朱建博，劉艷梅，王 瑜，王 歡，王重陽，黨鈺欽，王鐵鋼

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222)

0 前 言

隨著現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展，高速超高速切削、綠色干切削和精密超精密切削技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，這對刀具的性能提出了更大的挑戰(zhàn)。采用多層、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層可以充分利用2 種材料的優(yōu)勢，形成高硬度、高耐磨性的復(fù)合型材料[1]。納米多層膜是一種可控的一維周期結(jié)構(gòu)，這種周期結(jié)構(gòu)可以有效地調(diào)整膜中的位錯(cuò)、缺陷及其運(yùn)動(dòng)，當(dāng)周期尺寸與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由程相近時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)就會(huì)被2 種物質(zhì)界面之間的應(yīng)力所阻礙，從而獲得高硬度、高模量等性能[2，3]。

AlCrSiN 涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能和抗高溫氧化性能，但其耐磨性能較差。在涂層中引入過渡金屬M(fèi)o元素，可形成自潤滑涂層，減小涂層的摩擦系數(shù)，提升耐磨性能。Qi 等[4]、Fu 等[5]等分別制備了Cr-Mo-N、CrMoSiCN 涂層，并系統(tǒng)地研究了涂層的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)Mo 元素的摻雜可以有效地改善涂層的抗磨損性能。Niranatlumpong 等[6]采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備了NiCrBSi-Mo 涂層，研究了Mo 含量對涂層摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)Mo 的存在可以起到潤滑減摩效果，但當(dāng)Mo 含量超過一定量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致涂層開裂與剝落。Yuan 等[7]發(fā)現(xiàn)在高M(jìn)o 含量下(40%～50%，原子分?jǐn)?shù))，MoSiCN 涂層中的C 原子會(huì)取代納米級(jí)結(jié)晶Mo2N 中的N 原子，形成Mo2N(C)固溶體相，涂層晶粒細(xì)化，涂層的摩擦和力學(xué)性能均可以得到改善。但調(diào)制比對多層膜性能的作用也不可忽視[8]。田甜等[9]研究了調(diào)制比對Cr/CrN/Cr/CrAlN 多層膜的結(jié)構(gòu)和性能，發(fā)現(xiàn)膜層表面質(zhì)量和生長取向與兩單膜層調(diào)制比有關(guān)，隨著Cr/CrN 比例的增加，膜層表面質(zhì)量越來越好。吳彥超等[10]制備了不同調(diào)制比的Cr/TiN 納米多層膜，所得膜層與基底結(jié)合良好，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。

針對干切削淬硬鋼時(shí)存在的易崩刃、磨損快、溫度高、刀具壽命短、加工效率低等難題，采用在AlCrSiN 涂層中添加Mo 元素形成具有自潤滑功能的多層結(jié)構(gòu)可以有效地提高切削刀具的使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良的綜合性能，從而大幅度提高機(jī)械加工效率[11]，但對于這類涂層刀具的研究卻鮮有報(bào)道。為此，本工作通過研究具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層表面質(zhì)量、調(diào)控組織結(jié)構(gòu)和切削性能，揭示了潤滑相在干切削淬硬鋼過程中多層復(fù)合涂層的強(qiáng)化、增韌、減摩和抗磨機(jī)理并進(jìn)行了切屑的形態(tài)顏色分析，為實(shí)現(xiàn)干切削淬硬鋼專用自潤滑刀具的可控制備提供了理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 涂層制備

本實(shí)驗(yàn)采用高功率脈沖磁控濺射及脈沖直流復(fù)合濺射技術(shù)制備了不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層。基體材料為拋光后的304 不銹鋼(30 mm×25 mm×1 mm)、硬質(zhì)合金片(25 mm×25 mm×5 mm)、單晶硅片(20.00 mm×3.00 mm×0.67 mm)和硬質(zhì)合金銑刀(D6×16×d6×L50×4T)。氣體選用純氬氣(Ar)和純氮?dú)?N2)。實(shí)驗(yàn)預(yù)處理，將基材在金相磨拋機(jī)上打磨至鏡面，并用脫脂劑、丙酮溶液、酒精、超純水浸泡后在超聲波清洗機(jī)中超聲清洗，高純氮?dú)飧稍锖娓珊髮⒒姆湃霠t內(nèi)樣品臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行機(jī)械泵、分子泵抽真空，室內(nèi)壓強(qiáng)保持在3.0×10-3Pa，加熱溫度達(dá)到400 ℃并保持穩(wěn)定。通入純Ar，進(jìn)行輝光清洗，調(diào)節(jié)脈沖偏壓至-800 V，占空比87%，開啟電弧Cr 靶，進(jìn)行轟擊清洗。通入Ar 與N2，開啟Cr 靶，調(diào)節(jié)偏壓至-150 V，沉積CrN 過渡層，以增大膜/基結(jié)合能力。沉積多層涂層工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 制備具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復(fù)合涂層工藝參數(shù)Table 1 Process parameters for preparation of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

