雙色涂層硬質合金刀片制備工藝試驗

■ 株洲華銳精密工具股份有限公司 （湖南株洲 412007） 劉安虎 劉 娟 胡美艷 黃 金 楊 雄

硬質合金涂層刀片已是機加工領域的主流刀具，化學氣相沉積（CVD）涂層技術在車削領域有更加廣泛的應用，因為它可以提供厚度達25μm的涂層。為了進一步提升CVD涂層的切削性能，對其進行涂后處理是一種可靠的方法。據有關資料顯示，通過不同的后處理方法，可以降低CVD涂層的表面粗糙度，改善其應力狀態和熱裂紋狀態，從而顯著提升其加工壽命。濕噴砂處理是涂后處理中一種常見的、有效的處理方法，Bouzakis等人的研究表明，合適的濕噴砂工藝參數可以增強PVD涂層的硬度，改善表面質量；Zhong等人通過毛刷光整、拋光及濕噴砂等不同涂后處理方法對CVD涂層進行處理，發現濕噴砂+拋光的產品具有更出色的加工性能；Liu等人通過試驗表明對CVD涂層進行濕噴砂處理，可以顯著降低表面粗糙度，提高抗磨損能力。

雙色涂層刀片是市場上常見的CVD涂后處理產品，其后刀面的黃色作為加工時的磨損辨識色，前刀面則是經過涂后處理將其表層TiN去除得到的。現有資料都是針對涂后處理的試驗研究，還未發現相關批量生產的工藝研究文獻，因此，本文要尋找一種可以批量生產此類產品的生產工藝，并且生產出的產品符合現有涂層工藝標準。

相關文獻顯示，濕噴砂工藝中的空氣壓力、磨料砂粒的大小和砂漿壓力等對涂后處理的效果影響最為顯著，因此本文結合特定濕噴砂設備開展試驗研究，以找出合適的工藝參數，達到所需的產品要求。

1. 試驗條件及方法

（1）試驗條件 本文的試驗對象是株洲華銳精密工具股份有限公司生產的WS8125牌號產品，其涂層結構為TiN-Al2O3-TiCNTiN多層復合涂層（見圖1）。

圖1 標準涂層試樣

本試驗選用的噴砂設備是東莞市叁益機械科技有限公司生產的半自動型液體噴砂機，型號為SY-WF-4W，該機工作原理是利用壓縮空氣在噴槍內高速流動產生的負壓引射作用，將砂水混合磨料（噴砂介質）通過噴砂管引入噴槍，隨氣流高速噴射到工件表面，實現加工要求。該機配備一套共4支專用噴砂槍管，采用西門子觸摸面板，工藝參數可調可控，操作方便，可滿足80～500目氧化鋁、工業玻璃微珠的使用。

（2）試驗方法 砂粒大小、壓縮空氣的壓力、砂漿濃度及砂泵頻率等參數是此次試驗設備（濕噴設備SY-WF-4W）的主要基礎工藝參數，在正常的生產加工中，為了保證工藝的穩定性，這幾個工藝參數一般固定不變，因此研究這幾個參數對加工效果的影響就顯得尤為重要。本試驗將采用單因素試驗法，通過改變砂粒規格、氣壓、砂泵頻率及砂漿濃度等參數來分析其對工藝指標的影響，從而確定相對可靠的工藝參數。試驗時采用的產品是同一生產批次的產品，以便于保持統一的工藝指標，成品樣品如圖2所示。

圖2 雙色CVD涂層刀片樣品

（3）試驗標準 由于本試驗是將涂層產品前刀面的TiN去除，露出內部的Al2O3，但保留周邊黃色涂層，因此本試驗的工藝指標有三條，其一，產品處理后，不能出現涂層剝落以至看到基體，且Al2O3厚度在3.5～4.5μm范圍內均認為是合格的（同一爐產品，其涂層厚度有波動）；其二，以去除產品前刀面金黃色涂層所需的最少噴砂次數作為統計的噴砂次數；其三，考慮到工藝的可操作性和生產效率，噴砂次數在5～8次是合適的工藝參數。

