兩種DLC涂層對ZL108鋁合金干式銑削性能的影響

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

為響應國家環保、節能、高效的號召，干式切削逐步取代了濕式切削，適當地減少了生產成本、環境污染以及廢液處理費用[1]。ZL108鋁合金（牌號為ZALSi12Cu2Mg1）是一種共晶鋁硅合金（又是鑄造鋁合金），抗拉強度σb為195 MPa。由于ZL108鋁合金在發動機、變速器等汽車加工行業有著廣泛應用（如汽車火花塞材料）[2]，因此國內外對ZL108鋁合金進行了深入研究，發現ZL108鋁合金對刀具的磨損較為嚴重，同時在干切削的過程中極易出現刀具粘屑現象，進而形成積屑瘤，影響工件的表面質量以及加工精度。積屑瘤會隨著堆積的增加而剝落，導致刀具受力不均，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鋁合金時所遇到的刀具磨損以及粘屑問題，專家學者進行了許多實驗研究，發現刀具材料、進給速度、刀具前角和潤滑等諸多因素都會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行涂層沉積，均能有效地抑制切屑對刀具的粘附。改變刀具的幾何形狀即在刀具表面設計合理的微條紋紋理[6]，此法雖然能夠有效地抑制切屑的粘附，但是加大了生產成本，限制了刀具的循環適用性。在刀具表面進行涂層沉積，既降低了生產成本，又保證了刀具的循環利用，是一種價格低廉、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]等人的研究中發現，碳基涂層刀具干切削BSL168鋁合金時，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涂層在干切削的環境下容易在刀具表面產生積屑瘤，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，根據制備方法和種類的不同，可以進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雜，成本昂貴，經濟價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構和石墨結構的亞穩非晶態物質，主要以sp3和sp2雜化鍵結合，它具有高硬度、高彈性模量、低摩擦因數、高耐磨性等一系列優良的性能。根據制備過程中是否含氫分為四面體無氫非晶態碳膜和四面體含氫非晶態碳膜，由于兩者結構中sp3雜化鍵含量和氫含量的不同，導致兩種涂層在摩擦學以及切削方面表現出了不同的性能[9-19]。在Sheng R等人[20]的研究中發現，含氫DLC涂層的石墨化分為兩個階段：一是結構的變化，即由四面體結構轉化為層狀結構；二是氫的析出，碳基體的重排和sp2在一個優先方向的聚集，導致晶粒尺寸增大，納米硬度下降，最終導致涂層的承載能力和磨損率急劇下降。Erdemir A等人[21-25]研究發現，含氫DLC和無氫DLC涂層在不同氣體環境中具有不同的摩擦性能。在潮濕的環境中，無氫DLC涂層由于表面懸浮碳鍵被吸附的水分子鈍化，導致表面出現較低的摩擦系數；而含氫DLC涂層表面亦會吸附水分子，引起界面的偶極作用和毛細作用，最終導致表面摩擦系數增加。Zhang T F等人[26]研究發現，DLC涂層在加工鋁、鎂合金等有色金屬時表現出了良好的摩擦性能和抗粘性，但是由于加工環境的不同，導致兩種涂層刀具出現不同的磨損和切屑粘附情況。Bhowmick等人[27]發現，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現了同樣的趨勢。Maslov A R[28]在干燥的環境中銑削D16T鋁合金時發現，含氫DLC涂層銑刀在銑削過程中表現出了較低的磨損率，而在潮濕的環境中則出現相反的結果。因此，氫元素存在與否和工作環境中RH的大小均會影響DLC涂層的摩擦學性能以及實際的切削加工性能。

本文采用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）和磁控濺射物理氣相沉積（MS）技術制備了含氫和無氫DLC涂層，對兩類涂層試片進行摩擦磨損實驗，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鋁合金材料進行銑削加工，分析兩類涂層銑刀的切削加工性能。

1 實驗

1.1 涂層制備

實驗采用等離子體增強化學氣相沉積（型號ICS-04 ARC PRO）和磁控濺射物理氣相沉積（設備型號PLASMAADS 400），基材為硬質合金試樣及硬質合金銑刀（硬質合金牌號為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YG10C硬質合金試片和銑刀涂覆之前，需對其進行酒精清洗、蒸餾水清洗。最后在丙酮溶液中進行40～50 min的超聲波清洗，清洗結束后，放入烘干室進行烘干處理，確保基材和刀具表面無油漬、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，兩種涂層制備工藝和參數對比見表1。

表1 兩種涂層制備工藝參數對比Tab.1 Comparison of preparation parameters of the two coatings

從表1中可以發現，PECVD制備DLC涂層的過程是在C2H2環境下進行的，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境下進行的，因此制備的是無氫DLC涂層。

1.2 性能表征及摩擦磨損測試

采用Taly surf CCI非接觸表面輪廓儀對兩種涂層的表面粗糙度進行測試，為了保證測試數據的準確性，選取了6組DLC涂層試片進行測試（其中無氫DLC涂層試片的編號為1—3，含氫DLC涂層試片的編號為4—6）。采用干濕球濕度計對測試環境以及切削加工環境進行檢測，測得相對濕度RH為40%。采用球-平面往復式HRS-2M型高速摩擦磨損試驗機測試兩種涂層在相同的摩擦速度以及相同的試驗環境下（RH=40%）與GCr15鋼球（?6 mm，硬度為25.8 HRC）配副的摩擦性能。為了保證實驗的準確性，選用了6組DLC涂層試片（含氫和無氫DLC涂層試片各3組），對其進行摩擦磨損試驗，記錄每組試片不同測試時間（15、30、45、60、75 min）時的摩擦系數，測試參數見表2。為進一步研究兩種涂層摩擦磨損情況，采用非接觸表面輪廓儀對試驗后的兩種涂層試片進行測試，通過式（1）計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為對磨副滑動距離；Fn為對磨副上的正壓力。