1.2 性能測試

采用Hitachi Regulus8100 超高分辨率冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察多層膜的表面及截面形貌。利用D8-Advance X 射線衍射儀分析涂層的物相組成、晶粒尺寸，電壓40 kV，電流40 mA，步長0.02°，測試速度0.01 s/step，入射線波長為0.154 18 nm。采用EDAX 公司Octane Elect EDS 系統(tǒng)Octane Elect Super-70 mm2分析涂層中的元素成分。采用Anton Paar TTX-NHT-3 型納米壓痕儀測試多層涂層的硬度和彈性模量，壓頭壓入深度不超過涂層厚度的1/10，并在樣品可觀測視場中選取6 個(gè)位置，求取平均值減小誤差。采用Anton Paar RST-3 型劃痕測試儀，設(shè)置劃痕長度為4 mm，劃痕速度為8 mm/min，勻速從0 N 至120 N 增加法向載荷，記錄臨界載荷(Lc2)。采用球盤式高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下測量多層涂層的摩擦系數(shù)，對摩副為φ＝6 mm 的Al2O3球，線速度為0.1 m/s，施加法向載荷4 N，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為4 000 圈，旋轉(zhuǎn)半徑為6 mm。利用CONTOUR GT-K 白光干涉儀觀察摩擦實(shí)驗(yàn)后多層涂層的磨痕形貌。采用XH715D 立式加工中心測試無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層銑刀的切削性能。工件材料為淬火態(tài)C1045 中碳鋼，硬度為HRC 55±1。選用市售D6×16×D6×L50×4L四刃整體硬質(zhì)合金立銑刀，其材質(zhì)為K44UF，直徑為φ＝6 mm，螺旋角為40°，銑削方式為端銑。切削過程中切削用量如表2 所示，每間隔10 min 利用Fluke Tix640紅外熱像儀測量并記錄切削溫度。切削總時(shí)間為85 min，在切削時(shí)間為10，25，50，85 min 時(shí)取下刀具觀察刀具后刀面磨損寬度并收集切屑。將切屑制成金相試樣，選用硝酸(4%，體積分?jǐn)?shù)，下同)和無水乙醇(96%)混合溶液進(jìn)行腐蝕處理，再利用Axiovert 40 MAT 倒置萬能材料顯微鏡及掃描電鏡觀察切屑組織與形貌。使用VHX-1000 超景深顯微鏡對刀具后刀面磨損寬度、切屑截面宏觀磨損形貌進(jìn)行觀測，當(dāng)后刀面磨損寬度達(dá)到0.3 mm 或刀具出現(xiàn)崩刃即為失效。

表2 切削用量Table 2 Cutting parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分

圖1 為具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的化學(xué)成分。隨著調(diào)制比的不斷改變，N 元素含量(原子分?jǐn)?shù)，下同)先由29.50%減小到27.63%再增加至36.91%，隨后保持相對含量不變，這可能是隨著氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體的持續(xù)通入，在高溫環(huán)境下涂層中的Me-N金屬鍵容易發(fā)生斷裂，游離的N 元素由于質(zhì)量較輕，分子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致其沿晶界間的孔隙揮發(fā)，導(dǎo)致N 原子含量明顯降低。靶材表面由于受到劇烈的鈍化現(xiàn)象，降低了濺射效率，使多層涂層內(nèi)N 元素含量漸漸穩(wěn)定[12]。而由后文所示的硬度與彈性模量也隨之先增加后減小，與其趨勢變化一致，這與Rebholz 等[13]描述的非常吻合。Cr 元素和Mo 元素含量分別從24.59%和4.60%一直減小到19.36%和0.59%。Si 含量也隨著調(diào)制比的增大而增大，從6.08%升高到7.59%，這可能是由于與金屬離子得到了充分反應(yīng)。Al 含量增大，從35.23%升高到40.75%，導(dǎo)致組織容易出現(xiàn)非晶化，從而降低了硬度。

