林业科学  2001, Vol. 37 Issue (2): 101-107   PDF    
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曹平祥, 华毓坤, 周之江.
Cao Pingxiang, Hua Yukun, Zhou Zhijiang.
金刚石涂层木工刀片磨损的研究
WEAR OF DIAMOND COATED IN THE CONTINUOUSLY MACHINING PARTICLEBOARD
林业科学, 2001, 37(2): 101-107.
Scientia Silvae Sinicae, 2001, 37(2): 101-107.

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收稿日期:1999-03-15

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曹平祥
华毓坤
周之江

金刚石涂层木工刀片磨损的研究
曹平祥, 华毓坤, 周之江     
南京林业大学 南京 210037
摘要: 本文主要研究刀具材料、试验环境对金刚石涂层刀片耐磨性的影响, 探讨刀片的耐磨性和耐腐蚀性。试验发现金刚石涂层提高了刀片耐磨性20%~ 45%, 金刚石薄膜均有不同程度的剥落, 限制了涂层刀片的耐磨性。试验表明屑末溶液和醋酸、盐酸混合溶液不腐蚀金刚石薄膜, 但腐蚀基体材料。金刚石薄膜磨耗机理是“磨损变形—裂纹—磨屑形成”。高速钢刀片以磨料磨损为主, 腐蚀磨损为辅。粘结剂(钴元素)丧失是硬质合金刀片磨损的根本原因, 一旦残余粘结力不足以抵抗磨擦所产生的剪切力, 碳化钨颗粒就会因疲劳而脱落。
关键词: 金刚石薄膜    刀具材料    磨损    碳化物    磨料磨损    腐蚀磨损    
WEAR OF DIAMOND COATED IN THE CONTINUOUSLY MACHINING PARTICLEBOARD
Cao Pingxiang, Hua Yukun, Zhou Zhijiang     
Nanjing Forestry University Nanjing 210037
Abstract: The study was to investigate the effects of tool materials and experimental surroundings on diamondcoated tool wear.It was expressed that diamond-coated tools decreased tool wear with 25 ~ 45 percent, but diamond membrane was to some extent peeled off, hindering diamond-coated tool from improving tool life with much higher extent.It was realized from the worn edge of tools that both chip solution and the mixed solution of hydrochloric acid and acetic acid did not corrode the diamond membrane, however etched the matrix composition.It might be convinced that the wear of diamond membrane resulted from "plastic deformation-crackle-particle peeling".The abrasive mechanism was mainly responsible for the tool wear of high speed steel in additional to the corrosion mechanism. The binder of cemented tungsten carbides was etched by chemical corrosion.In case the residual forces were not enough to hold the carbides, the carbides would disappear for abrading fatigue.
Key words: Diamond membrane    Tool materials    Wear    Carbides    Abrasion    Corrosive wear    

木工刀具的切削对象是木材及木质复合材料, 是多组分的、复杂的混合体。当刀具在切削时如同将刀具置于复杂的介质中, 既有造成刀具机械擦伤的硬质点, 即节子、树脂、石英砂和胶合材料, 又有引发刀具发生化学腐蚀的酸性介质, 如醋酸、单宁和多酚类化合物等, 还有促进刀具材料和工件材料相互作用的切削温度、切削力和环境状态。因而, 刀具切削木材、木质复合材料的过程, 对刀具而言, 实质是刀具与工件材料发生机械、热和化学腐蚀作用, 刀具前后面的金属材料不断消失的过程。由于刀具磨损变钝, 造成工件加工表面的材料被搓起、撕裂、挖切, 切削过程不得不中断。这增加换刀磨刀的次数和机床的启动频率, 降低了机床的使用效率。因此, 提高刀具抗磨性具有重要的实用价值。

金刚石是目前最硬的物质(HV ≈10000kgf/cm2), 具有耐磨性高、化学稳定性好和导热系数高等优点。其耐磨性是硬质合金的100 ~ 250倍, 但它的韧性很差。人造金刚石分为两种, 一种是高温高压下合成单晶(MCD)、聚晶金刚石(PCD), 另一种是气相沉积的金刚石薄膜。金刚石薄膜是在低真空状态下, 加热含有碳的反应气体(如烷类、酮类、醇类), 使之分解, 碳原子或甲基基团相互结合, 生成金刚石结构并抑制和刻蚀石墨等其他碳结构的生长, 在基体上析出纯净的多晶态的金刚石膜。

金刚石涂层刀具是把金刚石的高硬度和高抗磨性与传统刀具材料的高韧性和高抗冲击性结合起来, 既具备良好的冲击韧性, 又有极高的耐磨性和化学稳定性, 这将大大提高刀具的耐磨性和降低刀具的崩刃, 具有美好的实用前景。

