螺紋絲錐表面處理研究進展

陳汪林，李喆，黃勇浩，鄧陽，李聰，孟顯娜，李蘇洋*

螺紋絲錐表面處理研究進展

陳汪林1，李喆1，黃勇浩1，鄧陽1，李聰2，孟顯娜3，李蘇洋1*

（1.廣東工業大學，廣州 510006；2.清遠市粵博科技有限公司，廣東 清遠 511500；3.仲愷農業工程學院，廣州 510006）

絲錐是內螺紋加工的一種專用刀具，與車刀、銑刀等傳統刀具不同，其加工屬于半封閉、多切削刃成形加工方式。絲錐加工通常是機加工中的最后一道工序，絲錐質量的好壞直接影響了內螺紋的加工質量和加工效率。概述了市場上典型絲錐的類型、加工主要失效方式與失效機理，并查明絲錐刃口機加工缺陷及嚴重的黏結磨損和磨粒磨損是誘導絲錐切削性能與壽命顯著降低的主因。因此，對絲錐進行表面處理也是行業的研究熱點。在表面處理技術方面，重點分析了絲錐刃口鈍化技術對絲錐刃口幾何特征形態和加工性能的影響規律；同時也探討了PVD技術類型及特點；在絲錐涂層方面，重點分析了氮化物涂層、含碳膜涂層和特征潤滑膜涂層；在絲錐基體預處理方面，重點介紹了激光微織構圖案對涂層結合力及刀具摩擦特性的影響規律；在涂層設計方法，重點介紹了常規氮化物、碳化物涂層和高熵合金氮化涂層的力學、物理和化學性質，以及涂層類型與絲錐切削性能和加工質量之間的關聯性。最后，總結了單一表面處理技術在絲錐性能提升方面存在的問題，并提出了絲錐鈍化+基體激光微織構+PVD自潤滑涂層的復合技術方案。

絲錐；失效機理；物理氣相沉積；鈍化處理；螺紋加工性能

螺紋連接、鉚接和焊接是實現零部件組裝的3種主要方法，而螺紋連接是最主要也是最常見的連接方法。螺紋連接簡單，拆卸方便，已經被廣泛用于模具、航天航空、石油化工、5G通信、新能源汽車等行業[1-3]。但隨著科學技術的不斷發展，對螺紋連接的要求也日益提高，螺紋精度不高、表面粗糙不足等缺點使其發展面臨著巨大挑戰。

絲錐是一種中小尺寸內螺紋加工的專用刀具。與傳統的車刀和銑刀不同，螺紋加工呈開放式切削狀態，屬于半封閉、多切削刃成形加工方式[4-6]。螺紋加工過程較為復雜，且通常為機械加工中的最后一道工序，若出現切屑堵塞等情況，易引起絲錐折斷，從而導致零件破損，降低生產效率[7-8]。因此，如何解決絲錐在加工過程中存在的問題，提高絲錐加工壽命、生產率和產品質量，是現階段亟待解決的行業難點。

由于絲錐結構和螺紋加工復雜，目前有關改進螺紋加工質量、優化加工性能的研究較少。因此，與車削、鉆孔、銑削等其他加工工藝相比，關于絲錐的相關研究及文獻非常有限[9]。本文對絲錐的典型幾何結構和市場上常見的絲錐類型進行了簡要闡述，指出了絲錐的失效機理，重點闡述了不同表面處理技術對絲錐表面質量和加工性能的影響，包括絲錐基體表面鈍化處理對提升絲錐切削性能的最新成果，以及不同的物理氣相沉積氮化物涂層和特殊薄膜涂層對絲錐切削性能的影響。最后，結合上述研究與絲錐失效方式如涂層剝落、黏結磨損嚴重等，提出未來絲錐表面處理的研究方向：利用表面微織構技術、高熵涂層等目前熱門的表面處理技術來提升涂層膜基結合力，進一步優化涂層的成分和結構；改變切屑與刀具的接觸行為，提高抗黏結性能，從而提高絲錐的加工性能。

1 絲錐類型與結構

1.1 絲錐類型

絲錐根據形狀可分為直槽絲錐、螺旋槽絲錐、螺尖絲錐和擠壓絲錐。不同的絲錐適用的加工材料、加工孔的類型、加工環境等均有不同[10]，4種典型絲錐的加工特點及對應加工材料如表1所示。

表1 4種典型絲錐[11-19]

Tab.1 Four typical taps[11-19]

1.2 絲錐結構

絲錐主要包括工作部分和柄部。工作部分包括切削部分、校正部分和槽型結構。切削部分是主要切削區，其主要影響幾何參數有前角、后角、切削錐角等；校正部分具有校準、導向和修光的作用，其目的是使螺紋達到合格的尺寸和形狀要求；絲錐柄部具有裝夾及驅動作用。典型的絲錐結構如圖1所示[20-23]。

圖1 典型的絲錐結構

2 絲錐常見問題及失效形式

為了有針對性地強化絲錐切削性能，有必要深入了解絲錐加工中常遇見的問題以及絲錐的失效形式和機理。絲錐加工中常見的問題主要有[24]內螺紋尺寸無法滿足要求、內螺紋表面質量無法滿足要求、使用壽命短等。而造成此類問題的因素較多并且各因素之間相互影響，如切削參數、切削條件選擇不當；絲錐基體材料、結構及類型選擇不當；絲錐底孔尺寸存在偏差等。絲錐加工常見的問題及解決辦法如表2所示。

