延长工具寿命：高动态刚性的纳米复合涂层提升加工性能

《Surface and Coatings Technology》：Extending tool life: High-dynamic stiffness nanocomposite coating for improved machining performance

本研究采用双阴极R-HiPIMS系统在WC-Co衬底上制备了Cu:CuCN_x纳米复合涂层，通过优化层数与厚度比例（n/h=0.6）实现最大动态刚度（2.85±0.03 GPa），有效抑制切削刃高频振动（>7000 Hz），使刀具寿命提高50%-167%，表面粗糙度降低10%-15%。

　　

Md Masud-Ur Rashid | Robert Tomkowski | Andreas Archenti

瑞典皇家理工学院（KTH）生产工程、制造与计量系统系，Brinellv?gen 68，114 28 斯德哥尔摩

摘要

已有大量研究探讨了物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）涂层对切削工具（刀片）的影响、切削参数的优化，以及微量润滑在减少切削工具磨损和提高加工零件表面质量方面的应用。然而，由于切削力的随机性，目前仍缺乏关于通过抑制切削刃处的高频振动（微振动）来提升加工性能的综合性分析。本研究旨在通过在切削刃附近（位于切削刀片和垫片之间）应用高动态刚度的多层Cu:CuCN_x纳米复合涂层来应对这一挑战。本研究的主要目的是实验性地探讨Cu:CuCN_x涂层的微观结构对加工性能的影响。涂层的微观结构通过总涂层厚度及特定涂层厚度下Cu和CuCN_x层的总数来表征。加工性能的评价基于切削工具寿命和加工零件表面质量这两个标准。实验采用了SS2541-03合金钢（34CrNiMoS6）的纵向外圆切削加工，切削参数较粗糙，并在湿润条件下（使用切削液）进行。通过双阴极反应式高功率脉冲磁控溅射（R-HiPIMS）沉积系统合成了三种不同的Cu:CuCN_x涂层系列（A、B和C）。系列A的涂层沉积在钢盘基板上，用于研究在固定涂层厚度下Cu和CuCN_x层总数对涂层机械性能的影响。通过维氏显微压痕法研究了涂层的机械性能，并基于室温下的压痕蠕变测量评估了涂层的阻尼损失因子。分析结果表明，当Cu和CuCN_x层总数与涂层厚度的比值为0.6时，涂层的最大弹性模量、损失因子及损耗模量值达到最优。然而，硬度、H/E和H³/E²值随总层数的增加而增加。具有最佳机械性能的涂层显示出最高的损耗模量，为2.85 ± 0.03 GPa，这证实了Cu:CuCN_x纳米复合材料的高动态刚性。使用系列B和C涂层制备的垫片分别研究了Cu和CuCN_x层总数及总涂层厚度对加工性能的影响。与传统垫片相比，涂有200 μm Cu:CuCN_x涂层的垫片（样品C3）使切削工具寿命至少延长了50%，并使加工零件的表面粗糙度降低了15%。所有切削试验中，涂层垫片和相应的传统未涂层垫片的厚度保持不变。系列B涂层的机械性能实验值与预测值之间的最大误差小于10%。此外，对于含有150层Cu和CuCN_x相的200 μm Cu:CuCN_x涂层，涂层垫片（样品B3）使切削工具寿命至少延长了167%，加工零件的平均表面粗糙度降低了10%。切削试验中采集的振动信号分析表明，切削刃处的高频振动（>7000 Hz）显著影响了切削工具的寿命。应用200 μm Cu:CuCN_x涂层后，整个频率范围（0至30,000 Hz）内的均方根（RMS）振动能量降低了40%。通过材料和机械特性分析推测，该多层纳米复合涂层的主要能量耗散机制是Cu和CuCN_x层之间的界面摩擦能量损失以及CuCN_x层中晶界滑动的固有阻尼。

术语表

命名法

$E^{?}$$E^{\prime }$$E^{″}损耗模量（弹性模量的乘积）$

R-HiPIMS	反应式高功率脉冲磁控溅射系统
PECVD	等离子体增强化学气相沉积
CVD	化学气相沉积
PVD	物理气相沉积
PSD	功率谱密度。PSD是信号功率含量与频率的比值。
SEM	扫描电子显微镜
EDS	能量分散X射线光谱
XRD	X射线衍射
MMC	金属基复合材料
H	硬度
E	弹性模量
复合弹性模量
储存模量

Cu:CuCN_x多层纳米复合涂层的合成

本研究采用双阴极反应式高功率脉冲磁控溅射（R-HiPIMS）沉积工艺合成了六种不同的Cu:CuCN_x涂层样品（A1至A6），这些样品中Cu和CuCN_x层的数量各不相同。使用直径为25 mm的钢盘作为基底沉积多层Cu:CuCN_x涂层，这种涂层类型被标记为系列A，这些涂层样品用于实验性地研究Cu和CuCN_x层总数对...

材料与机械性能

根据表1中描述的沉积工艺，所有涂层样品的微观结构大致可分为三类：

• •
  仅含有碳氮化物掺杂的金属基复合材料层（如图4(a)中的样品A1所示）
• •
  金属和碳氮化物掺杂的金属基复合材料层均匀交替排列（如图4(b)中的样品B3所示）
• •
  金属和碳氮化物掺杂的金属基复合材料层非均匀交替排列

结论

本研究使用双阴极R-HiPIMS系统在硬质合金（WC-%6Co）垫片上沉积了一系列多层Cu:CuCN_x纳米复合涂层。涂层垫片的设计确保了涂层前后垫片的高度保持不变。通过纵向外圆切削试验实验性地研究了涂层总厚度及Cu和CuCN_x层总数对切削工具寿命的影响

CRediT作者贡献声明

Md Masud-Ur Rashid：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。 Robert Tomkowski：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、方法论设计、数据分析、概念构建。 Andreas Archenti：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金筹集、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Mihai Nicolescu在研究讨论中的宝贵贡献，以及Plasmatrix Materials AB提供的HiPIMS沉积设备。