表1 不同砂粒大小試驗結果

圖3 不同砂粒大小處理后的金相照片

圖4 不同砂粒大小處理后的表面狀況

2. 試驗結果及分析

（1）砂粒大小對工藝指標的影響 砂粒大小是指噴砂機工作磨料的大小，它顯著影響涂層產品的表面粗糙度、去除效率、表面硬度及殘余應力等。根據行業內工藝要求，常選用兩種規格的砂粒直徑，即220目和400目，其中220目經常用于刃口處理，400目經常用于表面處理。本試驗的砂粒選擇220目和400目兩種規格，壓縮空氣氣壓為0.35MPa，砂漿濃度為18%，砂泵變頻為35Hz，試驗結果見表1。

從試驗結果可以看出，在其他工藝條件相同的條件下，1#樣品加工7次、2#樣品加工5次均可以保證處理后的產品Al2O3厚度符合規定的工藝標準（見圖3）；但2#樣品刃口出現點狀剝落和龜裂，而1#樣品沒有（見圖4）。結果表明，220目砂子比400目砂子的去除能力更強，即加工效率更高，但是220目砂子易造成涂層的點狀剝落而導致產品不符合試驗標準。因此，400目的砂粒相對于220目的砂粒更適合本試驗的雙色涂層后處理。

（2）壓縮空氣的氣壓對工藝指標的影響 壓縮空氣的氣壓影響噴槍中砂粒的噴出量和噴出速度，是影響噴砂機效率的另一個關鍵因素。為了驗證氣壓對此工藝的影響，本試驗選取0.20MPa、0.35MPa和0.50MPa的氣壓作為變量，400目的砂粒大小、18%的砂漿濃度和35Hz的砂泵變頻為固定量，分別對產品進行加工，試驗結果見表2。

結果表明，在其他工藝條件相同的條件下，3#、4#和5#樣品的Al2O3厚度均符合規定的工藝標準（見圖5）；噴砂次數隨著氣壓的增大而減少。通過理論和試驗相結合的方式得出射流壓力是影響材料去除率最顯著的工藝參數，去除率會隨著射流壓力的增加而升高，本文試驗結果與其分析和試驗結果相一致。但是，3#樣品和5#樣品的噴砂次數不是過大就是過小，明顯不符合本試驗的標準；而4#樣品完全滿足本試驗的標準。因此，根據本試驗的標準可以知道，在400目的砂粒大小、18%的砂漿濃度和35Hz的砂泵變頻前提下，0.35MPa左右的壓縮空氣氣壓是一個相對比較好的工藝參數。觀點，在其他工藝參數不變的情況下，隨著磨料流量（與本文的料漿壓力一個概念）的增大，其去除率會隨之升高，但磨料流量達到一定值時，磨料流量的增大會使單個磨料粒子獲得的動能減少，從而影響其去除率。根據本試驗的標準可知，6#樣品和7#樣品均滿足試驗要求，考慮到6次噴砂次數更加符合試驗標準，因此，在400目砂粒大小、18%的砂漿濃度和0.35MPa的壓縮空氣壓力的前提下，35Hz的砂泵頻率是

圖5 不同氣壓處理后的金相照片

圖6 不同砂泵頻率處理后的金相照片

表2 不同氣壓的試驗結果

表3 不同砂泵頻率的試驗結果

（3）砂泵頻率對工藝指標的影響 砂泵頻率主要影響砂漿的輸送能力和料漿倉中砂漿的均勻度。根據設備說明書可知，在設備正常工作狀態下，砂泵頻率（本試驗設備砂泵頻率范圍為0～50Hz）主要影響砂漿的壓力，且呈現正相關的關系。本試驗選取25Hz、35Hz和45Hz的頻率作為變量，400目的砂粒大小、18%的砂漿濃度和0.35MPa的壓縮空氣壓力為固定量，分別對產品進行加工，試驗結果見表3。