圖1 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復(fù)合涂層的化學(xué)成分Fig.1 Chemical composition of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

2.2 物相分析

圖2 為具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的XRD 譜。從圖中可以看出，AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復(fù)合涂層的相結(jié)構(gòu)主要由fcc-AlN 相、fcc-CrN相組成，這是構(gòu)成多層膜的基礎(chǔ)。第六副族元素Mo 氮化形成面心立方結(jié)構(gòu)的Mo2N 相在(200)晶面上擇優(yōu)生長，分布在多層復(fù)合涂層內(nèi)部[14]。隨著調(diào)制比減小，多層復(fù)合涂層中衍射峰強(qiáng)度變低、寬度變寬，由于涂層摻雜更多的Mo 元素使得晶粒更加細(xì)化，排列更加無序化[15]。根據(jù)謝樂(Scherrer)公式(1)半定量計(jì)算晶粒半徑，當(dāng)調(diào)制比為9 ∶1 時(shí)，AlN 和Mo2N 的晶粒半徑Ra 最大，分別為2.44 nm 和1.36 nm；當(dāng)調(diào)制比為3 ∶1 時(shí)，AlN 和Mo2N 的晶粒半徑最小，分別為1.31 nm 和1.04 nm。其中，λ為Cu 靶入射波長(λ＝0.140 5 nm)，B為半寬高，θ為衍射峰角度。

圖2 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復(fù)合涂層的XRD 譜Fig.2 XRD diffraction patterns of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayered coatings with different modulation ratios

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

圖3 為具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的表面形貌。由圖3 可見，所有多層膜表面均有顆粒聚集現(xiàn)象，當(dāng)調(diào)制比為5 ∶1 時(shí)，多層膜表面顆粒最多，這是由于離子鍍膜時(shí)，真空室內(nèi)真空度不高導(dǎo)致存在多余的氧雜質(zhì)，靶材異常放電而使得靶材瞬間電流增大，導(dǎo)致局部噴發(fā)出金屬顆粒，在高溫電場中與離子發(fā)生碰撞，碰撞后的金屬顆粒分裂，尺寸減小，從而沉積到基材表面。小顆粒在開始鍍膜時(shí)易被埋入到涂層內(nèi)部，較大的顆粒易沉積在涂層表面，這些大小不一的顆粒不僅會(huì)影響涂層的光澤，還可能導(dǎo)致多層涂層的總體性能下降[16，17]，如圖3c ～3e。同時(shí)，沉積多層涂層時(shí)通入大量的氮?dú)?，附著于靶材和基材周圍，在高溫電場作用下不斷產(chǎn)生氮化物，使得靶表面逐漸鈍化，濺射離子的散射能和自由能不斷減小，造成多層膜表面的顆粒不斷減小，這一觀點(diǎn)與Bujak 等[18]闡述的一致。但由于氮?dú)饬髁康拇罅吭黾樱沟媒Y(jié)晶程度升高，離子的吸附能力減弱，沉積后失去了擴(kuò)散能力，晶體的形核速率降低，多層涂層的晶粒尺寸增大，使得涂層表面缺陷增多[19]。另外，多層涂層表面呈網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)生長，由于Mo 元素固溶于(Al，Cr)N 晶粒間隙中，形成非晶包裹納米晶的復(fù)合結(jié)構(gòu)，Mo 元素的添加使涂層發(fā)生了固溶強(qiáng)化，改善了多層膜的表面致密度。

圖3 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的表面形貌Fig.3 Surface morphology of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

圖4 為不同調(diào)制比下制備AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的截面形貌。從圖中可以看出，多層復(fù)合涂層層狀結(jié)構(gòu)明顯，整體呈無柱狀晶的玻璃狀結(jié)構(gòu)，阻礙了柱狀晶生長，擁有更細(xì)的晶粒，結(jié)構(gòu)更為致密[20]，并且多層結(jié)構(gòu)會(huì)改變單層涂層的原始生長機(jī)理。由于Mo 元素的添加使得柱狀晶粒得到細(xì)化，并且較大的靶濺射電流使得入射粒子具有較高的能量，導(dǎo)致沉積粒子在多層涂層內(nèi)得到了充分?jǐn)U散。結(jié)合XRD 譜可知，隨著調(diào)制比的不斷改變，多層復(fù)合涂層均在(111)和(200)晶面上擇優(yōu)取向，多層涂層的沉積速率得到有效提高，表面的顆粒逐漸減少，極大地促進(jìn)了晶粒細(xì)化。