表2 絲錐加工常見的問題[24]

Tab.2 Common problems in tap processing[24]

除了上述問題外，絲錐的失效形式及其機理也是學者們關注的問題，許多學者利用絲錐的切削實驗對此類問題進行了研究。張善文等[25]對擠壓絲錐的失效形式進行了研究，研究表明，失效形式主要有絲錐牙嚴重磨損和絲錐斷裂2種，采用正確的擠壓扭矩和擠壓溫度可以減少絲錐的破損和斷裂，提高螺紋質量。鄔本祥等[26]對高速鋼絲錐的磨損機理和失效形式進行了深入研究，研究發現，高速鋼絲錐的失效形式主要有非正常失效的折斷、崩刃，絲錐的磨損方式主要為磨粒磨損、黏結磨損和疲勞磨損。Reginaldo等[27]對淬硬鋼加工中絲錐的磨損情況進行了研究，研究發現，材料本身的特性如硬性顆粒導致絲錐在切削過程中存在嚴重的磨粒磨損、黏結磨損，進而會導致絲錐刃口崩缺或折斷，從而造成絲錐失效。

上述對常規絲錐加工的分析結果表明，其主要失效形式有絲錐刃口崩缺、折斷、磨損等，如圖2所示，失效形式如下：1）絲錐折斷（見圖2a）和崩刃（見圖2b）是絲錐常見的失效形式[28]，一方面因為絲錐的材料特性，使用時易產生應力集中，另一方面因為絲錐加工的底孔過小，從而導致螺紋切削時空間較小，切屑難以排出，并且存在積屑瘤，進而導致扭矩瞬間增大、絲錐崩刃或折斷，此外，加工材料、切削用量等與絲錐不適配，也可能產生絲錐出現崩刃、折斷的現象；2）絲錐磨損是絲錐失效形式中另一種常見形式，絲錐磨損主要發生在刀齒后刀面上，而最大磨損發生在切削部分和校準部分的過渡區域上，其中第一個校準齒的磨損最嚴重[29]，絲錐磨損機理主要為黏結磨損和磨粒磨損。黏結磨損是由于刀具與切屑、工件間存在高溫高壓和強烈摩擦，形成了新鮮表面接觸而發生了冷焊黏接，達到了原子間結合進而產生了黏結現象，相對運動使黏接點破裂而被工件材料帶走，造成黏結磨損（見圖2c），嚴重的黏結磨損會導致絲錐切削時的扭矩瞬間增大，更有甚者會使絲錐崩刃或者發生折斷失效。磨粒磨損主要是因為剝落的涂層微碎片、被加工材料內存在的硬質相等硬質顆粒充當磨料，加速了絲錐加工時的磨損行為，降低了絲錐的加工性能和加工質量[30]。

圖2 絲錐失效形式[30]

通過對絲錐失效機制進行分析，發現其主要失效機制如下：絲錐基體刃口表面質量較差、強度較低，易產生應力集中進而折斷或者崩缺；絲錐特殊的加工方式和幾何結構致使刃口易出現嚴重的材料黏附情況。因此，改進絲錐基體表面刃口質量、減少材料黏附是提升絲錐切削性能的關鍵。

3 絲錐表面處理技術的研究進展

通過表面處理技術可以改善絲錐刃口的質量，降低絲錐刃口區的粗糙度，提高絲錐表面硬度、耐磨性及抗黏結性能，降低絲錐的切削扭矩、切削力和切削溫度，實現內螺紋孔高效、高精度和高可靠性加工。目前絲錐表面處理技術主要有表面鈍化、表面涂層強化等。

3.1 表面前處理

刀具刃口通常存在大量的加工微缺陷，如磨痕、微裂紋、微崩刃、毛刺等（見圖3a）。這些微缺陷增強了切削刃與工件接觸界面間的摩擦，增大了切削力，導致絲錐發生過早失效，從而使扭矩瞬間增大，刀具切削壽命和加工質量快速降低[31]。因此，良好的刃口形貌和表面質量對提升絲錐的切削性能具有重要意義。絲錐鈍化是一種微觀表面處理工藝，主要是通過大幅度減少甚至消除刃口處的加工缺陷，獲得合適的刃口表面形貌（見圖3b），同時降低殘余應力，提高刃口強度和抗疲勞性能，降低刃口區表面粗糙度，減少積屑瘤的產生，提高絲錐的耐磨性，并可增大后續PVD涂層的結合力。

