房磊琦，張家敏，蔡飛，李明喜，吳麗君，鄭軍，湯昌仁，朱瑞源

不同基體前處理對AlCrN涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響

房磊琦1a,1b，張家敏1a,1b，蔡飛1a，李明喜1a,1b，吳麗君2，鄭軍1a,1b，湯昌仁3，朱瑞源3

（1.安徽工業(yè)大學(xué) a.先進(jìn)金屬材料綠色制備與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000；2.漳州市合琦靶材科技有限公司，福建 漳州 363801；3.江西江鎢硬質(zhì)合金有限公司，江西 宜春 330600）

通過對基體進(jìn)行前處理，提高AlCrN涂層的摩擦磨損性能和切削性能。采用不同前處理方法（濕噴砂、干噴砂和微粒子噴丸）對高速鋼基體表面進(jìn)行處理，隨后沉積AlCrN涂層，利用X射線衍射以、掃描電子顯微鏡等儀器，以及切削試驗(yàn)，分析不同前處理方式對涂層組織結(jié)構(gòu)、膜基結(jié)合力、表面形貌、表面粗糙度、摩擦磨損性能以及切削性能的影響。相比于未經(jīng)前處理的涂層，經(jīng)濕噴砂及干噴砂前處理的涂層的膜基結(jié)合力均有所提高，達(dá)到了40.10 N和35.47 N。對基體進(jìn)行不同前處理后，對涂層物相沒有影響，但經(jīng)過干噴砂和微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層，其優(yōu)先生長的方向由(111)晶面變?yōu)?200)晶面。摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果顯示，濕噴砂和微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層的磨損方式為磨粒磨損和氧化磨損，干噴砂前處理的AlCrN涂層的磨損方式為氧化磨損。切削試驗(yàn)結(jié)果顯示，干噴砂前處理的AlCrN刀具涂層具有最好的切削性能。前處理可以提高AlCrN涂層的性能，其中干噴砂前處理可以提高AlCrN涂層刀具的切削性能。

AlCrN涂層；膜基結(jié)合力；前處理；切削性能

涂層膜基結(jié)合強(qiáng)度的增加可以有效提高涂層刀具的使用壽命。文獻(xiàn)[1]表明，對涂層真空室進(jìn)行清理，提高其真空度，能夠改善涂層的質(zhì)量和膜基結(jié)合強(qiáng)度。高能量等離子體（如Ar+）刻蝕是涂層刀具前處理和后處理的主要方法之一[2]。等離子體刻蝕是通過高能量的Ar+轟擊基體去除其表面污染附著物和激活表面層，可以在一定程度上提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。蔡等人[3]利用圓柱形Ti靶的電弧放電效應(yīng)激發(fā)高密度的Ar+來蝕刻基底，隨后沉積的涂層具有出色的附著強(qiáng)度。但是高能量的金屬離子長時間轟擊基體表面，可能會造成基體（特別是鋼基體）局部過熱或軟化[4]。

噴砂處理不僅可以起到表面清潔和刃口細(xì)化的作用，還可以提高涂層與基體的結(jié)合力，目前已被應(yīng)用于涂層刀具的前處理[5]。張等人[6]發(fā)現(xiàn)對基體進(jìn)行噴砂前處理可增加基體的表面粗糙度，增強(qiáng)涂層與基體界面處的機(jī)械耦合效應(yīng)，能夠有效提高PVD涂層的結(jié)合力。Bouzakis等人[7]發(fā)現(xiàn)合理的噴砂工藝可以改善硬質(zhì)合金表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)，提高表面粗糙度。Buchwalder等人[8]指出，膜基結(jié)合強(qiáng)度受到涂層-基體界面的化學(xué)結(jié)合性能、比表面積和基體表面能的影響。同時，Tillmann等人[9]發(fā)現(xiàn)，對基體表面制備的微/納米結(jié)構(gòu)圖案的形貌和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可獲得高比表面積和表面自由能，進(jìn)而有利于涂層的沉積。相應(yīng)地，對刀具基體進(jìn)行噴砂前處理后，表面會產(chǎn)生微織構(gòu)形貌，進(jìn)而可提高涂層性能。噴丸工藝技術(shù)主要用于改善金屬材料/零件由表面起裂導(dǎo)致發(fā)生宏觀脆性斷裂的斷裂抗力（如疲勞、應(yīng)力腐蝕、氫致斷裂等）。有研究表明[10]，高速鋼的耐磨損性能、抗高溫氧化性能和抗熱疲勞性能，在經(jīng)過微粒子噴丸處理后，得到了明顯改善。Abusuilil[11]發(fā)現(xiàn)制備涂層之前對基體進(jìn)行噴丸和等離子滲氮處理，可以提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和磨損性能。而對AlTiN涂層進(jìn)行微粒子噴丸處理后，涂層晶粒得到了細(xì)化，在較低的切削速度（120 m/min）下，其切削性能得到提升[12]。雖然已有不少工作就不同前處理對涂層性能的影響進(jìn)行了探討，但是不同前處理工藝對AlCrN涂層膜基結(jié)合強(qiáng)度、摩擦磨損性能和切削性能的影響仍需進(jìn)一步研究。