本文主要研究刀具材料、试验环境对金刚石涂层刀片耐磨性的影响, 探讨刀片的耐磨性和耐腐蚀性。

1 试验 1.1 试验装置

试验装置如图 1所示, 由轨道、滑板、刀架、滑轮、试件和砝码等组成。轨道是滚珠V型轨道, 摩擦系数低。在砝码的作用下, 滑块向左移动, 刀片就与试件接触。因此, 刀片和试件之间的正压力取决于砝码的重量, 砝码重量不变, 则正压力就保持常数。调节砝码的重量, 就改变正压力的大小。

图 1 刀片磨损试验装置 Fig. 1 Apparatus of tool wear experiments

刀片磨损形貌和刃口磨损带宽度在FTP —X1型分析式铁谱仪上观察和测量, 精确到0.001mm, 最大放大倍数为1008倍。因刨花板表面密度较高, 芯层较低, 刀具沿刃口的磨损不一致, 故以刃口的磨损带宽度作为衡量刀具磨损的刃口参数。

1.2 试验安排

本部分试验采用正交表试验L9(2 ×33)安排试验。考察的因素包括涂层、刀具材料和试验环境。由于涂层因素只有涂层和不涂层2个水平, 因而采用拟水平法将涂层因素添足为3个水平。因素水平和试验安排见表 12

表 1 因素水平表 Tab.1 Factor levels
表 2 试验方案 Tab.2 Experimental arrangement
1.3 试验准备

本试验用的3把待涂层的刀片, 经过下列处理过程:(1)用80目砂轮在平面磨床上研磨, 使表面粗糙度达到Ra 0.1 ~ 0.4 μm。(2)用金刚石膏在抛光机上抛光。(3)用HCl和HNO3腐蚀硬质合金刀片表面90 s, 将钴元素腐蚀掉。(4)超声波清洗刀片的待涂表面。

用射频辉光放电等离子体CVD法和直流等离子体热丝CVD法分别在高速钢刀片和硬质合金刀片上沉积多晶金刚石薄膜和类金刚石薄膜。多晶金刚石薄膜厚为2 μm左右, 类金刚石薄膜厚为1μm左右。试材为刨花板, 厚度为18 mm, 密度为0.8 g cm3, 含水率为7.5 %。试件直径为φ310 mm, 孔径为φ30 mm。

每隔一定的磨擦长度, 观察刀片的磨损、拍摄磨损形貌的显微照片和测量刀片刃口磨损带宽度。共有7个观察点, 对应的磨擦长度依次为48.7 km, 97.4 km, 155.8 km, 233.7 km, 331.1 km, 447.9 km和584.3 km。

2 试验结果 2.1 刀片磨损形貌 2.1.1 高速钢刀片

在未涂层高速钢刀片的磨损形貌上, 可见许多细小的犁沟或擦痕, 大部分犁沟贯穿整个刃口, 有些犁沟从刃口向刀具表面延伸, 逐渐消失, 或从刀具表面磨损带往后延伸。犁沟宽度有大有小, 大的在10 μm左右, 小的在1 μm左右。磨损带表面上有不少多边形颗粒, 白色颗粒(碳化钨)多而大(3 ~ 15 μm), 棕红色颗粒(碳化钒)少而小(1 ~ 5 μm)。磨损带表面能发现少量团状覆盖物, 该覆盖物也许是粘附在刀片刃口磨损带的刨花板中胶质、树脂或者是混合溶液、屑末溶液或刨花板中有机酸和刀具材料发生腐蚀的产物。在磨损带上, 还发现了深灰色的斑痕, 通过调节显微镜景深, 能够断定它是凹洼的, 因而是颗粒掉下来留下的痕迹。从颗粒在整个磨损带的分布来看, 靠近刃口的颗粒密度较稀, 且尺寸较小。

图 2 高速钢刀片刃口的磨损形貌(×400) Fig. 2 The worn surface on the tool edge of high speed steel(×400)

涂层高速钢刀片在磨擦长度达到48.7 km时, 刃口两面的类金刚石薄膜仍然存在, 刃口上的类金刚石薄膜被磨耗, 露出了基体材料。表面可见细小擦痕, 擦痕宽度大致为0.6 ~ 2 μm, 颗粒很少。随着磨损深入, 磨损带变宽, 擦痕宽度也增加了, 约为1.5 ~ 6 μm, 但深度较浅。白色颗粒分布在基体表面, 还有不少深灰色的空穴。颜色鲜艳的粘结物较少, 但也能发现浅褐色的覆盖物。试验结束时, 刃口两面类金刚石薄膜完好。和不涂层刀片相比, 涂层刀片刃口上的犁沟或擦痕不象未涂层刀片那么大和深。换言之, 类金刚石薄膜起着堤岸保护作用, 降低了基体磨耗程度。