鈍化工藝的理論研究長期以來都是絲錐行業內的研究熱點?，F階段，在刀具領域上廣泛應用的刃口鈍化方式主要有干/濕噴砂鈍化、拖拽式鈍化、電解鈍化等。國內主要研究的絲錐鈍化方式為電解鈍化，電解鈍化利用陽極膜效應和尖端效應去除刃口微缺陷，達到鈍化拋光效果，從而提升絲錐刃口質量[33]，絲錐電解鈍化原理如圖4所示。利用電解拋光方法對絲錐切削刃進行鈍化處理，能去除絲錐表面毛刺、微崩刃等缺陷，研究者們均認為，鈍化后的絲錐避免了在初期磨損階段因刃口缺陷造成的扭矩瞬間增大而導致的劇烈磨損，延長了穩定磨損階段周期，降低了絲錐表面粗糙度，穩定了切削扭矩，降低了磨損，提高了壽命。電解鈍化參數詳細信息如表3所示。電解鈍化對提高絲錐切削性能有一定的幫助。

相關研究表明，刀具涂層前處理對絲錐切削性能有一定作用，涂層后的鈍化拋光處理對絲錐的影響亦是如此[41]，不同的處理工藝效果如圖5所示。涂層前后的鈍化處理可以提高涂層與基體結合力、降低涂層表面粗糙度、引入殘余壓應力等。張明等[42]研究發現，絲錐攻絲面臨嚴重的黏屑和磨損，利用機械接觸磨削鈍化方法，能有效去除絲錐前段不完整齒并減少絲錐表面缺陷等，改善絲錐黏結行為，使攻絲扭矩更為平穩，加工螺紋表面粗糙度變低，毛刺減少，絲錐加工穩定性和使用壽命得到提高。何佳等[32]研究了螺旋槽絲錐過切現象，利用鋼絲輪去除了螺紋毛刺，然后利用拖拽研磨去除切削刃毛刺，并在刃口處形成微圓弧，減少毛刺導致的過切，提高了加工螺紋孔的表面光潔度。Elosegui等[43]對絲錐基體進行了拖曳研磨及微噴砂鈍化處理，以改善微粗糙度和表面殘余應力。結果表明，前期鈍化處理能提高涂層與基體的結合力，而拖曳研磨法鈍化的涂層絲錐磨損率和切削扭矩比無鈍化絲錐的更低，如圖6所示。徐和平等[44]利用液體噴砂方法對涂層前和涂層后的絲錐進行了鈍化處理，發現涂層前對絲錐進行鈍化處理可以提高表面粗糙度，從而提高涂層與基體之間的結合力，并保證刃口半徑均勻；涂層后的鈍化處理可以降低刃口表面粗糙度，減小絲錐切削摩擦力。Fukui等[45]對涂層絲錐進行了磨粒拋光鈍化處理，研究表明，涂層的表面粗糙度是一個非常重要的因素，當涂層的表面粗糙度從2.73 μm降低到1.65 μm時，不會降低切削刃的鋒利度，而會減小攻絲過程中的扭矩，延長絲錐的切削壽命。

目前研究表明，涂層前處理可以消除微小缺陷，提高膜基結合力；涂層后處理可以降低涂層的粗糙度以及絲錐切削時的摩擦力，調整殘余應力，優化涂層性能等，從而達到提升絲錐的切削性能的目的，對延長切削壽命有一定的幫助。但是上述研究僅局限于鈍化處理對絲錐切削性能的影響，并未有相關研究人員針對鈍化工藝參數與絲錐的適配性、不同刃口半徑值與絲錐切削性能的關聯性等進行深入研究，因此，針對絲錐涂層前后的鈍化工藝適配性需要進行進一步研究，如鈍化方式、鈍化時間、刃口半徑值等因素對絲錐切削性能的影響，以此獲得與不同絲錐類型、不同加工材料等適配的鈍化工藝，從而提升絲錐的切削性能。鈍化工藝在絲錐上的應用仍具有較大的發展前景。

表3 電解鈍化參數詳細信息

圖6 微噴砂與拽曳鈍化絲錐加工性能對比[43]

3.2 表面涂層處理

由前文可知，鈍化工藝可以有效改善絲錐刃口質量，在一定程度上提升絲錐的切削性能，但是僅依靠鈍化工藝無法滿足現階段的加工要求，因而涂層絲錐應運而生。PVD技術利用物理過程實現了物質轉移，將原子或者分子由蒸發源轉移到基體表面，賦予了基體更加優異的性能（硬度、耐磨性、耐蝕性等）。常見的PVD方法有真空蒸鍍、電弧離子鍍和磁控濺射鍍膜等[46]。其中，電弧離子鍍因離化率高、組織致密和結合強度高等優點成為市場上絲錐涂層的主流方法，但為了降低電弧離子鍍涂層表面的微顆粒缺陷，磁過濾或機械過濾等技術應運而生，但由于沉積效率較低，在工業應用方面仍面臨嚴峻挑戰。高功率脈沖磁控濺射技術是絲錐涂層理想的制備方法之一，因離化率高、表面光滑、組織致密等特點而成為行業研究熱點之一。過渡金屬氮化物的硬度高、耐磨性優異，且與金屬親和性低，在絲錐表面涂覆氮化物陶瓷能有效降低切削力和切削熱，提高絲錐加工壽命、產品質量與加工效率，是絲錐等刀具的主流涂層材料。