因此，本文對M42高速鋼基體和刀具表面進(jìn)行不同前處理（濕噴砂、干噴砂以及微粒子噴丸），然后利用離子鍍技術(shù)制備AlCrN涂層，討論不同前處理方式對AlCrN涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 前處理和涂層制備

選用尺寸為18 mm×18 mm×5 mm的M42高速鋼試樣片作為基體。所有試樣均先用砂紙進(jìn)行研磨，從200目研磨至1500目，再使用金剛石研磨膏拋光，隨后放入丙酮和酒精溶液中分別進(jìn)行超聲清洗15 min，烘干待用。然后對試樣進(jìn)行不同前處理，具體參數(shù)如表1所示。所有前處理方式中，噴嘴距試樣的距離均為15 cm，噴嘴與試樣表面呈90°。

將經(jīng)過前處理的高速鋼試樣塊和高速鋼直柄立銑刀，再次清洗之后放置于鍍膜設(shè)備轉(zhuǎn)架上。試驗(yàn)所采用鍍膜設(shè)備為自主研發(fā)的離子源-平面弧-柱弧復(fù)合PVD鍍膜裝置[13]，采用兩個對稱分布的AlCr（原子比Al∶Cr=70∶30，純度99.5%）合金靶材。鍍膜時，溫度為450 ℃，N2壓強(qiáng)為4.0 Pa，AlCr合金靶材電流為130 A，沉積時間為2 h。制備完成的AlCrN涂層厚度約為3.8 μm，如圖1所示。

表1 不同前處理方法的具體參數(shù)

Tab.1 Parameters of different pretreatment methods

圖1 AlCrN涂層的橫截面形貌

1.2 涂層表征

使用掃描電子顯微鏡（scanning electron micro-scope，sem）觀察AlCrN涂層和刀具的表面形貌，并利用能譜儀分析涂層微區(qū)元素成分及含量。使用臺階儀（P-7型）檢測經(jīng)不同前處理基體和AlCrN涂層表面的三維形貌和粗糙度。使用X射線衍射儀（型號為Rigaku Ultima IV）檢測不同前處理基體和AlCrN涂層的物相。采用顯微硬度計(jì)測試AlCrN涂層的努氏硬度。使用球盤式摩擦磨損機(jī)（THT）測試涂層的耐磨性能，對磨副為直徑4 mm的氧化鋁球，載荷為5 N，磨痕直徑為4 mm，轉(zhuǎn)速為600 r/min，時間為40 min，溫度為24 ℃，相對濕度為45%～55%，并結(jié)合SEM對磨痕形貌進(jìn)行分析。采用洛氏硬度計(jì)對涂層的結(jié)合力進(jìn)行定性分析。使用HT-3001型自動劃痕儀對涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行定量分析，載荷為0～80 N。切削試驗(yàn)在MCV850立式銑床上進(jìn)行，采用直徑為10 mm的M42高速鋼直柄立銑刀，被加工材料為20CrMo（布氏硬度為190HB），切削參數(shù)如表2所示，并使用體式顯微鏡（ISM型）測量后刀面切深二分之一處的磨損寬度。當(dāng)后刀面磨損寬度達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)0.2 mm時，認(rèn)為刀具失效，停止切削，并使用SEM對涂層刀具后刀面進(jìn)行磨損分析。

