(摘 要：用电火花沉积工艺在高速钢麻花钻头上沉积了WC硬质合金沉积层。分析了沉积层的金相组织，显微硬度。在干式切削条件下，对铸铁和45#钢进行了切削性能对比试验。试验结果表明沉积钻头切削寿命大幅提高，磨损速度显著减缓，钻孔质量明显提高。

关键词： 涂层钻头 电火花沉积 WC 高速钢麻花钻头

1引言

钻削是切削金属的最重要的加工方法之一，约占整个金属切削加工的33%^[1]。随着切削加工不断向高速、高效、高精度发展，刀具新材料、新品种不断涌现，其中涂层刀具的发展尤为迅速，有效改善了高速钢钻头的切削性能，提高效率，延长使用寿命^[2]。

近十几年来，表面涂层技术发展迅速，而表面涂层技术的应用大约83%应用于切削刀具处理^[3]。电火花沉积技术（Electron-Spark Deposition，简称ESD）是近十几年迅速发展的表面技术之一，是直接利用具有高能量密度的电能对工件表面进行沉积处理，它通过火花放电作用将作为电极的导电材料熔渗进金属工件表层，形成合金化的表面沉积层，从而使工件的物理、化学和机械性能得到改善^[4]，是介于焊接、喷镀或元素渗入等工艺的一种工艺，是兼有这些工艺的一些特点，又有热输入量小，沉积层与母材有冶金结合等独特的优点，是一项经济、简便、实用、有效的表面处理工艺方法。

　　

2涂层高速钢钻头制备工艺

2.1麻花钻的磨损形式

麻花钻是一种形状较复杂的双刃孔加工刀具，其切削部分由一尖(钻芯尖)、五刃(两个主切削刃、一个横刃和两个副切削刃)组成。在钻孔中，麻花钻主切削刃的前、后刀面和副切削刃(刃带)以及横刃都会产生磨损。一般在孔加工过程中，最早出现的是后刀面磨损和横刃磨损。在钻削中，横刃时刻都在对工件进行挤压和副前角磨损，因而在横刃的两侧会很快磨出三角形亮带，同时伴有横刃钝化。刃磨损是刀具丧失切削能力的重要原因之一。 采用高速钢( HSS)标准麻花钻钻削45#调质钢(HRC25-30)，其主要的磨损形式是后刀面磨损、横刃磨损、主切削刃磨损和横刃变钝，其它形式的磨损不甚明显^[5]、[6]。根据上述麻花钻的磨损特点，应用电火花沉积制备涂层高速钢钻头只需在两个后刀面和前刀面上沉积涂层即可有效提高钻头的耐磨性。

2.2实验设备及材料

      电火花沉积/堆焊机，输出功率8档可调，（最高1400W，最小100W）；输出电压分两档（高压110V，低压60V）；放电脉冲频率400- 1 600 Hz连续可调；电火花沉积枪额定转速 N=2400r／min；采用氩气保护。电极采用直径为2.4的WC电极。钻头采用直径为6mm的高速钢麻花钻头。

2.3涂层钻头制备工艺

为降低沉积层表面粗糙度，分两次电火花沉积，所用工艺参数分别为小功率沉积(工艺A)和大功率沉积(工艺B)，沉积时先大功率沉积，用砂纸轻微打磨沉积层表面后再小功率沉积。工艺参数见表一。沉积时电极伸出长度5mm。操作时保持电极与刀面成30⁰～40⁰夹角。为获得较均匀的强化层，时工具电极应以1～3mm/s的速度沿小圆环轨迹匀速移动

表一 沉积操作工艺参数

具体操作工艺如下

(1)将钻头工作部分(已磨损钻头应先修磨)及电极用200目砂纸打磨，用丙酮溶液清洗去处油污。

(2)调整沉积设备工艺参数为工艺B，并进行沉积操作；每个

 

 

 

 

刀面沉积2min。用砂纸轻微打磨沉积层表面并用丙酮清洗；调整

沉积设备工艺参数为工艺A，每个刀面再沉积1min。

(3)用油石打磨沉积层表面至光滑。

3沉积层性能分析

本试验用MH-6微光学显微镜及其拍照系统观察拍摄涂层金相

，用MH-6微光学显微镜硬度计系统进行涂层硬度分析并测量

涂层厚度

3.1涂层组织观察

图二为放大倍数400的高速钢钻头经电火花沉积WC硬质合金

涂层的截面金相图片，金相经5%硝酸乙醇溶液腐蚀。经电火花沉

积WC硬质合金涂层后，在高速钢表面出现了与基体金相组织不同

的三层组织，有表到里分别是白亮层，过渡层，热影响区，在往

里是基体的原始组织。

白亮层在涂层的外表面，抗腐蚀性好，为被硝酸乙醇溶液腐

蚀，其成分主要来自电极材料以及部分由电极旋转工作时带入的

基体材料。

    过渡层紧靠白亮层，是由WC电极材料中的元素

扩散到基体材料中形成的。电火花沉积过程中，熔池

的形成和凝固都伴随着复杂的和金化过程，并且电极

工作中与基体接触并施加一定压力，电极材料在这些作用下很易溶渗进基体金属表层。

    热影响区由于电火花沉积的淬火效应形成的。电火花沉积时，接近表层的基体金属迅速的升到高温，然后又迅速冷却，相当于再次被淬火。电火花沉积的淬火效应使接近表层的基体金属超细晶粒的奥氏体组织(A)，大幅度提高了基体表层金属的硬度。