3.2.1 PVD氮化物涂層

由于絲錐的加工為低中速加工、半封閉式加工，TiN系涂層具有硬度高、耐磨性優異、摩擦因數低等優點，所以TiN系涂層被廣泛應用于絲錐中，對絲錐的性能提升有較大幫助。Freitas等[47]在高速鋼絲錐表面涂覆了一定厚度的TiN涂層，并對碳纖維復合材料進行了加工，研究發現，與未涂層絲錐相比，涂層絲錐的切削力和扭矩均更小，螺紋孔表面質量更高。趙立新等[48]對F205鋼絲錐進行熱處理后再沉積了TiN涂層，研究發現，基體中的碳化物含有與TiN相同的面心立方點陣結構，促進了TiN涂層沿(111)TiN晶面擇優生長，從而提高了膜基結合力，減小了內應力，使TiN涂層具備更優性能，絲錐的使用壽命提高了2倍。鄔本祥等[26]對TiN高速鋼涂層絲錐切削性能進行了研究，通過建立壽命模型，驗證了在合適的切削參數下，TiN涂層可以獲得較長的切削壽命。Oliveira等[49]研究了不同結構的TiN涂層對絲錐切削性能的影響，結果表明，高硬度TiN-T1涂層絲錐的摩擦因數大，摩擦力大。與傳統的TiN相比，低摩擦因數的傳統TiN涂層絲錐的切削扭矩和摩擦力更小，絲錐的切削性能更高，不同的涂層切削力-時間曲線如圖7所示。Carvalho等[50]研究了不同因素對絲錐切削性能的影響，結果表明，不同的底孔直徑會影響涂層性能，偏小的底孔直徑會使TiN涂層的絲錐切削力和扭矩不減反增，從而降低涂層性能?？讖胶偷毒哳愋偷慕换プ饔萌鐖D8所示。

圖7 不同的涂層切削力-時間曲線[49]

上述研究表明，TiN涂層能改善絲錐的切削性能，但由于其抗氧化性較差，隨著對內螺紋加工效率和加工質量的要求越來越高，在較高的切削溫度下易導致膜層氧化燒蝕嚴重，從而導致涂層失效。為了解決TiN涂層所遇到的問題，絲錐涂層也隨著刀具涂層的發展而不斷革新，開始朝著多元復合涂層方向發展，多元復合涂層具有更優異的性能。鄔本祥等[51]在高速鋼絲錐表面涂覆了TiN和AlTiSiXN涂層，研究發現，因添加了Si和微合金元素X，AlTiSiXN涂層呈現出由納米晶鑲嵌非晶基體組成的納米復合結構，該涂層的硬度高且抗磨粒磨損性能優異，其絲錐加工壽命是TiN涂層絲錐加工壽命的4倍，且內螺紋孔的加工表面質量更高。戴翠麗[52]采用TiCN+TiN多元復合涂層的高速鋼絲錐加工鑄鐵，研究發現，TiCN+TiN多元復合涂層提高了絲錐的壽命和加工效率。鮮廣等[53]利用共濺射方法在高速鋼表面沉積了TiCN涂層，并利用其涂層絲錐加工了40Cr鋼，研究發現，在涂層與鋼界面處形成了碳轉移膜，能起到固體潤滑和減磨作用，延長了絲錐壽命。徐濤[54]研究發現，利用TiAlCrN涂層絲錐加工Q345B鋼時，其加工壽命是無涂層絲錐加工壽命的2倍，螺紋表面質量更高，且加工成本更低。Elosegui等[43]利用陰極電弧技術在絲錐表面沉積了不同類型的硬質涂層，并加工了奧氏體不銹鋼和球墨鑄鐵，與AlTiN、AlCrSiN和AlTiSiN/TiN涂層相比，梯度結構的AlTiSiN-G涂層的綜合性能更好，涂層絲錐后刀面磨損和切削扭矩更低，加工表面質量更佳。涂層性能如表4所示PVD氮化物涂層賦予了絲錐基體更加優異的性能，如高硬度、高耐磨性、抗氧化性和低摩擦因數等，降低了切削時的切削力、切削溫度和切削扭矩，大大提升了絲錐的切削性能。隨著對內螺紋孔加工要求的日益提高，傳統的主流涂層（TiN、TiCN、TiSiN等）存在一些缺陷，如TiN、TiAlN涂層的抗氧化較差，TiCN涂層的摩擦磨損性能會隨著溫度的升高而急劇降低，無法滿足絲錐的切削性能要求。

圖8 孔徑和刀具類型交互作用圖[50]

表4 不同的涂層性質[43]

Tab.4 Different coating properties[43]

3.2.2 碳膜涂層

基于絲錐半封閉式的連續切削方式，學者們研究發現，低摩擦因數的碳膜涂層對提升絲錐的切削性能有良好的效果。Henderer等[55]利用陰極電弧和磁控濺射組合技術，在絲錐表面分別涂覆了TiSiN和TiN底層，在表面再沉積了CrC/C低摩擦因數的自潤滑涂層，結果表明，CrC/C涂層的摩擦因數較低，抗黏結磨損性能較好；TiSiN涂層硬度比TiN涂層的更高，賦予了其表面CrC/C涂層更低的扭矩和更高的抵抗磨粒磨損抗力，如圖9所示。Reiter等[56]對比研究了CrC、CrN、TiAlN、TiCN、AlCrN、DLC和WC/C涂層絲錐加工奧氏體不銹鋼加工行為，具體涂層性能如表5所示。研究表明，涂層磨損率越小，對切削刃的保護越好，切削扭矩越穩定。其中，TiCN和AlCrN(70/30)涂層的絲錐加工性能最佳，而Cr基涂層（如CrC和CrN）的絲錐加工性能較差；與碳涂層（DLC、WCC等）相比，TiCN和其他Cr基涂層（除CrC外）的抗黏結效果更好?；谏鲜鲅芯拷Y果，發現奧氏體不銹鋼加工的涂層絲錐同時兼具優異的耐磨性、摩擦性能、抗黏附性等性能。