表2 切削參數(shù)

Tab.2 Cutting parameters

2 結(jié)果與分析

2.1 不同前處理方法對高速鋼基體組織和形貌的影響

圖2為不同前處理后高速鋼基體的表面形貌。圖3為臺階儀測得的三維形貌。圖2a和圖3b為經(jīng)濕噴砂前處理后高速鋼基體的表面形貌。濕噴砂在工作過程中，砂粒對基體的“微切削”清除作用較小，因此基體表面保持平整，只出現(xiàn)少許的孔洞。圖2b和圖3c為經(jīng)干噴砂前處理后基體的表面形貌，可以看出，在砂料的切削作用下，干噴砂對基體的“切削”作用更強(qiáng)，基體表面在砂料的反復(fù)沖擊下，產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)了“褶皺”，表面粗糙度增加。圖2c和圖3d為經(jīng)微粒子噴丸前處理后基體的表面形貌，由于彈丸的擠壓作用，“褶皺”變大，致使基體表面平整性下降，粗糙度顯著增加。結(jié)合表3中高速鋼基體粗糙度結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過干噴砂以及微粒子噴丸前處理后，基體的粗糙度均有不同程度的提高，其中經(jīng)微粒子噴丸前處理的高速鋼基體的粗糙度最大，a和q分別達(dá)到了0.831 μm和1.010 μm。Bouzakis等[7]研究表明，當(dāng)噴砂壓力為0.1～0.6 MPa時，基體的表面粗糙度隨著噴砂壓力的增大而增大，因此壓力最大的微粒子噴丸前處理具有最大的表面粗糙度。

圖2 不同方法前處理后高速鋼基體表面的SEM形貌

圖3 不同方法前處理后高速鋼基體表面的三維形貌

表3 不同方法前處理后基體和涂層的表面粗糙度

Tab.3 Substrate and coating surface roughness after different pre-treatments　μm

圖4為不同方法前處理后高速鋼基體的X射線衍射圖。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，高速鋼基體的主要物相為α馬氏體和殘余奧氏體γ′。而經(jīng)不同方法前處理后的高速鋼表面殘余奧氏體衍射峰幾乎消失，說明殘余奧氏體在不同方法前處理過程中轉(zhuǎn)變成馬氏體。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)與前處理過程中產(chǎn)生的形變量和形變率有關(guān)[14-17]，其轉(zhuǎn)變驅(qū)動力是γ′相中位錯引起的彈性應(yīng)變能[18-19]。而表面馬氏體含量的增加會提高基體表面硬度。

圖4 不同方法前處理后高速鋼基體的XRD衍射圖譜

2.2 不同前處理方法對涂層的影響

圖5為不同方法前處理后AlCrN涂層的X射線衍射圖譜。可以發(fā)現(xiàn)，AlCrN涂層的主要相結(jié)構(gòu)為固溶的fcc-(Cr,Al)N相[20]，不同前處理方式對AlCrN涂層的物相并沒有影響。但是不同方法前處理后，AlCrN涂層的衍射峰均向低角度略微偏移，且經(jīng)干噴砂和微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層的晶面優(yōu)先生長方向由(111)晶面轉(zhuǎn)變?yōu)?200)晶面。