2.1.2 硬质合金(YG15)刀片

磨损带表面上分布了碳化钨颗粒, 见图 3(a)。颗粒分布较稀, 可见孔穴。颗粒相互依联成片, 片域间存在浅褐色区域, 该区域沉凹下去, 并且还有少量白色颗粒嵌入在浅褐色区域。在浅褐色区域依稀可见沟痕, 还有微小的凹坑。有些颗粒突出, 摇摇欲坠。

图 3 硬质合金刀片的磨损形貌(×400) Fig. 3 The tool worn surface of cemented tungsten carbides(×400)

涂层刀片刃口有崩刃, 刃口上金刚石薄膜在磨擦长度达到48.7km时就已破坏, 露出了基体材料, 白色颗粒显露出来。颗粒密度较高, 浅褐色区域较小, 其间有凹坑, 也可见微小擦痕。随着磨擦长度增加, 磨损带两边的金刚石薄膜成块剥落, 也有被磨耗的痕迹。刃口上的金刚石晶形已荡然无存。

2.1.3 硬质合金(YG8)刀片

刀片刃口磨损形貌如图 3(b)所示。颗粒零散分布, 但数量比YG15多。颗粒突出, 飘然欲逝。颗粒之间存在浅褐色区域, 分布较均匀, 擦痕不明显。

涂层刀片刃口上的金刚石薄膜在48.7 km时就已破坏, 形成窄长磨损带, 白色颗粒裸露在外。随着磨擦长度的增加, 磨损带逐渐变宽, 白色颗粒分布较密, 磨损带表面可见擦痕, 并有很微小的白色颗粒分布在擦痕周围。斑斑点点的深灰色凹穴分布在磨损带上。刃口两边的金刚石薄膜块状剥离严重, 见图 4(a)

图 4 硬质合金刀片的磨损形貌 Fig. 4 The tool worn surface of cemented tungsten carbides

磨损形貌观察表明类金刚石薄膜粘结强度高, 未见其剥离; 涂层刀片的犁沟或擦痕不象未涂层刀片那么大和深。因此, 类金刚石薄膜起到了堤岸保护作用, 降低了基体磨耗程度。硬质合金刀片刃口两边的金刚石薄膜均有不同程度的剥落。从薄膜剥落情况来看, YG8和金刚石薄膜的粘结强度比YG15高。

2.2 刀片磨损

刀片磨损大小用刀片刃口磨损带宽度ω来度量, 见图 5(d)。各刀片磨损带宽度随磨擦长度的变化趋势如图 5所示。无论在何种试验条件下, 刀片的初始磨损速度都很快; 达到一定的磨擦长度后, 刀片磨损缓慢递增。金刚石涂层、刀具材料和试验环境对刀片磨损都有一定的作用。正交试验表 2的直观分析可说明各个因素对刀片磨损的影响, 见图 6。在刀具材料的3个水平, W18Cr4V的效应最大, 即磨损最厉害, 而YG15和YG8效应较小, 并且彼此差异很小。在48.7 km磨损长度时, YG8的效应略大于YG15, 按理YG8的耐磨性好于YG15, 这或许与金刚石涂层有关。刚开始磨损时, 金刚石薄膜起着防止刀片磨损的作用, 基体材料的作用就不显得那么重要, 待刀片磨损到一定阶段时, 金刚石薄膜被损耗, 露出了基体材料, 基体材料的抗磨性就表露出来了。所以, 在331.1 km磨损长度时, YG15的效应稍大于YG8。

图 5 刀片磨损量与磨擦长度的关系 Fig. 5 The relationship between tool wear and abrading length X屑末深液Chip solution, H混合溶液Mixed solution, T金刚石涂层Diamond-coated, HSS W18Cr4V High speed steel
图 6 各因素和刀片磨损带宽度的关系 Fig. 6 Tool wear changed with tool materials, experimental surroundings and diamond membrane HSS—W18Cr4V, X —屑末溶液, H —混合溶液, N—干磨, T —金刚石涂层, NT—不涂HSS —W18Cr4V, X—Chip solution, H —Mixed solution, NT —No solution, T —Diamond-coated

试验环境的3个水平都有一定的效应, 其大小顺序是“混合溶液→屑末溶液→干磨”并且混合溶液与屑末溶液两水平效应相差较小(尤其在48.7 km), 干磨与它们的差异较大。可见混合溶液和屑末溶液都能促进刀片磨损, 也就是说它们存在诱发刀具磨损的因素, 以致磨损超出干磨状态的26 %左右。涂层两水平效应差异十分明显。在48.7 km时, 不涂层刀片的磨损是涂层的1.45倍; 在331.1 km时, 不涂层刀片的磨损是涂层的1.20倍。刀片刃口上的金刚石薄膜剥落和磨耗随着磨擦长度而增大, 导致涂层效果降低。