Steininger等[57]系統研究了TiCN、CrN、SCiL- TiCN、TiB2和DLC等涂層絲錐加工鋁硅合金過程中的工藝穩定性，研究發現，涂層絲錐加工性能與黏結磨損效果緊密相關，DLC涂層的摩擦因數低且抗黏結磨損效果優異，其涂層絲錐加工表面質量高且抗黏結磨損性能優異。Klocke等[58]對新型CROMTIVIc2涂層絲錐及TiCN涂層絲錐進行了對比，CROMTIVIc2涂層結構如圖10所示，結果表明，CROMTIVIc2涂層為碳基涂層系統，其摩擦因數低，磨損程度低，與傳統TiCN涂層相比，加工鈦合金時的扭矩、絲錐磨損、切削溫度更低，絲錐壽命更長。

Bhowmick等[59]研究發現，DLC的摩擦因數低，能抑制鋁在絲錐表面的黏附，使涂層絲錐加工時的扭矩更加穩定。Piska等[60]研究了TiN+DLC復合涂層絲錐，由于DLC涂層的摩擦因數較低，在絲錐反轉時可以抑制刀具材料的黏附，從而提高內螺紋質量。Jin等[61]利用磁增強的電弧離子鍍技術在絲錐表面沉積了c-BN涂層，并與傳統的硬質膜涂層絲錐進行了對比，研究發現，c-BN涂層的摩擦因數低，能有效防止黏結、降低攻絲阻力、提高絲錐使用壽命和螺紋加工表面質量。韓榮第等[62]將硬質涂層和軟涂層結合，對無涂層、TiN、TiCN-WS2的3種絲錐進行了絲錐切削測試，結果表明，三者中摩擦因數最低的TiCN-WS2的螺紋切削扭矩最小、加工質量最好。Gil等[63]對TiN、TiCN、TiAlN和TiAlN+WC/C 4種涂層的切削性能進行了比較，研究發現，TiN、TiCN、TiAlN和TiAlN+WC/C涂層均減少了絲錐的磨損，不同類型的絲錐磨損情況如圖11所示，但是由于TiAlN+WC/C涂層表面存在潤滑層WC/C，其摩擦因數低，該涂層切削時的切削扭矩和磨損更小，可以強化絲錐的切削性能。

圖9 涂層絲錐加工行為[55]

表5 不同的涂層性質[56]

Tab.5 Different coating properties[56]

圖10 不同涂層絲錐涂層結構及扭矩對比[58]

碳膜涂層如DLC、WC/C、CrC/C等具有較低的摩擦因數，使得絲錐基體具備一定的潤滑性，在切削時可防止材料黏附，降低絲錐切削時的切削力和扭矩，從而提升絲錐的切削性能。但是碳膜涂層含有碳元素，在加工鋼鐵類材料時，與材料中的鐵元素結合，會導致脫碳、磨損、涂層剝落等情況出現，因而更適合加工有色金屬的內螺紋。

3.2.3 特殊薄膜

在絲錐表面涂覆一層金屬或者非金屬化合物涂層，可明顯提升絲錐性能。研究者嘗試利用特殊表面處理技術在絲錐表面涂覆特殊薄膜，以改善絲錐加工性能。Veldhuis等[64]在絲錐表面涂覆了一層潤滑氟有機表面活性劑（如全氟聚醚、PFPE），研究發現，PFPE薄膜使絲錐表面的摩擦因數降低了18%，減少了絲錐與被加工材料之間的黏結，降低了攻絲時的扭矩，使絲錐的壽命提高了2倍。何建國等[65]在絲錐表面噴涂了含鉬的潤滑劑，研究發現，含鉬潤滑劑的絲錐的加工孔數和累計加工長度均是無涂層絲錐的2.15倍，且攻絲時的切削熱和扭矩均有所降低。Saito等[66]利用化學法分別沉積了Ni-P/cBN和Ni-P/SiC涂層，并與PVD沉積的TiCN進行了比較，結果表明，Ni-P/c-BN和Ni-P/SiC涂層比TiCN涂層的摩擦因數更低，絲錐表面磨粒引起的犁溝進一步增大了前后刀面與切屑接觸面的界面摩擦，導致切屑更易排除，切屑卷曲直徑更小，即使在高速切削下也能有效防止切屑纏結，如圖12所示。Korhonen等[67]利用超短脈沖激光沉積技術和兩相電化學技術在絲錐表面分別沉積了金剛石涂層（AD，見圖13a）與鉻-納米金剛石涂層。在干式攻絲時，由于金剛石與加工鋁合金材料的界面結合力比較低，2種金剛石涂層絲錐均表現出良好的抗黏結效果（見圖13b～c），而無涂層絲錐表面發生了明顯的黏結（見圖13d）。此外，AD涂層的平均扭矩較無涂層絲錐的降低了37%～51%，較CND涂層的降低了19%，切削性能更佳。

