高速鋼刀具固體潤滑涂層的研究

孫 凱, 劉鳳霞, 安 寧

（1.遼寧工程技術大學實驗實訓中心,遼寧阜新 123000;2.遼寧工程技術大學應用技術學院遼寧阜新 123000;3.四川建筑職業技術學院土木系,四川德陽 618000）

高速鋼刀具固體潤滑涂層的研究

孫 凱1, 劉鳳霞2, 安 寧3

（1.遼寧工程技術大學實驗實訓中心,遼寧阜新 123000;2.遼寧工程技術大學應用技術學院遼寧阜新 123000;3.四川建筑職業技術學院土木系,四川德陽 618000）

為了解決高速鋼刀具磨損快的問題,延長刀具使用壽命,通過研究磷化處理加固體潤滑涂層的工藝方法,在刀具表面制備出了以WS2為主的固體潤滑涂層。實驗證明:在外加磁場（3.0×10-3T）作用下,刀具表面磷化膜的粗糙度得到較好的控制;此時進行固體潤滑劑涂覆刀具處理,涂層厚度達4.935μm,刀具使用壽命最高,比未進行處理的刀具壽命提高1.8倍。

磷化處理;固體潤滑涂層;刀具壽命

0 前言

在現代機械加工中,高速鋼因具有較高的強度和韌性、一定的硬度和耐磨性、可加工性好等特點成為制造金屬切削刀具的主要材料。但是受高速鋼自身性能的影響,在切削加工中易發生擴散磨損和相變磨損,從而降低刀具的使用壽命。為了提高高速鋼刀具的使用壽命,目前多采用對刀具進行涂層處理的方式。以MoS2等固體潤滑材料為涂層材料的軟涂層刀具[1],既保持了刀具良好的韌性和較高的強度,又降低了摩擦系數;不僅提高了刀具的切削性能,而且大大延長了刀具的使用壽命。

鋼鐵零件在含有錳、鐵、鋅、鈣的磷酸鹽溶液中進行化學處理,使其表面形成一層難溶于水的磷酸鹽保護膜的方法叫做磷化處理[2]。本研究以 WS2為主要固體潤滑涂層材料,對高速鋼刀具表面進行涂層處理。在涂層處理前,先對刀具進行磷化處理,以提高固體潤滑涂層在刀具表面的吸附能力,并研究外加磁場對高速鋼磷化膜成膜質量的影響。

1 實驗

1.1 儀器設備

電子天平,恒溫槽,長直螺線管,軟鐵棒,勵磁直流電源,粗糙度測定儀,烘箱,平底銑刀,XH714加工中心。

1.2 主要試劑

質量分數為85%的濃 H3PO4,ZnO,質量分數為36%的 HCl,Zn（NO3）2·6H2O,質量分數為5%的Na2CO3,質量分數為2%的蘇打肥皂水,WS2,納米氧化鋁,無水乙醇。

1.3 磷化液的配制

按容器計算出配方用量。將 H3PO4倒入磷化槽內加熱,攪拌中緩慢加入預先用水釋稀好的ZnO,待ZnO全部溶解后再加入Zn（NO3）2·6H2O,完全溶解后即可應用。

1.4 涂層制備工藝流程

2 結果與分析

2.1 磁感應強度對刀具涂層性能的影響

在磷化處理中使用外加磁場對刀具涂層的影響主要體現在對磷化膜表面粗糙度的影響上。通過改變磁感應強度,用表面粗糙度測量儀測定磷化膜的表面粗糙度。圖1,圖2為磁感應強度對刀具增重及刀具表面粗糙度的影響。

圖1 磁感應強度與刀具增重的關系

圖2 磁感應強度與刀具表面粗糙度的關系

圖3 磁感應強度與刀具涂層厚度的關系

由圖1,2可知:加外加磁場后,刀具增重開始明顯增加,同時磷化后刀具表面粗糙度也粗化;當磁感應強度增大至3.0×10-3T時,增重和粗糙度均達到最大,此時表面微觀形貌最均勻、致密,相比于不加外加磁場的高速鋼刀具增重近30%,粗糙度增加46%。這是因為磷化反應的速度取決于整個反應系統的熵。一定強度的磁場可以降低磷化處理系統的熵值[4],降低磷化膜生成的條件,故可以有效地形成磷化膜。所以,外加磁場有利于高速鋼刀具表面磷化處理的進行,促使磷酸鐵鹽和磷酸氫鐵鹽有序排列,能夠更快地沉積在金屬表面上。

圖3為磁感應強度與刀具涂層厚度的關系。由圖3可知:當磁感應強度增大至3.0×10-3T時,所得涂層最厚。

2.2 刀具使用壽命

表1為經不同方法處理后所得刀具的使用壽命。由表1可知:經單純磷化處理或單純涂層處理,都能提高刀具的使用壽命,但效果不是非常明顯;而將二者復合處理（磷化加固體潤滑劑涂層復合處理）后,所得刀具的使用壽命提高較大,可比未處理刀具的使用壽命提高1.8倍。

表1 不同處理方法所得刀具的使用壽命

3 結語

外加磁場可以降低整個磷化處理系統的熵值,對高速鋼磷化過程中磷化膜的成膜、外觀及膜的表面粗糙度等能夠產生直接影響。當磁感應強度為3.0×10-3T時,高速鋼磷化處理形成的磷化膜的表面粗糙度為2.739μm,此時對刀具進行固體潤滑劑涂層處理,涂層厚度達4.935μm,刀具使用壽命比未進行任何處理時提高1.8倍。

[1] 鄧建新.軟涂層刀具的發展與應用[J].工具技術,2005,39（3）:35-37.

[2] 弗里曼D B.磷化與金屬預處理[M].侯鈞達,吳哲,譯.北京:國防工業出版社,1989.

[3] 夏致斌.高速鋼刀具磷化處理試驗研究[J].表面技術,2008,37（4）:42-45.

[4] Bataineh O,KlameckiB,KoepkeB G.Effectofpulsed magnetic treatment on drill wear[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,134（2）:190-196.

Solid Lubricant Coating for High-Speed Steel Cutting Tools

SUN K ai1, LIU Feng-xia2, AN Ning3

（1.Experiment Practice Training Center,Liaoning Technique University,Fuxin 123000,China;2.College of Applied Technologies,Liaoning Engineering and Technical University,Fuxin 123000,China;3.Detp.of Civil Engineering,Sichuan College of Architectural Technology,Deyang 618000,China）

To solve the faster wear problem of high speed steel tools and extend their service life,a WS2-based solid lubricant coating is prepared on the surface of cutting tools through the study of a process of phosphating plus solid lubricant coating.Experiments show that under the action of an externally applied magnetic field（3.0×10-3T）the roughness of phosphate coating on cutting tool surface can be better controlled,and cover cutting tools with a 4.935μm thick solid lubricant layer at that time,the cutting tools will have the longest service life,1.8 times longer than that of untreated ones.

phosphate treatment;solid lubrication layer;cutting tool life

TG 174

A

1000-4742（2011）04-0027-02

2010-11-02