濕噴砂對TiN+Al2O3+TiCN涂層性能的影響

曾 偉，董凱林，王 鵬，時凱華

(自貢硬質合金有限責任公司，四川 自貢 643010)

噴砂技術根據研磨材介質的不同可以分為干式噴砂和濕式噴砂兩種。

在切削工具領域，干式噴砂對刀片涂層前和涂層后的研究都有報道。Bouzakis K D[1]使用干式微噴砂對PVD涂層前刀片基體表面進行處理，證明其能夠改變基體的表面形貌，增加涂層與刀具基體之間的結合力，提高刀具的切削壽命。同時他還研究了干噴砂對TiAlN涂層后刀具表面的影響，指出會增加刀具的涂層硬度，從而提高刀具切削壽命[2]。鄭家樂[3]研究了使用干噴砂對涂層前基體表面進行預處理后，對CrN涂層刀具表面粗糙度和膜基結合力的影響。徐培麗[4]研究了微噴砂對TiAlN刀具涂層表面粗糙度、表面形貌、涂層厚度、表層硬度的影響。

濕式噴砂通常被用作表面處理，近年來該技術在硬質合金領域也得到了廣泛的應用，不僅可以作為刀片涂層前的刃口鈍化處理，還可以進行涂層后刀具的后處理。杜海燕[4]研究了濕式噴丸對YG8合金表面殘余應力的影響。杜麗業[5]研究了熱處理、濕噴砂和刃口處理三種不同后處理對MT-TiCN涂層刀具斷口形貌、涂層織構、晶粒尺寸、涂層硬度、彈性模量和連續、斷續車削性能的影響。目前在切削工具領域比較常用的CVD涂層為TiN+Al2O3+TiCN膜，涂層后進行濕噴砂處理能夠有效的改變涂層表面的應力狀態，減小崩刃的風險，但濕噴砂工藝參數尤其是砂水濃度對涂層性能的影響還未見詳細的報道，本文就不同濕噴砂壓力、不同濕噴砂時間和不同砂水濃度情況下，涂層表面光潔度、涂層厚度、涂層硬度、涂層橫向斷裂強度、涂層與基體之間結合強度及涂層磨粒磨損的變化規律進行分析。

1 實驗準備

涂層性能檢測項目需要制作相應的檢測樣品，樣品要求及檢測設備如表1。

表1 涂層性能檢測項目、樣品要求及檢測設備

2 實驗方法

1)表面光潔度(Rt)測量方法：使用探針法進行檢測。在檢測長度內，設備金剛石觸針沿被測表面緩慢滑行，金剛石觸針的上下位移量經公式計算后得出表面粗糙度數值，用表面最高值與最低值的絕對差進行表述。

2)涂層厚度檢測方法：掃描電鏡的背散射電子可提供用于樣品表面不同成分分布情況的觀察，故采用背散射電子像可以清楚地觀察到不同涂層物質層及測量其厚度。

3)涂層洛氏硬度測量方法：在初始試驗力和總試驗力的先后作用下，用頂角120°金剛石圓錐壓頭壓入試樣表面，在保持規定時間后，卸除主試驗力，用測量的殘余深度增量計算硬度值。HRA=100-e/0.002 (規定0.002 mm為一個洛氏硬度單位)。

4)磨粒磨損檢測方法(滑動摩擦法)： 試樣在20kg壓力下，利用轉動的不銹鋼輪帶動與水混合的Al2O3顆粒磨料進行磨粒磨損實驗，相同時間后測量其磨損值。

A=(m/1000D)×105

(1)