圖11 不同類型絲錐后刀面磨損圖[63]

圖12 不同涂層絲錐切削加工50個螺紋孔后的圖片[66]

圖13 不同涂層絲錐加工刃口表面SEM形貌像[67]

目前，添加涂層是提高絲錐服役壽命的常用策略。例如：PVD氮化物涂層具備硬度高、抗磨粒磨損、摩擦因數低等性能；特殊潤滑型薄膜具備自潤滑性、低摩擦因數等性質，可以減小螺紋切削時的摩擦、阻止黏結、降低切削溫度和切削扭矩、減小刀具磨損，并防止積屑瘤產生，從而可以提升絲錐的切削性能。但是涂層絲錐依然存在許多問題，Gil等[68]針對加工球墨鑄鐵的絲錐磨損機理進行了研究，結果表明，絲錐磨損的最嚴重部位位于最后一個切削齒和第一個成形齒之間，主要的磨損形式為黏結磨損，此外，涂層剝落也是攻絲過程中的主要失效方式之一。Barooah等[69-70]針對涂層擠壓絲錐的磨損進行了研究，結果表明，主要的磨損為涂層剝落、黏結磨損和磨粒磨損，如圖14所示。Fernandes等[71]針對鋁合金內螺紋加工的磨損機理進行了研究，研究表明，在加工過程中，絲錐存在DLC涂層剝落，切削絲錐入口處鋁黏結、塑性變形和側面磨損均較為嚴重。

上述研究表明，涂層絲錐也存在嚴重的黏結磨損和磨粒磨損，而涂層絲錐最主要的失效方式為涂層剝落。涂層剝落后基體的裸露加速了失效，并且涂層剝落后由于涂層本身存在脆性，在半封閉式的加工環境中可以作為較硬的磨粒[72]，從而增大攻絲扭矩、切削力、內螺紋表面粗糙度等。造成涂層剝落最主要的原因為絲錐基體表面存在一定的缺陷，膜基結合力較差。此外，黏結磨損也會導致涂層與基體分離，從而導致絲錐涂層剝落。

圖14 絲錐磨損失效圖[69]

現階段的絲錐涂層研究仍存在許多問題，仍需進一步探索不同涂層與不同類型絲錐、不同加工材料的適配性及其失效機理。因此，要想大幅度提高涂層絲錐的切削性能，需提升膜基結合力、對PVD涂層成分和組織結構進行重新設計，如沉積硬度和結合力高的支撐層，表面涂覆硬度高、表面光滑和與鋼基體親和性低的自潤滑涂層，進而改善涂層絲錐加工時的加工特性，從而達到絲錐提質延壽的要求。

4 絲錐提質延壽新途徑

綜上可知，無論是刃口鈍化、PVD涂層還是碳膜涂層，均對提升絲錐切削性能有重要意義。但如果絲錐涂層膜基結合力差，將導致涂層剝落、使基體裸露。結合絲錐的加工方式和特點，絲錐和切屑惡劣的接觸行為會造成嚴重的材料黏附情況，最終導致絲錐失效，因而絲錐服役性能的提升主要在于改變切屑與刀具的接觸行為和提高抗黏接性能及涂層膜基結合力，進一步優化涂層的成分和結構等。綜合現階段的表面處理技術，本文提出了除鈍化處理、PVD涂層外的兩大新途徑：表面微/納織構處理技術及高熵合金涂層，以期為后續絲錐的提質延壽提供一個方向。

4.1 表面微/納織構

近年來，相關學者認為微織構可以對表面的摩擦學特性、力學特性等有重要的調控作用[73]。在刀具上利用激光加工技術、電火花技術、離子刻蝕技術以及機械微磨削加工出具有不同形狀尺寸和分布特征的微凹坑、溝槽等陣列結構時[74]，合理的微織構可以有效改善刀具與材料表面的接觸方式和潤滑方式，其減摩機理主要有3個方面[75-79]：減小刀具與切屑間的接觸長度和面積，降低切削力和切削溫度；有效地存儲潤滑劑，有助于實現微量潤滑；收集磨屑，改善磨粒磨損行為。減磨機理如圖15所示。

圖15 刀具磨損機理[79]

相關研究發現，微織構除了可以改善刀-屑界面的接觸特征、減少材料黏附外，還可以改善基體的表面狀態，改變基體表面的粗糙度，增大膜-基結合界面接觸面積，增大涂層與基體之間的咬合力，從而提升涂層的結合力[79-80]。Zhang等[81]研究發現，涂層中通常具有較高的殘余應力，而具有微/納復合的織構凹槽可以分散涂層的內應力和摩擦接觸角，從而使涂層具有優異的結合力，涂層與基體界面咬合示意圖如圖16所示。Liu等[82]研究發現，表面納米級微織構可以增大界面面積和降低涂層彈性模量進而改變表面結構、提高膜基結合力，在涂層剝落后納米級微織構表現出衍生切削，進而使刀具具備更好的側面耐磨性，如圖17所示。