圖6為掃描電子顯微鏡拍攝的經(jīng)過不同方法前處理后AlCrN涂層的表面形貌。從圖6a、b可以看出，經(jīng)濕噴砂前處理與未前處理的AlCrN涂層表面形貌類似，涂層表面存在較多尺寸不一的“顆?！焙汀鞍伎印?，此為多弧離子鍍技術(shù)制備的涂層表面形貌的典型特征。濕噴砂前處理對基體的沖擊作用較小，相當(dāng)于對基體進(jìn)行再拋光處理，因此其表面形貌和未經(jīng)前處理的AlCrN涂層類似。圖6c、d分別為經(jīng)過干噴砂以及微粒子噴丸基體前處理后的AlCrN涂層表面形貌，可以看出涂層表面光潔度降低。基體經(jīng)干噴砂前處理的涂層表面產(chǎn)生細(xì)小的紋狀結(jié)構(gòu)，而經(jīng)微粒子噴丸前處理的涂層表面則存在較大區(qū)域的“突起”和“凹坑”。圖7為不同方法前處理后AlCrN涂層表面三維形貌，表3列出了相應(yīng)的表面粗糙度結(jié)果。由表3可以看出，經(jīng)濕噴砂前處理的涂層表面粗糙度小于未處理的涂層表面粗糙度，而經(jīng)干噴砂和微粒子噴丸前處理的涂層表面粗糙度增加。涂層的粗糙度與其沉積的基體的粗糙度密切相關(guān)。由表3基體粗糙度結(jié)果可知，經(jīng)噴丸前處理的基體粗糙度最大，導(dǎo)致沉積到其表面的AlCrN涂層粗糙度最大。

圖5 不同方法前處理后AlCrN涂層的XRD衍射圖譜

圖8為經(jīng)過不同方法前處理后AlCrN涂層的顯微硬度?？梢钥闯觯?.5 N的載荷下，未處理的AlCrN涂層硬度為3372HK，而經(jīng)過前處理的涂層硬度均有所上升，其中干噴砂的硬度最高，為3641HK。硬度提高的原因在于：（1）AlCrN涂層從(111)晶面向(200)晶面轉(zhuǎn)變；（2）殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，基體硬度增加，進(jìn)而提高了涂層的綜合硬度。

圖6 不同方法前處理后AlCrN涂層的表面形貌

圖7 不同方法前處理后AlCrN涂層的表面三維形貌

圖8 不同方法前處理后AlCrN涂層的顯微硬度

2.3 涂層結(jié)合強(qiáng)度分析

圖9是不同方法前處理后AlCrN涂層的洛氏壓痕形貌?？梢钥闯?，AlCrN涂層的壓痕邊緣均出現(xiàn)徑向裂紋。其中，經(jīng)濕噴砂前處理的AlCrN涂層壓痕邊緣徑向裂紋較少且裂紋處沒有出現(xiàn)剝落，結(jié)合力等級達(dá)到了HF-1級；未處理和經(jīng)干噴砂前處理的AlCrN涂層結(jié)合力等級為HF-2級；經(jīng)微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層的結(jié)合力較差，其結(jié)合力等級為HF-3級。

圖10為經(jīng)過不同方法前處理后AlCrN涂層的劃痕結(jié)果。相比于未前處理的AlCrN涂層，經(jīng)濕噴砂以及干噴砂前處理的涂層的膜基結(jié)合力均有不同程度的提高，而經(jīng)微粒子噴丸前處理的涂層結(jié)合力減小。各涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度（c2）依次為：濕噴砂前處理AlCrN涂層（40.10 N）>干噴砂前處理AlCrN涂層（35.47 N）>未處理AlCrN涂層（32.24 N）>微粒子噴丸前處理AlCrN涂層（29.87 N）。濕噴砂前處理相當(dāng)于對基體再次拋光，使得基體表面更加光潔，提高了AlCrN涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。而張來啟等人[17]研究表明，涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度與基體粗糙度并不是呈線性關(guān)系。結(jié)合表3中不同前處理后基體粗糙度結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙瓤梢栽黾幽せY(jié)合強(qiáng)度。如干噴砂前處理后，基體表面粗糙度增加，有效地提高了AlCrN涂層的結(jié)合力，其主要原因是涂層與基體界面處的機(jī)械耦合作用得到了改善[6]。但微粒子噴丸前處理后，基體較大的表面粗糙度降低了AlCrN涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度，其主要原因在于，粗糙度越大，基體界面處的殘余壓應(yīng)力越大，膜基結(jié)合強(qiáng)度降低[7]。

