萬志堅， 黃傳真

(1. 山東大學 機械工程學院， 先進射流工程技術(shù)研究中心， 濟南 250061) (2. 山東大學， 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室， 濟南 250061) (3. 山東大學， 機械工程國家級實驗教學示范中心， 濟南 25006)

金剛石涂層刀具具有硬度高、彈性模量高、導熱率高、耐磨性好、化學穩(wěn)定性好，以及摩擦系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點，可用于非金屬硬脆材料如石墨、復(fù)合材料、高硅鋁合金等以及有色金屬的精密加工[1]。金剛石涂層刀具的涂層工藝研究對進一步提高其力學性能意義重大。

目前，常用的刀具涂層制備方法以化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)為主，具體包括熱絲化學氣相沉積、火焰燃燒法、等離子體化學沉積法等[2-8]。上述方法制備的涂層主要是sp3結(jié)構(gòu)，與金剛石的結(jié)構(gòu)一致，所以稱為金剛石涂層，但純度難以保證。隨著CVD和PVD制備金剛石涂層純度的提高，在塊狀基體表面制備涂層的技術(shù)也逐步成熟，不過依然存在技術(shù)短板，如涂層和基體材料間的界面結(jié)合強度較低、涂層易剝落，從而導致金剛石涂層刀具的壽命不足[9]；而且當涂層剝落后，由于金剛石涂層刀具回收時進行重磨和(或)重涂層的質(zhì)量難以保證[10]，限制了其應(yīng)用?；诖耍芯咳藛T提出電泳沉積法制備涂層，具體包括制備Ni-BN涂層[11]，或在紫銅片塊狀基體、Q235鋼、不銹鋼上制備金剛石涂層[12-14]。

用電泳沉積法在硬質(zhì)合金粉末表面制備金剛石涂層是一種新的制備刀具涂層材料的方法。該方法將涂層工藝由傳統(tǒng)的宏觀涂層改為微觀涂層。利用碳化鎢(WC)密度大且導電的特性，采用電泳沉積法在硬質(zhì)合金粉末表面沉積金剛石涂層，制備新型刀具材料，具有操作簡便、制得的材料純度高等優(yōu)點。

1 實驗方案

1.1 原材料

實驗原料主要包括WC、金剛石、MgCl2·6H2O(電泳液離子添加劑)，其中WC平均粒度尺寸為15 μm，金剛石平均粒徑為1 μm，MgCl2·6H2O的濃度為分析純。

1.2 原理與步驟

電泳沉積法的原理是微粒在電場作用下運動，并沉積在陰極基體表面。由于金剛石的絕緣性，在電泳實驗中通過添加MgCl2·6H2O(Mg2+作為定勢離子)，Mg2+吸附在金剛石表面使其帶正電荷，金剛石微粒在電場的作用下向陰極運動，實現(xiàn)陰極沉積，避免陽極腐蝕，提高涂層粉末的純度。

根據(jù)WC密度大、沉積速率快的特性，實驗采用上下布置電極的方法，實驗裝置如圖1所示，電泳槽的底部為陰極，WC粉末由于密度大，沉積在陰極，從而帶負電，這種布置電極的方法可以有效提高WC粉末的導電性和涂層效率。

首先，選擇無水乙醇作為電泳液溶劑，依次加入粒徑為15 μm的硬質(zhì)合金(WC)粉末和少量的MgCl2·6H2O，再添加粒徑為1 μm的金剛石微粒；通過超聲分散和機械攪拌提高材料的均勻性，攪拌分散時間設(shè)置為20 min；待電泳液穩(wěn)定后，在常溫下采用恒壓法進行電泳，電泳電壓為60 V，電極間距為30 mm，反復(fù)電泳5次，每次時間為3 min，然后停止電泳并進行2 min的攪拌分散；之后按照上述步驟再進行下一次電泳，目的是使WC粉末表面涂層均勻。電泳涂層工藝結(jié)束后，將電泳液放入真空干燥箱(設(shè)置溫度120 ℃)進行干燥。將干燥完成的塊狀粉末過篩(120目)，得到涂層粉末封裝備用。

采用不同方案進行實驗，各涂層的設(shè)計組分如表1所示。保持金剛石(涂層)的質(zhì)量不變，通過改變WC(基體)的質(zhì)量，探究二者最佳配比，并進一步探究MgCl2·6H2O加入量對涂層沉積效果的影響。

表1 不同方案設(shè)計組分Tab. 1 Composition of prepared coatings

1.3 性能表征

用掃描電子顯微鏡觀察電泳沉積制備的涂層粉末表面形貌，用能譜分析儀對涂層粉末進行元素分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 涂層粉末表面形貌

電泳沉積涂層的主要結(jié)合方式是硬質(zhì)合金微粒和金剛石之間的物理吸附，其結(jié)合力主要是范德華力。圖2為沉積前后WC基體粉末的SEM形貌。

從圖2b可以看出：沉積后WC粉末表面附著了大量金剛石顆粒，表明電泳沉積法可以實現(xiàn)硬質(zhì)合金粉末表面沉積金剛石涂層；同時，WC粉末仍有部分基體裸露，說明制備的涂層致密度需進一步提升。