上述關于微/納織構的研究均在車刀、銑刀等其他刀具上得到了較好的應用，說明微/納織構對改善刀-屑界面的接觸特征及摩擦磨損性能、減少材料黏附、提升膜基結合力等有重要意義。絲錐加工時，刃口與被加工材料接觸面發生劇烈的摩擦，刃口處切削溫度劇增，材料黏附嚴重而致使扭矩瞬間增大，最終導致絲錐折斷失效。因此，在絲錐中引入微/納織構，將能較好地改善絲錐加工過程中刀-屑界面的接觸特征，改變其摩擦磨損性能，減少材料黏附，從而改善切削過程中由于黏結磨損而產生的扭矩增大、絲錐失效等情況。此外，引入微/納織構能夠有效提高涂層與基體的結合力，大幅度延遲涂層絲錐的服役壽命。然而，目前有關絲錐表面微/納織構的研究至今尚未見報道，但微/納織構在車刀、銑刀等切削刀具的應用可為高性能絲錐的開發提供依據。

圖16 涂層與基體界面咬合示意圖[81]

圖17 不同刀具橫界面組織[82]

4.2 高熵合金涂層

高熵合金涂層是現階段表面工程領域一個新的研究熱點，作為材料領域的三大突破之一，高熵合金一般由5種或5種以上的合金元素以等摩爾比或近等摩爾比配比組成，由于受到高熵效應、緩慢的原子擴散效應、嚴重的晶格扭曲效應以及雞尾酒效應等高熵四大核心效應的影響[83]，同時高熵合金氮化物、碳化物等含有金屬鍵、離子鍵和共價鍵，因此，高熵合金涂層表現出比傳統涂層更優異的綜合力學性能，如高硬度和彈性模量、優異的耐腐蝕性能、高耐磨損性能和高熱穩定性能等[84]，而且可以根據不同工況的需求，制備相應的高熵合金涂層。

目前針對高熵合金氮化物涂層的研究主要包括FeCoNi基[85]、TiZr基[86]和AlCrTi基[87]。Chen等[88-89]研究了CrN-AlCrN-AlCrTiSiN梯度高熵氮化物涂層，該涂層的硬度高達36 GPa，涂層可承受1 100 ℃高溫，且表現出高紅硬性（27 GPa），與AlCrN、AlTiN等傳統涂層相比，該涂層具有更好的耐熱、抗熱疲勞與耐腐蝕性能，較高的硬度和彈性模量可以有效降低涂層的磨損率。AlCrTi基高熵合金氮化物涂層表現出更高的紅硬性、熱穩定性和抗高溫氧化性。高的紅硬性和熱穩定性確保涂層刀具具有優異的抗磨粒磨損性能；高的抗高溫氧化性能確保涂層刀具具有優異的抗氧化磨損性能，同時，氧化膜與鋼材具有低的親和性，能有效改善涂層刀具的抗黏結磨損性能。

目前，高熵合金氮化物涂層在刀具中的研究主要集中在車刀、銑刀等，而關于絲錐涂層的研究僅局限于市場主流的傳統涂層。高熵合金氮化物涂層具備優異的綜合性能，如AlCrTi基高熵合金氮化物涂層具有高硬度和彈性模量、優異的耐腐蝕性能、高耐磨損性能和高熱穩定性能。通過加強高熵涂層的相關理論以及合理設計合金成分組元和涂層工藝，能夠獲得與絲錐相適應的高性能新型高熵合金氮化物涂層。如添加Nb、W等元素提高涂層的硬度和紅硬性；添加Al和Cr元素提高涂層的抗高溫氧化性能；添加Si元素，有助于形成納米結構，提高涂層的硬度；添加V和Mo元素可以在摩擦界面上形成自潤滑特性的V2O5和MoO3，起減磨作用[90]。因此，高熵合金氮化物涂層絲錐具有很深遠的研究意義和較好的發展前景，可為絲錐后續的涂層表面處理技術提供一個新的研究方向。

5 結語與展望

絲錐是一種內螺紋加工的專用刀具。經過長期發展，根據被加工材料的性質，絲錐主要分為四大類。隨著不銹鋼、鈦合金、淬硬鋼、鎳基高溫合金等典型難加工材料的廣泛應用，攻絲工況越加苛刻，這對絲錐性能提出了更高的要求。截至目前，PVD技術和鈍化技術是市場上絲錐主流表面處理技術。單一表面處理技術的缺點比較明顯：PVD涂層脆性大，刃口區易出現微崩刃；涂層與基體結合力較低，攻絲時涂層易剝落，剝落涂層碎片充當磨料，加速切削刃的磨損；PVD涂層成分和組織結構直接決定了涂層的力學物理和化學性能，最終影響了涂層絲錐加工性能；PVD涂層表面的硬質微顆粒，在切削時會對涂層產生強烈的剪切作用，產生磨粒磨損。鈍化處理難以大幅度提高絲錐表面硬度和耐磨性，改善絲錐耐磨性能?；诖?，未來絲錐表面處理技術的研究方向可以概括為：1）利用現有的鈍化工藝，尋找出與不同類型絲錐適配的鈍化工藝，獲得合適的刃口形貌；2）利用激光加工等技術，在絲錐刃口表面上加工出不同形狀尺寸的微/納織構，從而改變絲錐的刀-屑接觸行為，提升抗黏結性能，提高涂層膜基結合力，從而提升絲錐切削性能；3）結合絲錐的加工方式和特點，對應用于絲錐的主流涂層組織成分和結構進行優化和設計，并研究高熵涂層相關理論，開發適用于絲錐的高熵合金氮化物涂層；4）探索出多種表面處理技術復合的工藝，如絲錐基體鈍化前處理、表面微織構、PVD涂層優化設計與制備和涂層后拋光處理，進而獲得一種表面硬度、耐磨性和結合力高以及表面光潔的自潤滑PVD涂層，以大幅度提高絲錐抗磨損性能、加工性能，實現內螺紋孔高效高質和低成本加工。

