刀具基體表面粗糙度直接影響金剛石薄膜與基體的實(shí)際接觸面積和接觸狀態(tài)白庙，是影響金剛石薄膜涂層刀具附著強(qiáng)度的重要因素脑又。本文從金剛石薄膜在基體表面的成核密度庆聘、成核狀態(tài)及機(jī)械鎖合作用等方面研究了基體表面粗糙度對(duì)金剛石薄膜涂層刀具附著強(qiáng)度的影響貌虾。
1 基體表面粗糙度對(duì)成核密度及成核狀態(tài)的影響
為研究刀具基體表面粗糙度對(duì)成核密度的影響蕴莉，我們以用不同粒度金剛石微粉研磨過的基體為試樣，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究革秩。為避免WC-Co系硬質(zhì)合金中Co元素對(duì)成核的影響仓突，我們以金屬W為基體用燃焰法進(jìn)行了沉積實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為：反應(yīng)氣體流量比O2/C2H2=1焦赋，基體溫度約750℃庐杨，沉積時(shí)間為3min。根據(jù)掃描式電子顯微鏡觀察計(jì)算結(jié)果藏趁，基體表面粗糙度與金剛石薄膜成核密度的關(guān)系如圖1所示疑拯。
從圖中可以看出，以W為基體時(shí)痹对，基體表面粗糙度對(duì)金剛石薄膜的成核密度沒有太大影響扰褒，在上述沉積條件下，成核密度可達(dá) 3×108個(gè)/cm3左右弦密。對(duì)WC-6%Co硬質(zhì)合金的研究也表明了同樣的趨勢(shì)贮芹。這與在單晶Si片上的沉積實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同∮Ы校可以認(rèn)為W和WC-6%Co硬質(zhì)合金中存在的大量晶界缺陷促進(jìn)了金剛石薄膜的成核椭符，從而使由基體表面粗糙度差異帶來的對(duì)成核密度的影響變得不十分明顯。
(a)Ra0.19μm |
(b)Ra0.41μm |
(c)Ra1.04μm |
| 圖2在不同粗糙度基體表面上金剛石的成核狀態(tài) |
用掃描式電子顯微鏡進(jìn)行進(jìn)一步的觀察分析表明耻姥，基體表面粗糙度對(duì)金剛石薄膜的成核狀態(tài)有較大影響销钝。圖2為在具有不同粗糙度的基體表面沉積2min未形成連續(xù)薄膜時(shí)金剛石的成核反晶粒生長(zhǎng)狀態(tài)。從圖中可以看出琐簇，在 Ra0.19μm的較光滑基體表面蒸健，金剛石薄膜較平整，金剛石薄膜與基體的接觸局限于成核點(diǎn)附近婉商，可近似認(rèn)為是二維接觸似忧，實(shí)際接觸面積較小。在 Ra0.41μm和Ra1.04μm的粗糙基體表面丈秩，金剛石在凸峰及凹谷中均有成核盯捌，由于金剛石晶粒呈三維生長(zhǎng)，所以在形成連續(xù)薄膜后蘑秽，在凹谷中成核的金剛石晶粒與基體呈三維接觸饺著，使金剛石薄膜底面與基體的實(shí)際接觸面積顯著增大，從而有助于提高金剛石薄膜與基體間的附著強(qiáng)度肠牲。但在Ra1.04μm時(shí)煞精，由于基體表面太粗糙筷穿，凸峰間的凹谷較深大，在金剛石晶粒進(jìn)一步生長(zhǎng)形成連續(xù)薄膜后容易在凹谷中形成空穴肿兴。
2 刀具基體表面粗糙度對(duì)附著強(qiáng)度的影響
為進(jìn)一步研究刀具基體表面粗糙度對(duì)附著強(qiáng)度的影響荡减，我們用燃焰法制備了具有不同基體表面粗糙度的金剛石薄膜涂層刀具。由于WC-Co系硬質(zhì)合金中粘結(jié)相Co在沉積初期有促進(jìn)石墨形成的作用湖诅，為排除其影響搂素，實(shí)驗(yàn)中選擇了金屬W為金剛石薄膜涂層刀具的基體材料。