(a)沉積前Before the deposition(b) 沉積后After the deposition圖2 沉積前后WC基體粉末的SEM形貌Fig. 2 SEM photographs of the WC powder before and after the deposition

2.2 基體硬質(zhì)合金粉末含量對涂層沉積效果的影響

為提升電泳沉積法制備金剛石涂層的致密度，對電泳沉積工藝進行進一步優(yōu)化，分析表1中2#～4#電泳涂層的實驗結(jié)果，探究電泳液中硬質(zhì)合金粉末(WC)含量對涂層質(zhì)量的影響。并與1#實驗制備的涂層進行對比，其結(jié)果如圖3所示。

(a) 1#涂層粉末Coating powder 1#(b) 2#涂層粉末Coating powder 2#(c) 3#涂層粉末Coating powder 3#(d) 4#涂層粉末Coating powder 4#圖3 不同硬質(zhì)合金含量下制備的涂層粉末表面SEM形貌Fig. 3 SEM photographs of coated powders prepared with different cemented carbide content

圖3b中的硬質(zhì)合金粉末表面沉積有大量金剛石涂層，與圖3a相比，其沉積的效果略有提升，但粉末基體仍有裸露。圖3c中的硬質(zhì)合金粉末表面沉積了較均勻的金剛石涂層，粉末表面基本沒有裸露，涂層的包覆效果比較理想。圖3d中涂層粉末包覆效果良好，但是由于金剛石過量，實驗制備的涂層粉末金剛石在外圍發(fā)生了團聚和堆疊現(xiàn)象，此時制備的涂層粉末形狀不規(guī)則，金剛石涂層疏松。

綜上所述，當硬質(zhì)合金粉末過量時，制備的金剛石涂層包覆性較差，硬質(zhì)合金基體裸露明顯；當金剛石過量時，制備的涂層粉末雖包覆性好，但粉末表面發(fā)生堆疊、團聚現(xiàn)象，粉末呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀和涂層疏松現(xiàn)象；當硬質(zhì)合金粉末適量時，制備的金剛石涂層包覆性較好，硬質(zhì)合金粉末幾乎無裸露，得到的涂層效果良好，即3#實驗制備的涂層粉末最理想。

選取3#實驗制備的涂層粉末作為代表樣品進行EDS能譜分析，其結(jié)果如圖4所示。

(a)EDS能譜測試區(qū)Test region of the EDS(b)EDS能譜圖EDS energy spectrum圖4 涂層粉末EDS能譜圖Fig. 4 EDS of the coated powder

由圖4可知：EDS能譜中包含W元素對應(yīng)峰，判斷涂層粉末的內(nèi)部含有硬質(zhì)合金(WC)粉末，從而確定檢測的粉末結(jié)構(gòu)是金剛石涂層包覆硬質(zhì)合金(WC)基體粉末，排除了涂層粉末只包含金剛石粉末團聚體的可能性。

2.3 MgCl2·6H2O含量對涂層沉積效果的影響

為探究電泳液中MgCl2·6H2O含量對電泳沉積涂層效果的影響，分析了表1中5#～6#實驗所制備的涂層粉末表面，其SEM形貌如圖5所示。

由圖5a可以看出：5#實驗制備的涂層粉末基體表面沉積有金剛石涂層，但是有基體裸露現(xiàn)象，質(zhì)量次于3#實驗制備的涂層粉末(圖3c)。由圖5b可以看出：6#實驗電泳沉積制備的涂層粉末基體表面沉積了大量的金剛石涂層，涂層粉末形狀不規(guī)則。這是因為粉末表面沉積的金剛石涂層在原位發(fā)生了延展。

(a) 5#涂層粉末Coating powder 5#(b) 6#涂層粉末Coating powder 6#圖5 涂層粉末的表面SEM形貌Fig. 5 SEM photographs of coated powders

電泳液中含少量的MgCl2·6H2O時，由于Mg2+含量較低，帶電金剛石較少，沉積速率低，導致在硬質(zhì)合金基體粉末表面沉積的金剛石涂層較薄，涂層效果較差；而電泳液中含過量的MgCl2·6H2O時，由于Mg2+含量高，帶電的金剛石多，沉積速率過快，導致在硬質(zhì)合金基體粉末表面沉積的金剛石較多，使涂層過厚，涂層粉末呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，硬質(zhì)合金基體涂層不均勻。

3 結(jié)論

(1)通過電泳沉積法在硬質(zhì)合金粉末表面實現(xiàn)金剛石涂層的制備，制備的涂層粉末兼具金剛石和硬質(zhì)合金的特性。

(2)當硬質(zhì)合金粉末含量少或MgCl2·6H2O過量時，制備的涂層過厚、不均勻，涂層粉末呈不規(guī)則形狀；當硬質(zhì)合金粉末過量或MgCl2·6H2O含量較低時，涂層較薄且致密度差。

(3)在硬質(zhì)合金粉末為28.0 g，金剛石粉末4.0 g，MgCl2·6H2O為1.0 g時，制備的金剛石涂層均勻且致密度好。