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Research Progress on Surface Treatment of Thread Tap

1,1,1,1,2,3,1*

(1. Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. Qingyuan Yuebo Technology Co., Ltd., Guangdong Qingyuan 511500, China; 3. Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510006, China)

Thread connection is one of the most common connection methods, which has been widely used in mold, aerospace, petrochemical, 5G communications, new energy vehicles and other industries. Tap is a special tool for small and medium-sized internal thread machining. It is almost the only effective process method for small thread hole machining. It is different from the traditional tools such as turning tools and milling cutters. It is closed for cutting and belongs to semi-closed and multi-cutting edge forming processing. Its quality directly affects the internal thread processing quality and processing efficiency. Starting from four common types of tap, the processing characteristics, processing materials and application scope of different taps are expounded and the geometric structures of taps are briefly introduced. Secondly, the common processing problems and failure forms of tap are introduced. Then, the effect of single surface treatment technology on the surface quality and processing performance of the tap is emphatically expounded, and the relationship between the surface treatment technology of the tap in China and abroad, including edge passivation, physical vapor deposition (PVD) nitride coating and special film and cutting performance is investigated. At the same time, the strengthening mechanism of different surface technologies is summarized, and the future prospect is put forward according to the research status in China and abroad.

Tap surface treatment technology mainly includes edge passivation, physical vapor deposition nitride coating, etc. The edge passivation greatly reduces or even eliminates the machining defects at the edge of the tap, and obtains the appropriate surface morphology of the edge. At the same time, it reduces the residual stress, improves the edge strength and fatigue resistance, reduces the surface roughness of the edge area, inhibits the generation of chip tumors, improves the wear resistance of the tap, and enhances the adhesion of the subsequent PVD coating. Good edge morphology and surface quality are of great significance to improve the cutting performance of the tap. PVD technology is the mainstream method to improve the machining performance of taps. For example, TiN, TiCN, TiSiN and other coatings have the advantages of high hardness, excellent wear resistance, and low affinity with metal, which can effectively reduce the cutting force and cutting heat. Improving the processing life of taps, product quality and processing efficiency can reduce the friction during thread cutting, prevent adhesion, reduce the cutting temperature and cutting torque, reduce tool wear, and prevent the formation of chip tumors, thereby improving the cutting performance of taps. However, spalling, adhesive wear and abrasive wear of PVD coating are the main factors affecting its life improvement.

Finally, the advantages and disadvantages of Chinese and foreign tap surface treatment technology are comprehensively analyzed, and a composite tap surface strengthening technology is proposed. Firstly, the passivation treatment is used to remove the defects such as processing lines, micro cracks and burrs at the edge, and the edge with appropriate arc radius is obtained. Secondly, the feature processing technology (mainly laser) is used to process different geometric patterns in the edge area, which greatly improves the bonding force of PVD coating, improves the friction characteristics of cutting edge and chip, and enhances the anti-adhesion performance. Finally, the composition and structure of PVD coating are designed to prepare PVD high entropy coating with strong anti-bonding and anti-abrasive wear. The above composite processing technology is expected to achieve high quality and efficient processing of internal thread hole, which is the development direction of improving the performance of the tap.

tap; failure mechanism; physical vapor deposition; passivation treatment; thread machining performance

2022-07-04；

2022-09-05

TG722

A

1001-3660(2023)10-0124-17

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.009

2022-07-04；

2022-09-05

廣東省重點研發計劃（2020B010185001）；國家自然科學基金（52301184）；廣東省自然科學基金（2022A1515010210，2022A1515110035）；清遠市科技項目（2022KJJH023）；江西省重點研發項目（20212BBE53044）

The Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province (2020B010185001); the National Natural Science Foundation of China (52301184); the Natural Science Foundation of Guangdong Province (2022A1515010210, 2022A1515110035); the Project of Science and Technology of Qingyuan City (2022KJJH023); the Key Research and Development Program of Jiangxi Province (20212BBE53044)

陳汪林, 李喆, 黃勇浩, 等. 螺紋絲錐表面處理研究進展[J]. 表面技術, 2023, 52(10): 124-140.

CHEN Wang-lin, LI Zhe, HUANG Yong-hao, et al. Research Progress on Surface Treatment of Thread Tap[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 124-140.

通信作者（Corresponding author）

責任編輯：蔣紅晨