圖9 不同方法前處理后AlCrN涂層的洛氏壓痕形貌

圖10 不同方法前處理后AlCrN涂層的劃痕結(jié)果

2.4 涂層摩擦磨損性能

圖11為不同方法前處理后AlCrN涂層的摩擦因數(shù)曲線。由圖11可知，未經(jīng)前處理的AlCrN涂層的摩擦因數(shù)一直保持穩(wěn)定并緩慢降低；濕噴砂前處理的涂層的摩擦因數(shù)在磨損前期和中期相對穩(wěn)定并緩慢增大，而在磨損后期急劇增加。干噴砂前處理的涂層在磨損過程中，摩擦因數(shù)穩(wěn)定，且隨著時間的增加而略有上升；微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層的摩擦因數(shù)在磨損前期緩慢增加，隨后趨于穩(wěn)定。從摩擦因數(shù)曲線可以得出，未經(jīng)前處理的AlCrN涂層的平均摩擦因數(shù)為0.654，經(jīng)濕噴砂前處理的AlCrN涂層的平均摩擦因數(shù)為0.708，經(jīng)干噴砂及微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層的平均摩擦因數(shù)分別為0.670和0.619。

圖11 不同方法前處理后AlCrN涂層的摩擦因數(shù)

圖12為不同方法前處理后AlCrN涂層的磨痕形貌。表4為相應(yīng)的涂層磨痕區(qū)域的EDS分析結(jié)果。由圖12a可以看出，磨痕中部出現(xiàn)犁溝，磨痕兩側(cè)堆積了大量磨屑。另外，在磨痕中部可見多處深灰色區(qū)域（點(diǎn)4處），其Al和Cr的原子比達(dá)到3∶1（涂層的Al和Cr原子比為2∶1），說明少量對磨副粘著在涂層表面。同時，磨屑中氧元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)達(dá)到67%，這是因?yàn)槟Σ羺^(qū)域接觸應(yīng)變較大，在磨損過程中發(fā)生了氧化磨損。因此，經(jīng)濕噴砂前處理的AlCrN涂層的磨損方式為磨粒磨損和氧化磨損。在圖12b中，磨痕兩側(cè)沒有磨屑堆積的現(xiàn)象，在磨痕處發(fā)現(xiàn)了大量深灰色粘著物，其氧元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)超過了70%，同樣為氧化磨損。在圖12c中，磨痕處的白色區(qū)域?yàn)橥繉釉谀p過程中脫落而裸露出的高速鋼基體，同時，在深灰色物質(zhì)周圍可見少許磨屑堆積。因此，經(jīng)微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層的磨損方式為氧化磨損和磨粒磨損。微粒子噴丸前處理后的AlCrN涂層的摩擦因數(shù)最低，其原因可能在于其較高的表面粗糙度。當(dāng)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)時，對磨副與涂層表面的接觸面積相對較小，使得接觸應(yīng)力增大，大量的對磨副轉(zhuǎn)移到涂層表面，形成了不規(guī)則的塊狀粘著物。而Al2O3在磨損過程中能夠提供一定的減摩作用，降低摩擦因數(shù)。

圖12 不同方法前處理后AlCrN涂層的磨痕形貌

表4 不同方法前處理后AlCrN涂層磨痕的EDS分析

Tab.4 EDS analysis of the wear scar of AlCrN coatings after different pre-treatments 　at.%

2.5 涂層切削性能

圖13為不同方法前處理后AlCrN涂層刀具的切削壽命曲線。當(dāng)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB達(dá)到0.2 mm時，未處理、微粒子噴丸前處理、濕噴砂前處理和干噴砂前處理后的AlCrN涂層刀具的切削長度分別為10、8、9.5、11 m。經(jīng)干噴砂前處理的涂層刀具擁有最好的切削性能，相比于未處理制備的AlCrN涂層刀具，切削長度提高了約10%；相反地，經(jīng)濕噴砂和微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層刀具的切削長度比未處理的AlCrN涂層刀具的切削長度短。

