刀具涂层可通过提高刀具表面硬度和隔绝切削热向刀具内部的传导来提高刀具的使用寿命。切削加工镍基高温合金的常用涂层包括TiAlN、AlTiN、CrAlN和AlCrN等，其中，AlTiN和AlCrN涂层中Al含量高于50%，故抗氧化性和硬度较TiAlN和CrAlN涂层高，摩擦系数较大，低转速下粘结磨损严重。通过向AlTiN涂层中加入Cr元素，即形成AlTiCrN涂层，可以提高涂层的高温硬度和抗氧化性，因为Cr可以提高h-AlN在c-AlxTi1-xN中的溶解度，并可减少高温状态下h-AlN相的产生。Polcar T.等对TiAlCrN涂层的高温摩擦磨损性能进行了研究，研究发现随着温度从20℃升高到500℃，涂层的耐磨性不断下降;当温度升高至600℃时，涂层的耐磨性急剧上升;当温度继续上升时，涂层的耐磨性下降。Alberdi A.等对TiAlCrN涂层的高温摩擦磨损性能测试后得出了相同的结论，而且发现TiAlCrN涂层的高温耐磨性比传统TiAlN涂层高出若干倍。故AlTiCrN涂层的高耐磨性仅可在切削温度约600℃时显现出来，切削温度过低和切削温度过高都可降低其耐磨性。B8W2-3型管螺纹车刀精齿的工作条件存在切削深度和切削温度低的特点，较低的切削温度不利于AlTiCrN涂层Al2O3相的形成，极易形成粘结磨损和磨粒磨损。因此，本研究拟通过将DLC涂层沉积在AlTiCrN涂层表面，将DLC涂层作为减摩层，降低低温下涂层刀具的粘结磨损和磨粒磨损，通过摩擦磨损试验和对Inconel 718高温合金的切削试验研究DLC减摩层的减摩规律及行为。
1 试验过程
(1)涂层的制备
AlTiCrN涂层由CemeCon公司生产的CC800®HIPIMS涂层设备制备，使用靶材包括AlTi靶和Cr靶。使用等离子增强化学气相沉积在AlTiCrN涂层表面制备DLC涂层。为了提高DLC涂层的结合力，在AlTiCrN涂层和DLC涂层间沉积有SiC过渡层。DLC涂层使用C2H2气体作为碳源，由射频电源提供等离子体。沉积过程包括：加热、刻蚀、沉积过渡层、沉积DLC涂层。加热温度为150℃，持续时间30min;刻蚀时，氩气流量300sccm，电压4000V，频率2000Hz，脉宽5μs，持续时间15min;沉积过渡层SiC时，C3H10Si流量25sccm，Ar流量100sccm，电压4000V，频率2000Hz，脉宽10μs，持续时间30min;沉积DLC涂层时，C2H2流量300sccm，H2流量900sccm，Ar流量100sccm，电压4000V，频率2000Hz，脉宽10μs，沉积时间120min。
(2)样品的性能及表征
涂层刀具膜基结合力的检测按照德国标准(VDI 3198)，使用洛氏硬度计金刚石压头，载荷60kg。摩擦系数由瑞士CSM公司TRN型摩擦磨损试验机测定，使用往复摩擦的模式，摩擦副为φ6的Si3N4材料小球，摩擦频率1.5Hz，时间5000s，行程4mm。在重庆第二机床厂生产的C2-3250K数控车床进行试验。工件材料使用Inconel 718，硬度约为450HV0.02 ，密度约为8470kg/m3，主要化学成分见表1。
表1 Inconel 718的主要化学成分(wt.%)
为了方便研究，切削过程中只使用B8W2-3型管螺纹车刀的精齿进行车削试验，并研究和分析精齿在切削过程中的寿命和磨损情况，刀具外形见图1。试验采用干式车削方式，其中，刀具安装入刀杆后，其前角变为0°，后角变为6°，具体切削参数见表2。为了研究切削长度的变化对涂层刀具磨损情况的影响，涂层刀具的切削长度分别定为30m、60m、90m、120m，对每个切削长度进行3次切削试验，并计算刀具后刀面磨损量的平均值。使用扫描电镜(S300-N，Hitachi，Japan)观察涂层断口形貌、摩擦磨损形貌和涂层刀具前后刀面磨损形貌。