圖4 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的截面形貌Fig.4 Cross-sectional morphology of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

2.4 多層膜性能

涂層的硬度與晶粒尺寸滿足Hall-Petch 關(guān)系[21]，晶粒尺寸降低會(huì)使晶界面積增大，從而有效阻止位錯(cuò)和晶間滑移，大大提高涂層的硬度。如圖5 所示為不同調(diào)制比下制備的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的硬度和彈性模量。從圖中可以看出，當(dāng)調(diào)制周期固定且總厚度基本相同的情況下，隨著調(diào)制比的不斷增大，多層涂層的硬度和彈性模量的變化趨勢大致相同，即先增大后減小。當(dāng)調(diào)制比為1 ∶ 1 時(shí)，AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復(fù)合涂層的硬度為21.5 GPa，彈性模量為292.9 GPa。當(dāng)調(diào)制比為3 ∶1 時(shí)，多層膜的硬度和彈性模量達(dá)到最大，分別是25.7 GPa 和327.4 GPa，這是由于在制備多層膜時(shí)，通入適當(dāng)?shù)牡獨(dú)馐沟梅磻?yīng)更加充分，大顆粒明顯減少，晶粒更加細(xì)化，多層涂層結(jié)構(gòu)更加致密，顯著減少了內(nèi)部孔洞、裂紋等缺陷，有效地阻止位錯(cuò)擴(kuò)展，從而提高了多層涂層的硬度[22]。

圖5 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的硬度和彈性模量Fig.5 The hardness and elastic modulus of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

特征值H/E、H3/E*2分別代表著薄膜的彈性變形恢復(fù)能力和抗塑性變形能力，數(shù)值越大，涂層的表征性能越好。Leyland 等[23]研究討論了具有高硬度和低彈性模量的多層復(fù)合涂層的概念，認(rèn)為H/E可以表現(xiàn)出涂層更高的韌性。Chang 等[24]的研究表明特征值H3/E*2是涂層抗塑性變形的重要指標(biāo)，證明了涂層的耐磨性不僅取決于摩擦系數(shù)，更依賴于H3/E*2值。如圖6 所示，在調(diào)制比為7 ∶1 ～9 ∶1 時(shí)，H/E、H3/E*2呈現(xiàn)相反趨勢。而多層復(fù)合涂層在調(diào)制比為1 ∶1 ～5 ∶1時(shí)，特征值H/E、H3/E*2變化趨勢一致，且在3 ∶1 時(shí)達(dá)到了最大，分別為0.079 和0.13 GPa，此時(shí)AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復(fù)合涂層的力學(xué)性能和耐磨性可能達(dá)到最優(yōu)。

圖6 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的H/E、H3/E*2Fig.6 H/E、H3/E*2of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

劃痕法能對涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行定量分析，結(jié)合聲信號(hào)、摩擦力信號(hào)及劃痕形貌能夠確定涂層的結(jié)合強(qiáng)度，并能夠有效分析各個(gè)失效事件，研究涂層的破損機(jī)理[25]。不同調(diào)制比下制備的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的臨界載荷和劃痕形貌如圖7 和圖8。

圖7 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的臨界載荷Fig.7 Critical load of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

圖8 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的劃痕形貌Fig.8 Scratch morphology of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

隨著調(diào)制比的改變，多層膜的臨界載荷整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)調(diào)制比為3 ∶1 時(shí)，多層涂層的臨界載荷達(dá)到最大為79.6 N，這是由于沉積粒子獲得了更大的遷移能量，使涂層在基體上的附著能力變強(qiáng)，離子動(dòng)能增大，吸附能力增強(qiáng)，結(jié)合強(qiáng)度增大。高的基體溫度能夠促進(jìn)吸附原子移動(dòng)到一個(gè)低的勢能阱位置，提高了基體與涂層的結(jié)合力[26]。沉積多層涂層時(shí)，基體溫度為400 ℃，可以促進(jìn)涂層與基材表面間的擴(kuò)散作用，增加了粒子的活性，提高了納米多層復(fù)合涂層的結(jié)合力。從圖3 也可以看出，多層涂層的表面結(jié)構(gòu)致密，這也有利于提高多層復(fù)合涂層的結(jié)合力。