圖13 不同方法前處理后AlCrN涂層的切削壽命曲線

利用金相顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）對經(jīng)不同方法前處理的AlCrN涂層刀具后刀面的磨損形貌做進(jìn)一步分析，如圖14所示，可以發(fā)現(xiàn)失效后的刀具刃尖部分出現(xiàn)涂層剝落。從圖14a中未處理AlCrN涂層刀具失效后的后刀面SEM形貌可以發(fā)現(xiàn)，表面白亮色區(qū)域?yàn)楦咚黉摰毒呋w，深灰色區(qū)域是未被磨損的AlCrN涂層。涂層表面粘著的白色質(zhì)點(diǎn)和涂層表面突起的金屬液滴顆粒，會增大切削過程中涂層所受到的剪切應(yīng)力，致使涂層剝離刀具表面，因而使刀具表面AlCrN涂層發(fā)生不同程度的磨損和剝落。結(jié)合EDS能譜分析結(jié)果（表5）可知，其中白色質(zhì)點(diǎn)的主要成分為Fe、Mo和Cr，主要來自被切削材料。在切削過程中，被加工材料發(fā)生塑性變形產(chǎn)生大量熱量，這些熱量主要集中于切屑和刀尖處。在切削熱和切削力的共同作用下，切屑會與涂層表面的“突起點(diǎn)”發(fā)生粘結(jié)，產(chǎn)生粘著磨損。這些涂層上的粘著物會進(jìn)一步增大切削過程中涂層所受到的剪切應(yīng)力，當(dāng)涂層受到的切削力大于其膜基結(jié)合力時，涂層被撕裂，失去保護(hù)作用，加速刀具磨損失效。在涂層與基體邊緣處，存在不規(guī)則形狀的、不同于基體和涂層顏色的淺灰色區(qū)域，且此區(qū)域有向內(nèi)延伸的趨勢。經(jīng)EDS成分分析，此區(qū)域涂層中Al含量降低，有氧化物生成，并且裸露出部分基體。

圖14 不同方法前處理后AlCrN涂層刀具失效后的后刀面磨損形貌

表5 不同方法前處理后AlCrN涂層刀具后刀面的EDS分析

Tab.5 EDS analysis of flank face of AlCrN coated tools with different pre-treatments 　at.%

圖14b、圖14c和圖14d分別為濕噴砂前處理、干噴砂前處理和微粒子噴丸前處理AlCrN涂層刀具失效后的后刀面形貌，可以發(fā)現(xiàn)其磨損形貌和磨損機(jī)理與未經(jīng)前處理的類似。其中干噴砂前處理的AlCrN涂層表面也存在少許白色質(zhì)點(diǎn)，但未見電弧離子鍍沉積過程中形成的金屬顆粒（灰色質(zhì)點(diǎn)）。而較少的大顆粒會降低涂層刀具在切削過程中受到的局部應(yīng)力，降低涂層出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展的幾率，減緩刀具磨損失效。經(jīng)微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層還存在脆性剝落（圖14c），增加了切削刃所受的切削力，加劇了刀具的變形和磨損，導(dǎo)致提前失效。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層的平均摩擦因數(shù)最低，因?yàn)槠浔砻嫘纬闪薃l2O3氧化物，降低了它的摩擦因數(shù)。但是在切削過程中，較大的表面粗糙度使其表面更容易粘附于被加工件材料，這不僅會增大切削時的剪切應(yīng)力，而且在粘附材料處會產(chǎn)生局部應(yīng)力，致使涂層撕裂脫落，加快涂層刀具的磨損失效。切削結(jié)果與摩擦磨損結(jié)果不一致的另一個原因是：銑削實(shí)驗(yàn)過程中，切削刃不斷切入/切出，為典型的斷續(xù)加工，對涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度要求較高，并且其切削力也較摩擦磨損實(shí)驗(yàn)所用載荷更高。由以上切削結(jié)果和形貌分析可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)干噴砂前處理的AlCrN涂層刀具，因其表面較少的粘著物和硬質(zhì)點(diǎn)，涂層脫落面積較小，且涂層表面產(chǎn)生裂紋和凹陷，表現(xiàn)出最好的切削性能。