由于金剛石與基體附著強(qiáng)度的定量測(cè)定較為困難匕伶，目前應(yīng)用最多的是壓痕觀察法塑汽，即用洛氏硬度計(jì)以一定壓力將壓頭壓入金剛石薄膜，根據(jù)薄膜剝落面積的大小定性對(duì)比附著強(qiáng)度的大小括樟√罚考慮到金剛石薄膜涂層刀具實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，我們采用了斷續(xù)車削工件的方法來評(píng)價(jià)其附著強(qiáng)度的大小手浙。即在一定切削條件下聪僚，用金剛石薄膜涂層刀具進(jìn)行斷續(xù)車削實(shí)驗(yàn)，以金剛石薄膜剝落時(shí)的耐沖擊次數(shù)和薄膜剝落面積大小來評(píng)價(jià)不同金剛石薄膜涂層刀具的附著強(qiáng)度刊侯。斷續(xù)車削實(shí)驗(yàn)條件如附表所示章办。
金剛石薄膜涂層刀具斷續(xù)車削實(shí)驗(yàn)條件
| 工件材利 |
工件截面形狀 |
刀具角度(°) |
切削用量 |
冷卻潤(rùn)滑 |
| LY12 |
|
g0=-5°
a0=5°
Kr=Kr’=45° |
v=130m/min
ap=0.5mm
f=0.1mm/r |
干式切削 | |
圖3 基體表面粗糙度對(duì)附著強(qiáng)度的影響 |
圖4 由于機(jī)械鎖合作用殘留在基體表面的金剛石晶粒 |
在附表中所示切削實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)LY12進(jìn)行斷續(xù)車削實(shí)驗(yàn)，基體表面粗糙度與金剛石薄膜涂層刀具耐沖擊次數(shù)和薄膜剝落面積的關(guān)系如圖3所示滨彻。從圖中可以看出藕届，隨著刀具基體表面粗糙度值的增大，薄膜剝落時(shí)金剛石薄膜涂層刀具的耐沖擊次數(shù)顯著增加亭饵，薄膜剝落面積大幅度減小休偶，說明金剛石薄膜與刀具基體間的附著強(qiáng)度隨基體表面粗糙度值的增大而顯著提高，完全可滿足實(shí)際切削加工的要求辜羊。從圖中還可看出當(dāng)基體表面太粗糙時(shí)踏兜，附著強(qiáng)度有下降趨勢(shì)。
用掃描式電子顯微鏡對(duì)金剛石薄膜剝落后的基體表面進(jìn)行觀察分析八秃，結(jié)果表明：在較光滑的基體表面幾乎沒有金剛石晶粒的殘留庇麦；在粗糙表面的溝槽和孔洞中殘留著許多金剛石晶粒如圖4所示∠驳拢可以認(rèn)為，在粗糙的基體表面综非，不僅金剛石薄膜與基體接觸面積較大沪择，而且在粗糙表面溝槽和孔洞中嵌合的金剛石晶粒使金剛石薄膜與基體之間建立了機(jī)械鎖合作用，從而使附著強(qiáng)度得到了顯著提高琴偿。當(dāng)基體表面太粗糙時(shí)羞烘，由于在金剛石薄膜與基體之間容易形成空穴而使附著強(qiáng)度下降伴乐。
3 結(jié)論
在W 和WC-Co系硬質(zhì)合金基體上沉積金剛石薄膜時(shí)，基體表面粗糙度對(duì)成核密度沒有太大影響蝉陕，但對(duì)薄膜和基體間的接觸狀態(tài)有較大影響擒抠。較粗糙的刀具基體表面不僅使金剛石薄膜與基體實(shí)際接觸面積增大，而且可在金剛石薄膜與基體之間建立具有宏觀效應(yīng)的機(jī)械鎖合作用拂极，從而使金剛石薄膜涂層刀具的附著強(qiáng)度得到顯著提高瑰跳。當(dāng)基體表面太粗糙時(shí)，在基體表面和金剛石薄膜之間將由于空穴的存在而使附著強(qiáng)度下降猛珍。合理設(shè)計(jì)刀具基體表面粗糙度是提高金剛石薄膜涂層刀具附著強(qiáng)度的有效手段砰普。
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