2.5 摩擦學(xué)性能

圖9 和圖10 分別為具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損率。

圖9 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)Fig.9 Friction coefficient of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

圖10 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的磨損率Fig.10 Wear rate of AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer composite coatings with different modulation ratios

圖中可以看出，隨著調(diào)制比的增加，摩擦系數(shù)先減小后增加，當(dāng)調(diào)制比為3 ∶1 時(shí)摩擦系數(shù)最低約為0.45，可能是由于Mo 含量的增加在多層膜與對摩副的摩擦界面生成了大量的MoO3潤滑相[27]，有效減少了界面摩擦，也增強(qiáng)了多層復(fù)合涂層的耐磨性能。這也可能和較高的H/E*值和彈性恢復(fù)值增強(qiáng)了多層復(fù)合涂層的韌性，提高了抗裂紋擴(kuò)展能力有關(guān)[28]。由于AlCrSiN/AlCrMoSiN 涂層是多層結(jié)構(gòu)，較軟的AlCrMoSiN 層磨破后氧化形成的Al2O3、MoO3小顆粒附著在AlCrSiN 層上，且AlCrSiN 涂層硬度較高，起到支撐的作用。在摩擦磨損循環(huán)周期內(nèi)，對應(yīng)的多層膜的微動(dòng)[29]摩擦系數(shù)較小，隨著微動(dòng)循環(huán)的進(jìn)行，以消耗對摩副與多層膜之間的第三體為主，多層膜的表面損傷相對較輕，具備了較好的潤滑減磨性能[30]。

圖11 為具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的三維磨痕形貌。多層膜表面磨痕形貌均出現(xiàn)了不同程度的“犁溝現(xiàn)象”，這是由于在摩擦過程中大顆粒脫落后混入摩擦副接觸面之間，被破碎成小顆粒磨料，在后續(xù)摩擦中充當(dāng)推擠或切削作用[31]。當(dāng)調(diào)制比為3 ∶1 時(shí)，多層涂層與對摩副對摩的接觸區(qū)域邊緣存在較少的磨屑，磨斑尺寸較小，磨損程度較淺，磨損率最低為0.735×10-6mm3/(N·m)，摩擦系數(shù)較低，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐磨性能，這可能和多層涂層本身的抗磨特性好有關(guān)，多層涂層的完整性較好。另外，Mo 摻雜于AlCrSiN 形成的納米多層結(jié)構(gòu)，在摩擦過程中發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成了MoO3潤滑薄層，起到了固態(tài)潤滑劑的作用[32]，使涂層耐磨性能顯著提升。

圖11 具有不同調(diào)制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層的磨痕形貌Fig.11 Wear scar of the AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayered coatings with different modulation ratios

2.6 切削性能

圖12 為無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層銑刀切削10 min 及達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的磨損形貌。由圖12 可以看出，3 種銑刀在切削過程早期，磨損程度表現(xiàn)不同，但主要的磨損形式均表現(xiàn)為均勻、正常的后刀面磨損，這也符合ISO 刀具壽命試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，即VBB＝0.3 mm[33]。在切削10 min 時(shí)，不同涂層刀具的磨損寬度分別為0.28，0.21，0.16 mm。雖然3 種刀具的側(cè)刃都保持較為完整，但無涂層刀具底刃已出現(xiàn)了輕微磨損的情況。在連續(xù)高速干式切削25 min 后，無涂層刀具后刀面磨損帶呈現(xiàn)出多條清晰的條狀溝痕。溝痕的產(chǎn)生是由于工件材料中的大顆粒受到切削壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的共同作用，跟隨切屑進(jìn)入切削區(qū)域，從而劃傷后刀面，加劇了底刃的磨損，產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨粒磨損，降低了刀具的使用壽命[34]。

圖12 無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀和AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層銑刀切削10 min 及達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的磨損形貌Fig.12 Wear morphologies of the uncoatel tool，AlCrSiN coated tool and AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer coated tool after 10 minutes of continuous cutting and tool fuilure morphologies of uncoated tool (cutting 25 min)，AlCrSiN coated tool(cutting 50 min)，AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer coated tool (cutting 85 min)