2.3 分析与讨论

方差分析见表 3表 4。通过方差分析, 可以在以下几点达成共识。(1)无论在48.7 km还是在331.1 km, 金刚石薄膜都是较为显著的因素。因此, 金刚石涂层自始至终都起到了阻碍刀片磨损的作用。(2)刀具材料是影响刀片磨损的重要因素, 在初始磨损阶段, 由于金刚石薄膜的保护效应, 金刚石涂层和刀具材料具有类似的显著性; 在331.1 km之后, 刀片刃口上的金刚石薄膜已磨耗, 涂层效应明显相对削弱, 刀具材料成为非常重要的因素。(3)试验环境在初始磨损时, 不显著, 但在331.1km时, 为显著因素。混合溶液和屑末溶液诱发了刀片磨损的进展, 可推测腐蚀是一个不可忽视的诱发刀片磨损因素。

表 3 方差分析表(磨擦长度为48.7 km) Tab.3 Difference of variance analysis at the abrading length of 48.7 km
表 4 方差分析表(磨擦长度为331.1 km) Tab.4 Difference of variance analysis at the abrading length of 331.1 km

根据刀片磨损形貌, 推测金刚石薄膜磨耗是塑性变形引起的。薄膜在接触应力的反复作用下, 发生塑性变形。当变形积累到一定程度时, 在薄膜与基体界面或原始内部缺陷处产生裂纹, 再在摩擦接触应力作用下, 裂纹进一步扩展导致磨屑的形成, 造成金刚石薄膜的磨耗。若裂纹沿着粘结强度低的界面延伸, 则会导致薄膜的块状剥离。因此, 金刚石薄膜磨耗是“磨损变形—裂纹—磨屑形成”的磨损机制。

本研究发现醋酸、盐酸混合溶液和屑末溶液能腐蚀未涂层刀片。据资料介绍, 刨花板燃烧时, 会产生氯。刨花板或中密度纤维板含有固化剂(氯化胺)是氯的主要来源。铁是高速钢的基本成份; 碳化物是硬质合金的基本成份, 钴是不可缺少的粘结剂。铁元素与氯气在250 ℃以上就可发生反应, 生成FeCl3, 其熔点和沸点分别为303 ℃和319 ℃。钴元素也有类似的性质。因此, 高速钢和硬质合金刀片在磨擦刨花板时, 刀片材料中的铁或钴元素会与氯气发生化学反应, 生成易挥发的氯化物。此外, 木材内的有机弱酸和多元酚化合物也能腐蚀刀片。氢离子从铁和钴元素夺得电子, 形成亚离子和氢气。亚离子在空气中进一步氧化, 并和多元酚化合物螯合反应, 生成疏松的螯合物。

在高速钢刀片磨损表面上, 都有明显的塑性变形和犁作用特点, 能看到由磨料显微切削作用形成的轮廓较清晰的沟槽; 也能见到金属因磨料的犁作用, 塑性挤压到磨沟两侧形成的隆起。可见显微切削、犁作效应要比化学腐蚀快。因此, 磨料磨损是高速钢刀片的主要磨损机理。但一旦铁被腐蚀, 在磨料磨损作用下, 腐蚀产物很快被磨耗, 加快了刀片磨损。因此, 对高速钢而言磨料磨损为主, 腐蚀磨损为辅。但对于硬质合金刀片就截然不同, 其磨损表面也没有象高速钢那样存在明显的磨沟, 磨料磨损不是主要磨损机理。从刀片磨损形貌来看, 粘结剂(钴元素)丧失是硬质合金刀片磨损的根本原因, 一旦残余粘结力不足以抵抗磨擦所产生的剪切力, 碳化钨颗粒就回因疲劳而脱落。因此, 腐蚀磨损是硬质合金刀片的主要磨损机理。

3 结论

金刚石涂层提高了刀片耐磨性20 ~ 45 %, 起到了阻碍刀片磨损的作用。

高速钢刀片上的金刚石薄膜没有出现剥离; 硬质合金刀片上的金刚石薄膜均有不同程度的剥落。

屑末溶液和醋酸、盐酸混合溶液不腐蚀金刚石薄膜, 但腐蚀基体材料, 其造成的磨损量超出干磨状态的26 %左右。

金刚石薄膜磨耗机理是“磨损变形—裂纹—磨屑形成”。高速钢刀片以磨料磨损为主, 腐蚀磨损为辅。腐蚀磨损是硬质合金刀片的主要磨损机理。

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