1.3 銑削實驗

本次銑削試驗采用的是立式機床（HARDINGE VMC-1000Ⅱ），具體的機床參數和切削技術參數見表3，ZL108鋁合金的化學成分見表4。采用手持式粗糙度儀（TR220）對被加工的鋁合金表面粗糙度進行測試，測試參數見表5。

表2 摩擦磨損測試參數Tab.2 Friction and wear test parameters

表3 刀具參數及切削技術參數Tab.3 Tool parameters and cutting technical parameters

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

表5 粗糙度測試參數Tab.5 Roughness test parameters

2 結果與討論

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，不但會影響涂層的表面質量，也會加劇涂層的磨損。由此得知，無氫DLC涂層的表面質量更優于含氫DLC涂層。

2.2 摩擦磨損性能

通過摩擦磨損試驗測得兩類DLC涂層試片的摩擦系數隨時間變化曲線如圖3所示。在15～45 min之間，由于對磨副和涂層表面的摩擦作用，使涂層表面微凸起被磨平，摩擦系數均有所下降。同時受工作環境的影響（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，進一步降低了無氫DLC的摩擦系數；另一方面使含氫DLC涂層表面產生偶極作用和毛細作用[22]，因此無氫DLC的摩擦系數下降速率大于含氫DLC。當t=45 min時，含氫DLC涂層在溫度和接觸應力的共同作用下，其內部結構逐步由三維結構轉化為平面結構（sp3→sp2），接觸表面潤滑性進一步提高。雖然表面粘附的水分子會使表面產生一定的偶極作用[26]，但其作用遠小于石墨化作用，含氫DLC涂層的摩擦系數達到最低。此時無氫DLC涂層摩擦系數繼續下降，但未達到最小值。隨著摩擦時間的進一步延長，由于凹坑缺陷的進一步擴展，對磨副將含氫DLC涂層磨穿。此時摩擦系數逐漸升高，而無氫DLC涂層隨著摩擦時間的延長，表面石墨化程度加劇。當t=60 min時，摩擦系數達到最低。當t=75 min時，兩種涂層均被磨穿（如圖4所示），摩擦系數均升高。由圖3可以得出，在相對濕度RH=40%的工作環境中，無氫DLC涂層的摩擦系數小于含氫DLC涂層。

為了進一步研究兩種涂層的耐磨性，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行測試。經過計算，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涂層的磨損率大小：含氫DLC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（與上述摩擦系數曲線結果吻合）。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，采用三向壓電式動態測力儀對切削力分量進行了實時測量。根據測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對應力（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）每個階段的峰值均大于無氫DLC涂層銑刀。當0＜S＜4 m時，Fx、Fy、Fz的變化劇烈。這是由于銑刀在開始切削時，由于被加工材料和切削刀具的相對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4 m＜S＜12 m時，切削力變化速率明顯下降，此時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的大小是一個不可忽略的因素。在整個切削過程，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顯微鏡進行觀察，如圖6、7所示。

當加工距離S=4 m時，兩種涂層銑刀的切削刃保持良好，基本不存在粘屑情況。當加工距離S=8m時，兩種涂層銑刀都出現了粘屑情況，而含氫DLC涂層銑刀切削刃表面的切屑粘附更多。當加工距離S=12時，含氫DLC涂層銑刀出現了嚴重的粘屑現象，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，只出現了輕微的磨損和粘屑現象，刀尖保持良好。結合圖5—7可以得出，隨著加工距離的不斷增大，切削力的各個分力隨之增大，刀具磨損和粘附情況加劇，工作環境RH的大小也是影響刀具磨損的一個因素。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表面碳懸鍵結合，鈍化涂層的表面，使其表現出更小的切削力、更好的耐磨性以及更小的粘屑量；另一方面可以與含氫DLC涂層表面發生反應使表面產生偶極作用以及毛細作用[2223]，從而增大涂層刀具表面的摩擦系數，加劇刀具的磨損和粘屑。

從上述的切削結果可知，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 工件表面質量和切屑性能

采用手持式粗糙度測量儀測得工件表面粗糙度隨時間的變化趨勢如圖8所示。可以看出，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，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所產生的切屑，將兩種切屑在光學顯微鏡下進行觀察，如圖10所示。從切屑的宏觀形貌可以看出，無氫DLC涂層銑刀切削產生的切屑，是工業生產中需要的理想切屑類型，其產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涂層銑刀切削產生的切屑的表面更加光滑，表面質量更高，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 結論

1）在硬質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）摩擦磨損試驗時（RH=40%），無氫DLC涂層比含氫DLC涂層的摩擦系數更小。當t=60 min時，無氫DLC涂層的摩擦系數達到最低，f=0.122。通過計算，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（RH=40%）發現，無氫DLC涂層銑刀表現出了更小的切削力、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生的切屑屬于工業生產理想類型，微觀表面更加光滑。