當(dāng)高速干切削25 min 后，無涂層刀具上的條狀溝痕持續(xù)擴(kuò)展，并伴有較大噪聲，磨損帶寬度為0.36 mm，無涂層刀具失效。切削同一時(shí)間的AlCrSiN 涂層刀具未出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，但也存在條狀溝痕，表明涂層刀具也發(fā)生了磨粒磨損。連續(xù)切削50 min 后，AlCrSiN 涂層刀具出現(xiàn)崩刃，側(cè)刃表面存在著附著物，這些附著物可能是工件、涂層、刀具在高溫下相互擴(kuò)散而產(chǎn)生的氧化物，這表明涂層刀具發(fā)生了黏著磨損。另外，涂層刀具后刀面呈現(xiàn)淡黃色，這可能是在高溫條件下刀具發(fā)生了氧化磨損。Nouari 等[35]研究發(fā)現(xiàn)，元素?cái)U(kuò)散過程是涂層分層的主要原因，容易造成涂層失效。而AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復(fù)合涂層刀具連續(xù)切削25 min后磨損較輕微，磨損寬度僅為0.203 mm，這是由于Mo元素固溶于(Al，Cr)N 晶粒間隙中，形成非晶包裹納米晶的復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高了涂層的硬度和耐磨性。切削50 min 時(shí)，多層涂層刀具磨損帶寬度為0.28 mm，元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象得到了明顯改善。繼續(xù)切削至85 min 后，多層涂層銑刀磨損帶寬度為0.34 mm，已超過磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，刀具已進(jìn)入了急劇磨損階段，積聚的熱疲勞使刀具產(chǎn)生裂紋，加速涂層材料剝落[36]。AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層內(nèi)部的多層結(jié)構(gòu)使涂層缺陷大大減小，提高了致密性，AlCrSiN 和AlCrMoSiN 材料交替生長，形成的多層界面可以有效的打斷各自的柱狀生長方式，且AlCrMoSiN 具有良好的抗摩擦磨損能力，可以有效地降低刀具與工件產(chǎn)生的切削熱，大大地延長刀具的使用壽命。另外，AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層刀具展現(xiàn)出了更好的切削性能[37]，在同一磨損寬度時(shí)，多層涂層刀具比切削時(shí)間無涂層刀具延長約3.2 倍，比AlCrSiN涂層刀具延長約1.2 倍，如圖13 所示。

圖13 無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀、AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復(fù)合涂層銑刀磨損寬度隨時(shí)間的變化曲線Fig.13 Curves of wear width of uncoated tool、AlCrSiN coated tool、AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer coated tool with time

圖14 為無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層刀具的切削溫度隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，3 種刀具的溫度在切削加工時(shí)都呈現(xiàn)開始急劇增加逐漸緩慢線性增加的趨勢。這是由于被加工材料的硬度較高，快速達(dá)到了劇烈磨損時(shí)期，持續(xù)的干切削會(huì)產(chǎn)生的大量切削熱。隨著切削時(shí)間的增長，AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層銑刀的切削溫度相比于其他2 種銑刀上升較為緩慢，這說明加工已經(jīng)進(jìn)入到穩(wěn)定磨損階段，產(chǎn)生的熱量較少，在切削55 min 后切削溫度再次急劇上升，多層涂層刀具最終失效。在切削10 min 時(shí)，無涂層刀具切削溫度急劇飆升至328.7 ℃，25 min 后失效狀態(tài)時(shí)的切削溫度為460.4 ℃，而AlCrSiN 涂層刀具失效的切削溫度為457.2℃，AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層銑刀的切削溫度則僅為411.7 ℃，有效地保護(hù)了刀具基體，避免了刀具基體的崩刃[38]，改善了刀具的摩擦磨損情況，使刀具與工件接觸的切削力降低，有效地延長了刀具的使用壽命。

圖14 無涂層銑刀、AlCrSiN 涂層銑刀、AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復(fù)合涂層銑刀切削溫度的變化Fig.14 Cutting temperature variation for the uncoated tool，AlCrSiN coated tool，AlCrSiN/AlCrMoSiN multilayer coated tool，respectively

