S=12時(shí)，含氫DLC涂層銑刀出現(xiàn)了嚴(yán)重的粘屑現(xiàn)象，刀尖也有了一定程度的磨損，而無氫DLC涂層銑刀切削刃表面情況良好，只出現(xiàn)了輕微的磨損和粘屑現(xiàn)象，刀尖保持良好。結(jié)合圖5—7可以得出，隨著加工距離的不斷增大，切削力的各個(gè)分力隨之增大，刀具磨損和粘附情況加劇，工作環(huán)境RH的大小也是影響刀具磨損的一個(gè)因素。在切削過程中，空氣中的水分子分解出H+，一方面可以與無氫DLC表面碳懸鍵結(jié)合，鈍化涂層的表面，使其表現(xiàn)出更小的切削力、更好的耐磨性以及更小的粘屑量；另一方面可以與含氫DLC涂層表面發(fā)生反應(yīng)使表面產(chǎn)生偶極作用以及毛細(xì)作用[2223]，從而增大涂層刀具表面的摩擦系數(shù)，加劇刀具的磨損和粘屑。

從上述的切削結(jié)果可知，無氫DLC涂層銑刀較含氫DLC涂層銑刀有更好的耐磨性以及抗粘屑性能。

2.5 工件表面質(zhì)量和切屑性能

采用手持式粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)得工件表面粗糙度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖8所示?？梢钥闯?，隨著加工距離的增大，材料表面粗糙度逐漸上升。兩種涂層刀具完成加工時(shí)，ZL108鋁合金的表面情況如圖9所示。可以看出，無氫DLC涂層刀具加工的鋁合金表面更加光滑。結(jié)合圖8可知，無氫DLC涂層銑刀加工的工件表面粗糙度更小，表面更加光滑。

分別收集了兩種涂層銑刀加工時(shí)所產(chǎn)生的切屑，將兩種切屑在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，如圖10所示。從切屑的宏觀形貌可以看出，無氫DLC涂層銑刀切削產(chǎn)生的切屑，是工業(yè)生產(chǎn)中需要的理想切屑類型，其產(chǎn)生過程中不易到處飛濺，劃傷刀具和被加工材料表面；而含氫DLC涂層銑刀切削產(chǎn)生的切屑，是崩碎型切屑，在加工過程中易四處飛濺，在刀具及被加工表面產(chǎn)生劃痕，并且有一定的安全隱患。從兩種切屑微觀形貌可以看出，無氫DLC涂層銑刀切削產(chǎn)生的切屑的表面更加光滑，表面質(zhì)量更高，反觀氫化類金剛涂層加工的切屑，表面比較粗糙。由此可知，由無氫DLC涂層銑刀銑削加工的工件表面粗糙度更小，表面更加光滑，加工所產(chǎn)生的切屑類型更有利于切削加工，而且切屑表面更加光滑。

3 結(jié)論

1）在硬質(zhì)合金基體及兩刃銑刀表面制備的無氫DLC涂層比含氫DLC涂層更加致密，且無明顯缺陷。

2）摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)（RH=40%），無氫DLC涂層比含氫DLC涂層的摩擦系數(shù)更小。當(dāng)t=60 min時(shí)，無氫DLC涂層的摩擦系數(shù)達(dá)到最低，f=0.122。通過計(jì)算，無氫DLC涂層的磨損率明顯低于含氫DLC涂層，因此具有更高的耐磨性。

3）在銑削加工ZL108鋁合金時(shí)（RH=40%）發(fā)現(xiàn)，無氫DLC涂層銑刀表現(xiàn)出了更小的切削力、更低的刀刃磨損量以及切屑粘附量，無氫DLC涂層銑刀具有更好的減摩、耐磨以及抗粘附性能，所加工的鋁合金表面更加光滑、粗糙度更低，而且切削加工過程產(chǎn)生的切屑屬于工業(yè)生產(chǎn)理想類型，微觀表面更加光滑。