利用快氩原子束表面处理延长整体陶瓷立铣刀服役寿命的研究

《Plasma》：Increasing the Service Life of Solid Ceramic End Mills by Treating Their Surfaces with Fast Argon Atoms

　　

商用整体陶瓷立铣刀以能够加工出高质量机加工表面并达到硬质合金刀具无法企及的切削速度而著称，但其平均无故障时间范围宽泛，表明其可靠性较低。主要原因是铣刀制造过程中金刚石磨削所产生的表面缺陷。本研究提出利用快氩原子束溅射去除缺陷层，该方法同时能显著锐化铣刀切削刃。对SiAlON陶瓷立铣刀进行组合处理，即去除5 μm厚表面层并随后沉积3 μm厚耐磨涂层，可显著降低刀具磨损，并使平均刀具寿命相比未处理铣刀提高1.7倍。

论文解读：利用快氩原子束表面处理延长整体陶瓷立铣刀服役寿命的研究

一、研究背景与问题

在复杂几何形状的陶瓷零件中，整体陶瓷立铣刀等陶瓷切削刀具尤为突出。工具陶瓷的物理力学性能使其能够以硬质合金刀具无法达到的高切削速度工作，因此陶瓷刀具能显著提高机加工生产率。此外，用陶瓷刀具加工的零件表面层质量显著更高，且由于陶瓷切削不需要使用有毒切削冷却液，有助于满足机加工技术的高环保要求。

然而，陶瓷部件具有宽泛的平均无故障时间范围，表明其可靠性较低。原因在于陶瓷材料固有的结构不均匀性，以及铣刀制造过程中金刚石磨削形成的缺陷。最终加工后，其表面层布满金刚石刃磨过程中形成的缺陷。金刚石磨削后的表面粗糙且不均匀，细小的划痕与单个金刚石颗粒形成的深沟交替出现。对于硬质合金刀具，沉积耐磨涂层后其寿命可提高三倍以上，但将耐磨涂层应用于陶瓷刀具并未产生显著效果，这是由于陶瓷表面存在缺陷层。

去除缺陷层的明显方案是机械抛光，但该方法依赖超过材料抗拉强度实现材料去除，同样会产生表面缺陷，只是空间尺度更小。化学酸溶液法可溶解缺陷层，但主要缺点是产生大量有毒废液且去除时间长。电化学溶解法更快且更环保，但陶瓷立铣刀是电介质，该方法不适用。激光束处理是一种更环保有效的方法，但激光去除后处理产品表面相当不均匀，原因之一是激光光斑直径小，逐点熔化和蒸发导致波浪状表面。表面缺陷可通过使用宽束加速离子或快中性原子溅射表面来避免。在整体陶瓷立铣刀中，ZrO₂和SiAlON陶瓷制成的刀具最为突出。本研究旨在探究快氩原子处理对SiAlON陶瓷立铣刀服役寿命的影响。

二、研究内容与结论

研究人员使用Kennametal公司生产的SiAlON整体陶瓷立铣刀（目录号EADE 1000A4AQH KYS40），标称切削部分直径10 mm，切削长度7.5 mm，标称排屑槽角40度，用于加工高温合金Inconel 718。研究首先测量刀具初始几何参数，初始平均径向切削刃半径11.4 μm，轴向切削刃半径13.6 μm。

研究搭建了用于处理陶瓷立铣刀的实验装置，该装置利用快氩原子去除铣刀表面缺陷层，随后在无缺陷表面施加耐磨涂层。装置由工作真空室和快原子束源组成。通过测量溅射钛靶的台阶高度，验证了快原子束通量密度在约25 mm束宽内相当均匀，足以处理在该束内旋转的切削直径为10 mm、切削长度为7.5 mm的立铣刀。研究比较了立铣刀在α=45°和α=90°两种旋转角度下的溅射效果，发现45°角时去除层厚度更均匀，因此后续研究采用45°角。

研究结论表明，溅射两小时后，轴向主刃面去除层厚度6.2 μm，径向主刃面去除层厚度5 μm，超过约4 μm的缺陷层厚度。溅射后轴向切削刃半径从R13.4 μm降至R7.0 μm，径向切削刃半径从R11.2 μm降至R6.2 μm。随后沉积约3 μm厚二硼化钛（TiB₂）耐磨涂层。性能测试在CTX beta 1250TC DMG五轴车铣加工中心上进行，切削速度377 m/min（转速12,000 rpm），进给速率1500 mm/min，每齿进给量0.03 mm/齿，干式加工。以刀齿后刀面临界磨损面积0.4 mm为失效判据。未处理铣刀在切削7 min时达到临界磨损，四个经组合处理的铣刀分别在11.6、11.9、12.1和12.4 min达到临界磨损，平均刀具寿命提高约1.7倍。