3 結(jié)論

本文研究了不同前處理方法對AlCrN涂層組織結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、膜基結(jié)合力、力學(xué)性能、摩擦磨損性能以及切削性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)不同方法前處理后，基體的表面硬度均有所上升。濕噴砂前處理的基體粗糙度（a=0.053 μm，q=0.075 μm）和硬度（801.5HK）均最小，微粒子噴丸前處理的基體粗糙度（a=0.831 μm，q=1.010 μm）和硬度（880.1HK）均最大。鍍膜后，經(jīng)不同方法前處理的AlCrN涂層的粗糙度結(jié)果呈現(xiàn)相似的變化趨勢。

2）經(jīng)濕噴砂前處理的AlCrN涂層的結(jié)合強(qiáng)度最好，達(dá)到了HF1等級和40.10 N。不同方法前處理對AlCrN涂層的物相結(jié)果沒有影響，但經(jīng)過干噴砂和微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層的優(yōu)先生長方向由(111)晶面轉(zhuǎn)變?yōu)?200)晶面。

3）經(jīng)微粒子噴丸前處理的AlCrN涂層的平均摩擦因數(shù)最小，為0.619；涂層的摩擦磨損失效機(jī)理均為磨粒磨損和氧化磨損。切削試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)干噴砂前處理的AlCrN刀具涂層具有最好的切削性能，這主要得益于其較低的涂層表面粗糙度和良好的膜基結(jié)合力強(qiáng)度。

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The Influence of Different Pre-treatments on the Structure and Performance of AlCrN Coating

1a,1b,1a,1b,1a,1a,1b,2,1a,1b,3,3

(1. a. Key Laboratory of Green Fabrication and Surface Technology of Advanced Metal Materials, Ministry of Education, b. School of Materials Science and Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243000, China; 2. Zhangzhou Heqi Target Material Technology Co., Ltd., Zhangzhou 363801, China; 3. Jiangxi Jiang Tungsten Carbide Co., Ltd., Yichun 330600, China)

This work is to improve the properties and cutting performance of AlCrN coating by applying pre-treatments on the substrate. In this paper, different pretreatment methods (wet sandblasting, dry sandblasting and shot peening) are used to treat the surface of high-speed steel substrate, and then AlCrN coating were deposited. The effects of different pretreatment methods on coating structure, surface morphology, friction and wear, and cutting performance of the AlCrN coatings are analyzed by XRD, SEM, friction and wear, and cutting tests. The results show that, comparing with the AlCrN coating without pretreatment, the adhesion of the AlCrN coatings with wet sandblasting and dry sandblasting treatment have been improved, reaching 40.10 N and 35.47 N. There was no obvious phase change of the coating, but the preferred growth of the AlCrN coating with dry sandblasting and particle shot peening treatments changed from (111) plane to (200) plane. For the tribological result, the main wear mechanism of AlCrN coatings with wet sandblasting and shot peening pre-treatment were abrasive wear and oxidation wear, the AlCrN coating with the dry sandblasting pre-treatments showed oxidation wear. The cutting results also showed that the AlCrN tools with dry sandblasting pre-treatments has the best cutting performance.

AlCrN coating; membrane-base binding force; pre-treatments; cutting performance

TG174.44

A

1001-3660(2022)02-0066-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.007

2021-10-28；

2022-01-12

2021-10-28；

2022-01-12

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2021A0390）；安徽省自然科學(xué)基金（1808085QE131）；先進(jìn)金屬材料綠色制備與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金資助項(xiàng)目（GFST2022ZR03）

Supported by the Anhui Province University Natural Science Research Project (KJ2021A0390); the Natural Science Foundation of Anhui Province (1808085QE131); Project of the Key Laboratory of Green Fabrication and Surface Technology of Advanced Metal Materials, the Ministry of Education (GFST2022ZR03)

房磊琦（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈毒咄繉印?/p>

FANG Lei-qi (1996—), Male, Postgraduate, Research focus: tool coating.

蔡飛（1986—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)镻VD硬質(zhì)涂層和刀具涂層。

CAI Fei (1986—), Male, Ph. D., Lecturer, Research focus: PVD hard coatings and tool coatings.

房磊琦，張家敏，蔡飛，等. 不同基體前處理對AlCrN涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(2): 66-76.

FANG Lei-qi, ZHANG Jia-min, CAI Fei, et al. The Influence of Different Pre-treatments on the Structure and Performance of AlCrN Coating[J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 66-76.