式中：A——磨粒磨損值，cm3/105r；m——樣品損失的質量，g；D——樣品的密度，g/cm3。

3 結果與討論

噴砂時間是通過設備工藝參數換算得來的。

以產品外接圓20 mm為例，噴槍移動速度Vy=20 mm/s，傳送帶速度Vx=(20/30)mm/s，循環次數n=1或2，由此換算噴砂時間，結果見表2。

表2 工藝換算的噴砂時間

分別以不同的噴砂時間、壓力、砂水濃度進行試驗，各項檢測數據如表3-5。

表3 不同噴砂時間試驗數據

濕噴砂機的氣壓供給范圍是0-0.8 MPa，但是由于濕噴砂機的設計中為了防止負壓造成噴水管路中的水進入壓縮空氣管路，于是設定了最低工作氣壓為0.2 MPa。濕噴砂機工作時，含有磨料的液體在管路中高速高壓流動，會對管道壁造成磨損，其壓力值越大，磨損越快越嚴重，故設定壓力值范圍為0.25-0.5 MPa。

表4 不同噴砂壓力試驗數據

砂水濃度這個概念在國內發表的諸多論文中很少有相關文獻介紹其參數的選擇。但是砂水濃度與噴砂壓力類似，濃度越大，水中含有的磨料越多，在較大壓力下對設備水循環系統的磨損越快、越大，因此采用合理的砂水濃度與噴砂壓力可以延長設備水循環系統的使用壽命，減少使用成本。

砂水濃度在25%-35%之間每間隔3%遞增，即砂水濃度值選擇為25%、28%、31%、34%。

表5 不同砂水濃度試驗數據

3.1 濕噴砂對涂層厚度的影響

數據檢測以TiN和Al2O3涂層之間的分界面為基準，正值為TiN涂層厚度，負值為Al2O3涂層厚度。

圖1 濕噴砂時間與涂層厚度的變化圖

1)涂層厚度隨噴砂時間、噴砂壓力及砂水濃度的增加而減小，但是三者對涂層的沖蝕作用效率不同，噴砂時間與噴砂壓力同比增大其沖蝕效率基本相同，砂水濃度30%是個臨界點，低于30%以下，沖蝕效率低，高于30%以上，沖蝕效率高。

圖2 濕噴砂壓力與涂層厚度的變化圖

2)第一層TiN涂層全部噴掉有個臨界參數點，約為噴砂時間4秒，噴砂壓力0.4 MPa，砂水濃度30%。

圖3 濕噴砂水濃度與涂層厚度的變化圖

3)濕噴砂對涂層表面的沖蝕作用隨著時間的延長，會把表面TiN涂層打掉，從而表面由金黃色變為黑色，故涂層厚度逐漸下降。但是相同時間下TiN涂層減少的厚度明顯大于Al2O3涂層，這是由于TiN涂層硬度約為2000 HV，而Al2O3涂層硬度約為2300 HV，Al2O3涂層硬度大于TiN涂層硬度，故耐磨性更好。

3.2 濕噴砂對表面光潔度的影響

圖4 濕噴砂時間與涂層表面光潔度的變化圖

圖5 濕噴砂壓力與涂層表面光潔度的變化圖

圖6 濕噴砂水濃度與涂層表面光潔度的變化圖

圖7 濕噴砂前涂層表面形貌

圖8 濕噴砂后涂層表面形貌

濕噴砂主要通過塑性剪切流動去除被加工材料表面，在已濕噴砂表面不存在明顯的涂層大顆粒(部分文獻中稱為“金屬液滴”)形貌，通過濕噴砂磨料成百上千次的沖蝕作用，被加工材料表面的大顆粒已經產生了類似于“鵝卵石”表面的形貌。

1)延長噴砂時間對涂層表面光潔度的質量控制最為容易。

2)砂水濃度值下限應該為25%，30%左右的砂水濃度其沖蝕效率較好，并且砂水濃度工藝設定的間隔應該在5%左右，其影響變化更為明顯。

3)噴砂壓力足夠大(大于0.4 MPa)之后，涂層表面光潔度變化更明顯。

3.3 濕噴砂對洛氏硬度的影響

圖9 濕噴砂時間與涂層硬度的變化圖

圖10 濕噴砂壓力與涂層硬度的變化圖

圖11 濕噴砂水濃度與涂層硬度的變化圖

Bouzakis等研究了干噴砂TiAlN刀具涂層硬度變化情況，結果表明微噴砂可提升涂層硬度，且隨噴砂時間和磨料直徑的增大而增大。Klocke對TiAlN刀具涂層進行了濕噴砂處理，同樣獲得了更高硬度的涂層表面[2]。本實驗結果說明濕噴砂對涂層表面硬度確實有較明顯的增強作用，其原因是濕噴砂把產品表面的涂層大顆粒沖蝕成小顆粒造成的，同時涂層物質中硬度更高的物質裸露于表面也是涂層表面硬度提高的原因之一。