圖15 分別為無涂層刀具、AlCrSiN 涂層刀具、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層刀具切削25 min 后的切屑形貌。從圖中可以看出，無涂層刀具連續(xù)切削25 min 后，產(chǎn)生深藍(lán)紫色切屑，此時(shí)切削溫度為460.4℃，切屑呈鋸齒狀，并伴有較小的分叉，在切削試驗(yàn)時(shí)觀察到刀具發(fā)生劇烈振動(dòng)并伴有噪聲。AlCrSiN 涂層刀具在高速銑削時(shí)產(chǎn)生的切屑主體的顏色為褐色，兩側(cè)為淺藍(lán)色，切削溫度為389.1 ℃，而淬火鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較低，變形能轉(zhuǎn)化的熱量都集中在主剪切區(qū)，切削時(shí)熱量來不及向外傳遞，在高速銑削時(shí)發(fā)生了絕熱剪切現(xiàn)象，由于強(qiáng)剪切作用，在主剪切區(qū)域的淬火鋼承載能力下降而導(dǎo)致呈楔狀移動(dòng)，前楔塊與現(xiàn)楔塊接觸面迅速減小，從而形成了鋸齒形切屑。AlCrSiN/AlCrMoSiN多層復(fù)合涂層刀具切削產(chǎn)生的切屑顏色為黃褐色，此時(shí)的切削溫度為201.5 ℃。由于在高速銑削時(shí)產(chǎn)生了大量的固體潤滑相，有效地降低了切削過程產(chǎn)生的切削熱，在潤滑相的冷卻作用下，切屑進(jìn)行了“淬火”，切屑顏色較淺，剪切區(qū)內(nèi)由形變帶轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)變帶，進(jìn)而增強(qiáng)了切屑的變形程度[39]。

圖15 無涂層刀具、AlCrSiN 涂層刀具、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層刀具切削25 min 后的切屑形貌Fig.15 Morphology of chips of uncoated tool，AlCrSiN coated tool，AlCrSiN/AlCrMoSiN multilager coated tool after cutting 25 min

圖16a 為AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層刀具所產(chǎn)生切屑的金相組織，圖中可觀察到明顯的“白亮帶”，這些“白亮帶”即為剪切帶，這是由于切屑的形成伴隨著較大切削力的作用，材料發(fā)生了脆性斷裂，同時(shí)產(chǎn)生了一定的塑性變形。由于腐蝕劑與變形材料的反應(yīng)速率不同，導(dǎo)致切屑集中變形的剪切帶區(qū)域與未塑性變形區(qū)域的顏色不同。選用鋸齒化程度Gs表示切屑的變形程度[40]，如式(2)所示，H為切屑的齒頂高度，h為齒根高度:

圖16 切屑的金相組織及鋸齒形切屑的微觀形態(tài)Fig.16 Metallographic structure of chip and measurement of serrated chips

利用SEM 觀察3 種切屑的微觀形態(tài)，分別選取加工平穩(wěn)且鋸齒排列規(guī)律的位置(圖16b ～16d)，利用Digimizer 軟件測量各齒頂和齒根的高度。再根據(jù)公式(2)分別計(jì)算切屑的鋸齒化程度值Gs，取每種切屑中相鄰3 個(gè)鋸齒Gs的平均值，獲得無涂層刀具、AlCrSiN涂層刀具、AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層刀具所產(chǎn)生切屑的Gs值分別為0.29±0.03、0.34±0.03、0.36±0.03?？梢姸鄬訌?fù)合涂層刀具產(chǎn)生的切屑鋸齒化程度最高，易于自動(dòng)斷屑，更有利于切削的持續(xù)進(jìn)行。

3 結(jié) 論

(1)AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層在(111)、(200)晶面擇優(yōu)取向，層狀結(jié)構(gòu)明顯，柱狀晶粒得到細(xì)化。多層復(fù)合涂層的力學(xué)性能在調(diào)制比為3 ∶1 時(shí)表征良好，硬度達(dá)到最大為25.7 GPa，臨界載荷最大為79.6 N。多層復(fù)合涂層的磨損率最低為0.735×10-6mm3/(N·m)，摩擦系數(shù)最小為0.45。

(2)整個(gè)切削過程中，AlCrSiN/AlCrMoSiN 多層復(fù)合涂層刀具表現(xiàn)了更優(yōu)異的切削性能，其使用壽命比無涂層刀具延長了約3.2 倍，比AlCrSiN 涂層刀具延長約1.2 倍。

(3)無涂層刀具、AlCrSiN 涂層、AlCrSiN/AlCrMo-SiN 多層復(fù)合涂層刀具在同時(shí)切削25 min 后的切屑顏色越來越淺。切屑鋸齒化程度越高，切屑越接近于自動(dòng)斷屑，越利于加工工件。