加工铝合金用的类金刚石(DLC)碳涂层

HEATS

类金刚石碳(DLC)涂层的主要成分为碳，是一种兼有高硬度和优异摩擦性能的非晶体硬质薄膜。由于其优异的摩擦性能，在工业上得到广泛应用。特别在无润滑剂情况下，摩擦系数也很低(µ=0.005～0.2)，因此被广泛应用于冷热水混合旋塞用单手柄等滑动部件。?

DLC涂层不仅摩擦系数小，而且抗粘附性好，硬度高，耐磨性优良，对其在切削刀具中的应用也进行过不少试验。但是，由于切削刀具的使用环境特殊，DLC涂层在切削初始阶段便发生剥离，其性能不能得到充分发挥。? 4 D1 i. l% B& M. P \! c( |/ f }

日本住友电工公司最近在世界上率先开发出可用于干式加工铝合金的DLC涂层硬质合金刀具，各种性能均得到很大提高。

DLC涂层的性能

6 K0 j) F" w5 C* m5 @

! o8 w. L9 X. Q' T; f. u
• DLC涂层的机械性能? ( H+ H+ @1 z; m: M% h
  试验所用基体为WC-Co硬质合金，其表面粗糙度为Ra0.01µm以下。DLC涂层非常平滑，其表面粗糙度与涂覆前的基体表面粗糙度均为Ra0.01µm，最大高度Ry为0.27µm。为了与加工铝合金用CVD金刚石涂层比较，对涂层表面进行了SEM观测。观测结果表明：CVD金刚石涂层有金刚石结晶形态引进的突起部分，表面粗糙度Ra为0.53µm，Ry为5.74µm,而DLC涂层则重非晶质结构表面非常光滑。DLC涂层的克氏硬度为30GPa。
• DLC涂层的滑动特性? 0 I. c. z0 z- F& _' C/ v# `
  为了评价DLC涂层对铝合金的摩擦特性，在DLC涂层试片表面上，以铝合金销(JISA5052、直径6mm)为对偶，在常温、大气中(20℃、相对湿度RH65%)进行20分钟销片滑动试验。为了比较，还准备了铝合金、硬质合金、各种陶瓷等试片。 4 P8 q+ u6 I- d* K9 {
  滑动试验采用CSEM公司生产的TRIBOMETER(PIN ON DISK)。滑动试验条件为：滑动半径1mm,负荷1N，滑动速度52m/s(500rpm)，滑动次数10000次(滑动时间20分钟)。? # r7 b# U8 e' j6 ^
  由滑动试验测定的摩擦系数(为试验即将结束之前的数值)和试片侧粘附铝合金量(用表面粗糙度仪对滑动痕迹部分横截面进行测定)测定结果可以看出，非DLC涂层试片均出现了销材质铝合金的粘附、咬合，摩擦系数达0.8以上，而DLC涂层试片摩擦系数却只有0.1，其表面也未发现铝合金粘附。由此可见，DLC涂层对铝合金的摩擦系数非常小，具有优异的抗粘附性。
  - F! p2 y8 M3 a; w+ a5 O
• DLC涂层的润滑效果 % ^. U+ H% i8 q6 u/ Q
  为了简化切削现象，以二维切削过程为研究对象，表示出有限元模拟结果。试验所用切削条件为：工件材料A5052，切削速度v=300m/min，切削深度d=0.15mm/r,切削宽度t=1mm，刀具前角a=35°，刀具后角q=5°。? * x' D) l" X6 {( |. C
  分别假定硬质合金刀具前面摩擦系数µ=0.8和DLC涂层刀具µ=0.1时，在上述条件加工0.67ms后的切屑形状与温度分布情况表明：前刀面摩擦系数小时，其排屑速度增大，因此，剪切角变大，切屑厚度减小，同时卷曲半径也随之缩小。摩擦系数大时，切屑不易发生卷曲。最高切削温度出现在µ=0.8时，该时段刀具与切屑的接触区温度达到610K；在µ=0.1时，则为470K。摩擦系数小，摩擦热的产生受到抑制，最高温度也下降140K，摩擦距离(刀具与切屑接触长度)也减少。经模拟求出的轴向力在µ=0.8时为60N；在µ=0.1时为18N。摩擦系数从0.8下降到0.1，切削力大约减少2/3。由此可见，采用前刀面摩擦系数小的刀具，可收到良好的润滑效果，切削温度和切削力均大幅度下降。