1)濕噴砂對提高涂層表面硬度具有顯著影響，其過程為濕噴砂磨料先將TiN涂層大顆粒沖蝕成小顆粒，造成表面硬度迅速提高，隨著沖蝕作用的持續，TiN涂層逐漸消失，露出Al2O3涂層，其硬度比TiN涂層略高，這也是表面硬度迅速提高的原因之一，且Al2O3涂層更為致密，耐磨性更好，涂層厚度更厚，在實驗范圍內硬度檢測能夠穩定在Al2O3涂層范圍內。

2)濕噴砂壓力對涂層表面硬度的提高作用更積極。

3.4 濕噴砂對磨粒磨損的影響

圖12 濕噴砂時間與涂層磨粒磨損的變化圖

圖13 濕噴砂壓力與涂層磨粒磨損的變化圖

圖14 濕噴砂水濃度與涂層磨粒磨損的變化圖

從工藝穩定性來講，需要波動小即磨粒磨損值偏差小的情況，綜合分析上述三個圖，再次驗證，較好的噴砂參數為砂水濃度值30%，時間4秒，壓力0.4 MPa。

磨粒磨損變化趨勢與之前的硬度變化過程類似，由于未濕噴砂的產品表面TiN涂層很容易被噴砂磨料沖蝕掉，所以其磨粒磨損值最大，但是隨著TiN涂層逐漸消失，露出Al2O3涂層，其耐磨性更好，由于Al2O3涂層厚度較厚，故該層磨粒磨損變化小，其值波動小。

4 結論

1)涂層厚度隨噴砂時間、噴砂壓力及砂水濃度的增加而減小，但是三者對涂層的沖蝕作用效率不同，噴砂時間與噴砂壓力同比增大其沖蝕效率基本相同，砂水濃度30%是個臨界點，低于30%以下，沖蝕效率低，高于30%以上沖蝕效率高；第一層TiN涂層全部噴掉有個臨界參數點，約為噴砂時間4秒，噴砂壓力0.4 MPa，砂水濃度30%；TiN涂層較Al2O3涂層更容易被沖蝕掉。

2)涂層表面光潔度隨噴砂時間的延長，提升效果明顯；砂水濃度值下限應該為25%，30%左右的砂水濃度其沖蝕效率較好，并且砂水濃度工藝設定的間隔應該在5%左右，其影響變化更為明顯；噴砂壓力足夠大(大于0.4 MPa)之后，涂層表面光潔度變化更明顯；

3)濕噴砂對提高涂層表面硬度具有顯著影響。其過程為濕噴砂磨料先將TiN涂層大顆粒沖蝕成小顆粒，造成表面硬度迅速提高，隨著沖蝕作用的持續，TiN涂層逐漸消失，露出Al2O3涂層，Al2O3硬度比TiN涂層略高，這也是表面硬度迅速提高的原因之一，且Al2O3涂層更為致密，耐磨性更好，涂層厚度更厚，在實驗范圍內硬度檢測能夠穩定在Al2O3涂層范圍內；濕噴砂壓力對涂層表面硬度的提高作用更積極。

4)磨粒磨損變化趨勢與涂層表面硬度變化過程類似，由于未濕噴砂的產品表面TiN涂層很容易被噴砂磨料沖蝕掉，所以其磨粒磨損值最大，但是隨著TiN涂層逐漸消失，露出Al2O3涂層，其耐磨性更好，由于Al2O3涂層厚度較厚，故該層磨粒磨損變化小，其值波動小。從工藝穩定性來講，需要波動小即磨粒磨損值偏差小的情況，綜合分析得到濕噴砂參數為砂水濃度值30%，時間4秒，壓力0.4 MPa。