图1 B8W2-3型管螺纹车刀外形
2 试验结果与分析(1)涂层性能分析
图2为AlTiCrN-DLC涂层断口形貌。由图可知，AlTiCrN膜层厚度约为3.5μm;DLC膜层厚度约为2.5μm，且表现出典型的非晶态结构。膜基结合力对摩擦磨损试验及切削试验结果有一定的影响，因此，在进行相关试验前，对AlTiCrN涂层和AlTiCrN-DLC涂层分别进行了膜基结合力试验，涂层压痕形貌见图3。由图可知，AlTiCrN涂层压痕周围仅有部分微裂纹，AlTiCrN-DLC涂层压痕周围有部分脱落和裂纹，其结合力明显低于AlTiCrN涂层。根据压痕测试标准(VDI 3198)对照标准压痕等级示意图，AlTiCrN涂层和AlTiCrN-DLC涂层压痕等级分别为HF1和HF3，均达到了涂层使用标准。
图2 AlTiCrN-DLC涂层扫描电镜断口形貌
(a)AlTiCrN涂层 (b)AlTiCrNDLC涂层
图3 涂层压痕形貌
(2)涂层摩擦磨损性能分析
图4为AlTiCrN和AlTiCrN-DLC涂层的摩擦系数。由图可知，AlTiCrN涂层在室温干摩擦条件下对Si3N4材料小球的摩擦系数约为0.54，而AlTiCrN-DLC涂层在相同条件下的摩擦系数约为0.13，且AlTiCrN-DLC涂层具有更稳定的摩擦系数，说明此涂层并未表现出激烈的磨损状态。
结合涂层磨损形貌进行分析，如图5所示，AlTiCrN涂层已出现严重的剥落，并使刀具基体暴露在磨损环境下，同时样品出现严重的粘着磨损和犁沟。AlTiCrN-DLC涂层并未出现激烈的磨损状态，涂层仅出现小面积剥落，在高倍放大图片中仅可见部分犁沟。因此，虽然AlTiCrN-DLC涂层的膜基结合力低于AlTiCrN涂层，但其摩擦磨损特性有明显优势。
图4 涂层摩擦系数
(a)AlTiCrN涂层(b)AlTiCrN-DLC涂层
图5 涂层磨损形貌AlTiCrN
DLC涂层的高耐磨性和低摩擦系数与DLC减摩层的特性有关，由于DLC膜层属于亚稳态薄膜，随着摩擦过程中温度的升高，在克服能量势垒后，DLC膜层逐渐转化为稳定的石墨结构。
如图6所示，摩擦热诱导sp3杂化结构中的C-H键断裂，H减少引起sp3杂化结构向sp2杂化结构转变，转变形成的片状结构石墨在摩擦载荷下剥落，而作为摩擦副和样品之间的固体润滑剂继续工作;与此对应，AlTiCrN涂层在摩擦磨损过程中有大量硬质陶瓷颗粒剥落，这种陶瓷颗粒无明显减摩效果，但会加剧涂层的磨损。
(a)AlTiCrN涂层
(b)AlTiCrN-DLC涂层
图6 涂层磨损原理
(3)涂层刀具切削性能分析
AlTiCrN和AlTiCrN-DLC涂层刀具在切削速度50m/min条件下切削Inconel718时的后刀面磨损量见图7a。由图可知，切削长度0-60m范围内，DLC润滑层的作用明显。一方面，由于摩擦系数较低，降低了刀具与工件之间的摩擦系数，同时降低了刀具后刀面磨损;另一方面，DLC中的石墨相和切削过程中金刚石在高温下分解成的石墨相可作为刀具和工件之间的固体润滑剂，降低刀具磨损率。当切削长度为60-120m时，由于DLC膜层的膜基结合力低和热稳定性差的特点，刀具刃口处的DLC减摩层大量剥落脱离刃口和被大量消耗，这时AlTiCrN膜层开始工作，故两种涂层刀具的后刀面磨损量无明显差异。