結果表明，在其他工藝條件相同的條件下，6#、7#和8#樣品的Al2O3厚度均符合規定的工藝標準（見圖6）；6#樣品和7#樣品的噴砂次數差異不大，而8#樣品的噴砂次數顯著增大。這說明在其他工藝條件不變的前提下，砂泵頻率增加到一定程度會顯著地增加噴砂次數，但是在砂漿壓力一定的范圍內，其材料去除率波動很小，相對比較穩定。通過理論推導和試驗驗證也證實了同樣的一個相對比較好的工藝參數。

（4）砂漿濃度對工藝指標的影響 砂漿濃度指噴砂機中砂漿的水、砂比例。考慮砂漿濃度的均勻性和攪拌泵的工作安全性，廠家建議砂漿濃度≤25%。因此本試驗選取13%、18%和23%的砂漿濃度作為變量，400目的砂粒大小、0.35MPa的壓縮空氣壓力和35Hz的砂泵變頻為固定量，分別對產品進行加工，其試驗結果見表4。

結果表明，在其他工藝條件相同的條件下，9#、10#和11#樣品的Al2O3厚度均符合規定的工藝標準（見圖7）；噴砂次數隨著砂漿濃度的增加而增加，但是變動很小。這說明在其他工藝條件不變的前提下，砂漿濃度在廠家指導的濃度以下時，砂漿濃度的變化對噴砂次數的影響很小，即砂漿濃度的變化對材料去除率的影響不大。根據本試驗的標準可知，10#樣品和11#樣品均滿足試驗要求，考慮到7次噴砂次數更加符合試驗標準，因此，在400目的砂粒大小、0.35MPa的壓縮空氣壓力和35Hz的砂泵變頻的前提下，23%的砂漿濃度是一個相對比較好的工藝參數。

圖7 不同砂漿濃度處理后的金相照片

圖8 后刀面磨損情況

表4 不同砂漿濃度的試驗結果

表5 加工條件

表6 雙色涂層和未處理產品的試刀結果

（5）結果 根據試驗結果，我們認為400目砂粒規格、0.35MPa氣壓、23%的砂漿濃度和35Hz的砂泵頻率是相對合適的濕噴砂工藝參數，并根據此工藝參數生產了一批產品進行試切驗證。

選取株洲華銳生產的WS8125/WNMG080408-MT（雙色）和HR81512/WNMG080408-MT（未處理）作為試驗對象，在湖北襄陽某廠進行加工性能測試，加工條件及加工結果見表5和表6。

試切結果顯示，經過雙色處理的產品，在加工110件工件時，其后刀面磨損值為0.16mm；而未做涂層后處理的產品在加工102件工件時，其后刀面磨損值已達到0.24mm。通過加工后刀片的磨損照片也可以看出，雙色刀片的后刀面磨損比未處理的更加均勻（見圖8）；未處理刀片的前刀面已出現月牙洼磨損，而雙色刀片前刀面相對完好（見圖9）。這說明經過涂層后處理的雙色產品不但不會降低產品的使用壽命，還可以提高其加工性能。

圖9 前刀面磨損情況

3. 結語

通過前面的論述，可以得出以下幾點結論。

1）采用濕噴砂處理工藝可以生產出市場中普遍存在的雙色CVD涂層刀片。

2）為了可靠地生產出合格的雙色CVD涂層刀片，400目砂粒規格、0.35MPa氣壓、23%的砂漿濃度和35Hz的砂泵頻率是相對合理的濕噴砂工藝參數。

3）由合理的濕噴砂工藝參數生產出的雙色CVD涂層刀片可以改善前、后刀面的磨損狀況，提高其切削性能。