    涂层中白亮层，过渡层，热影响区之间不存在明显的分界，涂层与基体之间不是简单的机械结合而是冶金结合，结合力强，涂层不会发生剥落现象。

3.2涂层硬度及厚度分析

本试验在MH-6微光学显微镜硬度计系统砝码为100g条件下对涂层打压痕，涂层显微硬度压痕如图三。

由图三可明显看出涂层有里及表硬度逐渐增大， 白亮层硬度最大，为HV1131；过渡层硬度次之，为HV876；基体金属的热影响区由于晶粒细化硬度也有显助提高，为HV605。基体硬度仅为HV405，涂层中白亮层硬度接近基体硬度的3倍。

   用MH-6微光学显微镜测涂层(白亮层)厚度，最薄处为70，最后处107，平均厚度(测十处不同部位的厚度求均值)88，涂层厚度比较均匀。

4涂层钻头切削试验试验

实验设备用Z5125立钻；钻头磨损量用30倍的工具显微镜静态观察测量；试件材料为45#中碳钢(10mm厚热轧钢板，HB207)、铸铁(HT15-30，10mm厚)。切削试验在干式条件下进行，转速800 r/min，进给量0.1mm/min，钻头直径6mm，钻通孔。通过测量主切削刃后刀面磨损带平均最大磨损量(VBmax)评价钻头的切削性能；磨钝标准取VB_T=0.35mm，每种实验重复三次，取其平均值。

4.1钻头寿命对比经电火花沉积WC涂层的钻头和未经沉积的钻头在相同的实验条件下分别在铸铁和45#中碳钢上进行切削试验，磨损到磨钝标准取VB_T=0.35mm时的钻孔数量如图三。可以明显看出，经电火花沉积WC涂层的钻头切削性能远高于未沉积的钻头。相同钻削条件下，钻削铸铁涂层钻头比未沉积钻头寿命提高将近10倍；钻削45#中碳钢涂层钻头比未沉积钻头寿命提高将近13倍。

    4.2钻头磨损对比

    图三和图四为钻削45#钢和高强度钢时，涂层钻头与未沉积钻头的磨损曲线。涂层钻高头的磨损速度远低于未沉积钻头磨损速度。钻削时，未沉积钻头随着钻削孔数增加磨损增长迅速，几乎未经过正常磨损即达到磨损标准规；而涂层钻头钻削铸铁时初期磨损阶段较短；进入正常磨损沉积钻头随钻孔数增加磨损增长比较缓慢，正常磨损阶段较长；钻削铸铁时，约钻削到80孔时涂层钻头进入正常磨损，约到900孔时进入剧烈磨损阶段。钻削45#钢时，约钻削到8孔时涂层钻头进入正常磨损，约到250孔时进入剧烈磨损阶段。实验中涂层钻头切削刃上很少形成积屑瘤，未发生崩刃破损，钻削过程比较平稳。

    4.3钻屑形态和钻削质量对比

 

 

 

 

 

    实验中观察发现，未沉积钻头钻削时形成圆锥螺纹状的连续切屑，常会绕在钻头或钻卡上一起旋转，并且出现切屑底部在切削刃附近与前刀面粘结现象，排屑困难。而涂层钻头钻削时，切屑呈较短的螺卷状断续切屑，排屑顺畅，孔表面质量高。对钻孔质量进行比较，随着钻孔孔数的增加，涂层钻头与未沉积钻头相比，孔径的扩大量小，加工尺寸较稳定，加工质量明显得到提高。

  

5结论

    经上述对电火花沉积WC沉积层性能分析和对比切削实验表明，经电火花沉积工艺制备的WC涂层高速钢钻头切削性能显著提高，应用到大型钻头上具有较高实用价值，可在实际生产中推广。

(1) 沉积层组织较均匀，细密，具有远高于基体的硬度，与基体呈冶金结合，结合力强，不会脱落。

(2) 在干式钻削条件下，钻削铸铁和45#钢，沉积钻头磨损速度明显减缓，初期磨损较短，正常磨损阶段较长，钻头寿命分别将近提高10倍、13倍。

(3) 与未沉积钻头相比，沉积钻头排屑顺畅，加工孔表面质量高，孔径尺寸较稳定。

 

 

参考文献

[1] When-Chou Chen, Xiao-Dung Liu. Study on the various coated twist drills for stainless sleels drilling[J].Journal of materials Processing Technology, 2000,99:226.

[2] 张伯霖.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社，2003

[3]Kenneth J，Brookes A,Coatings and material advances continue to drive cutting tools [T].Metal Powder Report,1998,53:(7-8),28-30

[4]陈钟燮.电火花表面强化工艺.机械工业出版社.1987: 2-5

[5]李更生.钻削状态在线监测技术的理论与应用研究.南京航空学院博士学位论文，1991. 9.

[6] 北京永定机械厂群钻小组