图7b为切削速度100m/min条件下切削Inconel718时的后刀面磨损量。由图可知，当切削速度提高至100m/min时，涂层刀具的后刀面磨损量有明显的提高。同时，AlTiCrN和AlTiCrN-DLC涂层刀具后刀面磨损量的差异减小，说明提高切削速度后，减摩层对涂层刀具耐磨性的影响降低。这是因为当切削速度提高时，刀具刃口处的切削力和切削温度提高，使复合涂层最外层的减摩层磨损速度加快。
(a)vc=50m/min
(b)vc=100m/min
图7 涂层刀具后刀面磨损量
当温度达到400℃时，DLC涂层刀具表现为金刚石相的sp3键会转化为石墨相的sp2键，由于DLC膜层与AlTiCrN膜层之间的热膨胀系数差异较大，两膜层之间也会存在产生内应力和热裂纹的可能，导致DLC膜层开裂和脱落。
为了探究AlTiCrN和AlTiCrN-DLC涂层刀具的磨损机理，对切削速度50m/min条件下，切削长度分别为30m和60m时涂层刀具的后刀面磨损形貌进行了分析，如图8和图9所示。
(a)AlTiCrN涂层后刀面(b)AlTiCrN涂层前刀面
(c)AlTiCrN-DLC涂层后刀面(d)AlTiCrN-DLC涂层前刀面
图8 涂层刀具磨损形貌 (切削速度50m/min，切削长度30m)
(a)AlTiCrN涂层后刀面(b)AlTiCrN涂层前刀面
(c)AlTiCrN-DLC涂层后刀面(d)AlTiCrN-DLC涂层前刀面
图9 涂层刀具磨损形貌 (切削速度50m/min，切削长度60m)
由图8可知，AlTiCrN和AlTiCrN-DLC涂层刀具均有明显的犁沟痕，这是典型的磨粒磨损特征。由于Inconel718铸件经过热处理后，晶间存在大量的高硬度、高熔点的碳化物，硬质碳化物在切削过程中导致刀具刃口产生磨粒磨损。此外，两种涂层刀具均出现不同程度的涂层脱落现象，这是由高温高压切削环境引起的涂层氧化脱落和应力脱落。
与AlTiCrN-DLC涂层刀具相比，AlTiCrN涂层刀具前后刀面粘结磨损较严重，并产生明显的积屑瘤。随着切削过程的进行，被加工材料在高温和高压下易与涂层刀具表面发生粘结现象，即形成积屑瘤。在粘结层不断粘结和脱落的过程中，粘结磨损便逐渐产生，DLC膜层可降低被加工材料与涂层刀具间的化学亲和性，因此可降低粘结磨损和积屑瘤的产生。此外，AlTiCrN涂层刀具在切削过程中出现微崩刃现象，而AlTiCrN-DLC涂层刀具并未出现该现象。
如图9所示，当切削长度为60m时，两种涂层刀具后刀面磨损量均增大，磨损方式均为磨粒磨损、粘结磨损和涂层脱落，但AlTiCrN涂层刀具有更加明显的积屑瘤和微崩刃现象。
小结
在B8W2-3型管螺纹车刀表面分别制备了AlTiCrN和AlTiCrN-DLC涂层，并对涂层膜层厚度、结合力、摩擦磨损特性以及切削行为进行了分析。
(1)AlTiCrN涂层和AlTiCrN-DLC涂层压痕等级分别为HF1和HF3，虽然均达到了刀具涂层的使用级别，但AlTiCrN-DLC涂层的膜基结合力明显低于AlTiCrN涂层，这与DLC膜层的非晶态结构有关。
(2)AlTiCrN涂层在室温干摩擦条件下对Si3N4材料小球的摩擦系数约为0.54，而AlTiCrN-DLC涂层在相同条件下的摩擦系数约为0.13，且AlTiCrN-DLC涂层具有更稳定的摩擦系数。
(3)DLC减摩层可降低涂层刀具切削过程中的粘结磨损、微崩刃和积屑瘤的产生。在切削速度为50m/min、切削距离为0-60m时，可降低涂层刀具后刀面磨损量。