三、关键技术方法

研究人员使用了以下主要关键技术方法：利用具有凹面加速栅极的快原子束源产生聚焦快氩原子束，通过离子与气体原子的电荷交换碰撞形成快中性原子，实现表面缺陷层溅射去除；采用磁控溅射系统在去除缺陷层后的刀具表面沉积TiB₂耐磨涂层；使用MicroCAD Premium plus光学3D测量系统（GFMesstechnik GmbH）测量切削刃半径；使用Dektak XT触针式轮廓仪（Bruker Nano, Inc.）测量去除层厚度、涂层厚度和表面粗糙度；使用Hommel Tester T8000轮廓仪（HOMMEL ETAMIC）评估加工表面粗糙度；使用金相光学显微镜定量评估刀具磨损。

四、研究结果

快氩原子束溅射对切削刃半径的影响

使用2 keV氩原子束、通量密度20 mA/cm²溅射铣刀一小时，轴向切削刃半径从R13.6 μm降至R9.8 μm，径向切削刃半径从R11.4 μm降至R8.9 μm。溅射两小时后，轴向切削刃半径从R13.4 μm降至R7.0 μm，径向切削刃半径从R11.2 μm降至R6.4 μm。去除层厚度与处理时间成正比。

不同旋转角度下溅射均匀性比较

当铣刀绕与腔体轴线成α=90°的轴旋转时，溅射两小时后轴向主刃面去除层平均厚度仅1.3 μm，径向主刃面去除层厚度6.2 μm，均匀性较差。而α=45°时轴向和径向主刃面去除层厚度更接近，分别为6.2 μm和5 μm，因此后续研究采用α=45°。

组合处理对刀具寿命的影响

经去除5–6 μm厚缺陷层并沉积约3 μm厚TiB₂耐磨涂层的组合处理后，四个铣刀的寿命分别达到11.6、11.9、12.1和12.4 min，相比未处理铣刀的7 min，寿命提高1.66–1.77倍，平均约1.7倍。由于测试铣刀数量较少，这些结果可视为初步和描述性的。

组合处理对加工表面粗糙度的影响

使用未涂层陶瓷立铣刀切削时，加工工件表面微观粗糙度随切削时间单调增加。而经组合处理的陶瓷立铣刀在最初几分钟内粗糙度甚至有所下降，随后逐渐增加。这归因于刀齿后刀面磨损面积及其与工件实际接触面积随时间的增加。

涂层形貌与表面粗糙度变化

在金刚石刃磨形成的各种缺陷切削刃上沉积耐磨涂层，会形成具有明显缺陷的薄膜，如划痕、空洞和孔隙，且与陶瓷基体附着力差。经快氩原子处理后沉积耐磨涂层，表面形貌更均匀。溅射两小时使轴向主刃面粗糙度从Ra = 0.145 μm降至Ra = 0.109 μm，径向主刃面从Ra = 0.123 μm降至Ra = 0.097 μm。沉积3 μm厚涂层后粗糙度仅略微增加至轴向Ra = 0.118 μm和径向Ra = 0.105 μm。

五、讨论与结论

快氩原子处理显著减小了金刚石刃磨形成的切削刃圆角半径，后续施加耐磨涂层使微几何参数保持在未涂层刀具水平，这对精加工操作的工具至关重要。组合处理可获得切削刃半径更小的强化刀具，即锐化的陶瓷立铣刀。当铣刀绕与腔体轴线成45°角的轴旋转溅射时，整个轴向主刃面上去除层厚度均匀且与处理时间成正比。由于表面层去除，切削刃圆角半径减小值与轴向主刃面去除层厚度相当，与实验结果吻合良好。

研究结论如下：利用快氩原子束溅射整体陶瓷立铣刀可去除5–10 μm厚的缺陷表面层；去除表面层显著减小整体陶瓷立铣刀的切削刃圆角半径，使刀具能够在无金刚石刃磨典型表面缺陷的情况下被锐化；对SiAlON陶瓷立铣刀进行组合处理，即去除约5 μm厚表面层并施加约3 μm厚耐磨涂层，可显著降低刀具磨损，平均刀具寿命提高约1.7倍。