7 i2 ?% T. o! v$ N3 }1 q5 L" v) _7 _1 A, ^ p `( \* V8 b

4µm×4µm硅胶上DLC薄层的扫描(此图片由本站经互联网搜索所得)

; `: I; A% a9 U3 _

DLC涂层刀片的切削性能

利用普通硬质合金刀片HL(住友公司产品)和HI的DLC涂层刀片DL1000(住友公司产品)进行切削对比。刀片型号采用呈波形的APET160508PDFR-S。该刀片通过波形束缓解切削冲击，提高锋利度和刀刃强度。另外，涂层厚度为100mm，刀尖镀膜具有优异的抗剥离性。
* G4 P6 X% X$ @2 e9 T; Z; X7 |; r0 ?5 E' O, R' W' w3 O

住友DLC涂层刀片

切削试验在立式加工中心上进行，刀柄直径为32mm，切削速度v=300m/min,轴向切深Ad=5mm，径向切深Rd=5mm，进给量f=0.15mm/r,顺铣加工凸肩，切削长度36m。

在湿式加工条件下，两试样均未发生铝合金粘附；但在干式加工条件下，未涂层刀片前刀面有铝合金牢固粘附，而DLC涂层刀片的刃尖和前刀面则根本未发生粘附。?

由工件底面平均表面粗糙度(Ra)的测量结果可知，在干式加工条件下，两工件的Ra均因DLC涂层而减小了1/2，加工面的啃削和擦伤等现象减少，表面光洁度有明显的改善。?

由单刃进给时的切削力测量结果可知，从轴向分力、进给分力和径向分力来看，DLC涂层刀片均小于未涂层刀片，尤其轴向分力约降低2/3，从742N减小到242N。另外，随着加工的进行，DLC涂层刀片切削力值的变化在全部切削力分量中也很小。? " l! Q- u9 {- T2 [5 e

刀片表面涂覆低摩擦系数的DLC涂层，即使进行干式加工，铝合金的粘附也可以得到控制，因此切削力减小。而且，积屑瘤的形成受到抑制，可保持刀刃的锋利性，因此切削轻快，工件加工面的质量得到提高。另外，排屑性能得到较大改善，加工表面不会因切屑摩擦或再次粘附而出现质量下降。? ( M* a" P, x( X, E

由干式加工时的切屑形态可知，当采用摩擦系数小的DLC涂层刀片时，A5052的切屑富有金属光泽，卷曲成小螺旋状；而采用摩擦系数大的未涂层刀片，则切屑呈现乳白色，卷曲直径也较大。另外，采用未涂层刀片时，即使进行湿式加工，切屑也不能形成DLC涂层刀片所生成的那种螺旋状卷曲。?

使用DLC涂层刀片生成的切屑长度大约是末涂层刀片的1.5倍，而且切屑厚度变小。尤其用末涂层刀片加工ADC12时，其切屑呈灰色，无金属光泽，且形状不固定，外周呈锯齿状，或从中间被截断。切屑呈乳白色或灰色是由于切削时温度上升的结果。这里所出现的切屑形态和色调与上述模拟结果极为吻合。? , g9 x/ O$ ~! w2 k" z

如上所述，用DLC刀片进行切削时，即使是干式加工，切削和刀尖的粘附也能大大减少，最主要的原因是DLC涂层对铝合金的摩擦系数小。一般说来，切削液在切削过程中直接起作用的部位是刀具与切屑接触的前刀面部分，实际上切削液并不能充分浸入刀尖，只是在切屑脱离前刀面的部位起润滑作用。但是，DLC涂层沉积在包括刀尖在内的整个前刀面，其润滑作用超过了切削液，因此可对末涂层刀具难以加工的铝合金进行干式加工。