基體梯度結(jié)構(gòu)對TiN涂層硬質(zhì)合金力學(xué)和切削性能的影響

王社權(quán) ，陳康華，徐銀超，祝昌軍，謝燦強(qiáng)，陳響明

(1.中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083；2.株洲鉆石切削刀具股份有限公司，株洲 412000)

作為切削刀具使用的傳統(tǒng)硬質(zhì)合金存在強(qiáng)度(韌性)和硬度(耐磨性)之間的矛盾，科研工作者一方面通過改變硬度合金微觀結(jié)構(gòu)的分布特征，使材料的結(jié)構(gòu)在一維、二維和三維的空間出現(xiàn)梯度變化，表面形成大約10～15 μm厚的缺立方相碳化物和碳氮化物韌性區(qū)，此結(jié)構(gòu)具有良好的塑性和韌性，可提高硬質(zhì)合金切削工具的使用性能[1?4]。另一方面，在基體結(jié)構(gòu)不變化的情況下，通過表面涂層的方法，提高刀具的耐磨性能[5?7]。尹飛等[8]采用 CVD沉積工藝在梯度和均質(zhì)硬質(zhì)合金基體的沉積TiCN/Al2O3/TiN涂層，結(jié)果表明：基體梯度化后，由于表面韌性區(qū)的形成，涂層硬質(zhì)合金在保持耐磨性的同時(shí)，抗彎強(qiáng)度得到了提 高，對應(yīng)的抗沖擊性能提高83.8%。對于PVD涂層刀具，較多的研究集中在TiN涂層的基礎(chǔ)上進(jìn)行多元化涂層[9]和多層涂層[10]改變涂層的硬度和韌性來提高刀具的壽命，但從基體角度來改善涂層刀具性能的研究較少。本文作者從研究基體的角度出發(fā)，為提高PVD刀具切削性能探尋一種新的研究方法。采用陰極弧蒸發(fā)涂層工藝在均質(zhì)和梯度硬質(zhì)合金基體上沉積TiN涂層，研究硬質(zhì)合金基體梯度化對TiN涂層硬質(zhì)合金的力學(xué)性能和切削性能帶來的影響，該研究結(jié)果可為新型PVD涂層硬質(zhì)合金刀具的開發(fā)應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

采用市售WC粉末、(W , Ti)C、( Ta,Nb)C、TiCN固溶體粉末、Co粉為實(shí)驗(yàn)原材料，按表1所示配制2種不同成分的混合料，混合料通過濕磨、噴霧干燥，壓制成長、寬、高分別為21.00 mm、6.50 mm、5.25 mm的試樣條，然后壓坯、燒結(jié)，并通過控制氣氛得到均質(zhì)基體和梯度基體。采用工業(yè)化生產(chǎn)的涂層設(shè)備(Balzers Oerlikon rapid cooling system, RSC)在兩種基體上采用陰極弧蒸發(fā)涂層工藝制備TiN涂層，所用的靶材為粉末冶金方法制備的Ti靶通入氮?dú)夥磻?yīng)，溫度為350 ℃，真空時(shí)壓力為0.5 MPa，沉積時(shí)，壓力為580 MPa，得到均質(zhì)和梯度基體TiN涂層硬質(zhì)合金樣品，分別記為試樣1和試樣2。

表1 混合料成分Table 1 Compositions of substrate materials

采用 DMRE金相顯微鏡觀察顯微組織，SEM 對涂層硬質(zhì)合金形貌進(jìn)行觀察。用二次離子質(zhì)譜儀測量樣品從表面到內(nèi)部鈷元素成分分布，采用 Buehler MicroMet5104型顯微硬度計(jì)，在不同載荷下對樣品的顯微硬度進(jìn)行測試，加載時(shí)間為15 s。在WD?5A萬能材料試驗(yàn)機(jī)上用三點(diǎn)彎曲法測量抗彎強(qiáng)度，用TNMG120408型號的涂層刀片連續(xù)切削不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)比較涂層硬質(zhì)合金的耐磨性，刀具幾何參數(shù)：γ0=?6°、α0=6°、λs=?5°、κr=90°，f=0.2 mm/r，ap=0.2 mm，在160 m/min和280 m/min不同速度下進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。后刀面的磨損量每隔3 min被測量一次，當(dāng)磨損量超過0.2 mm時(shí)，認(rèn)為刀片失效。

為了更全面地評價(jià)涂層硬質(zhì)合金的性能，本文作者對合金進(jìn)行沖擊韌性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的方法是采用端面車削，在一根圓棒中間鉆直徑40 mm的孔，并在棒料的外圓銑4個(gè)對稱槽。端面車削的切削條件為v=150 m/min，f = 0.2 mm/r，ap=1.0 mm。刀片出現(xiàn)崩刃或破損時(shí)認(rèn)為刀片失效，刀片切過槽的數(shù)量來評價(jià)刀片的沖擊韌性，即所能承受的沖擊次數(shù)。

2 結(jié)果和分析

2.1 涂層硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)

圖1 均質(zhì)和梯度基體合金的金相組織Fig.1 Optical microstructures of homogeneous(a)and gradient(b)substrates

圖1所示為兩種基體的金相組織。由圖1可以看出，均質(zhì)基體合金的結(jié)構(gòu)組織由 WC、Co、(W, Ti)C固溶體以及(Ta, Nb)C固溶體組成，其中(W, Ti)C固溶體與(Ta, Nb)C固溶體為立方結(jié)構(gòu)相，而梯度基體結(jié)構(gòu)合金中除含上述結(jié)構(gòu)基體外，其表面有一層平均厚度為15～20 μm左右的物質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，該層物質(zhì)是缺碳化物和碳氮化物立方相混合區(qū)域。圖2所示為梯度基體合金中Co元素的分布曲線。由圖2可以看出，由表及里Co元素含量不斷增加，距離表面10 μm處，Co元素含量最高，隨后趨于名義成分。上述結(jié)果表明，基體合金通過可控氣氛燒結(jié)后，在表面層與基體形成了一種化學(xué)成分的梯度結(jié)構(gòu)。

圖2 梯度基體中Co元素的分布圖Fig.2 Co elements distribution on surface of gradient substrate

圖3所示為兩種基體合金的表面形貌，其中，白色的為WC顆粒，黑色的為Co相。從圖3可知：均質(zhì)基體表面的 Co含量相對較多，而梯度基體表面主要為WC顆粒，只有少量的Co相存在，均質(zhì)基體表面比較平整，而梯度基體表面WC顆粒成不規(guī)則分布，表面成分和形貌的不同，對涂層的生長方式可能產(chǎn)生一定的影響。

圖4所示為不同基體結(jié)構(gòu)TiN涂層硬質(zhì)合金沉積態(tài)表面形貌。由圖4可知，兩種樣品表面都存在白色的微粒和微孔。這是由于陰弧沉積過程中，靶材宏觀粒子的蒸發(fā)引起的，這些缺陷對涂層的力學(xué)性能會產(chǎn)生一定的影響[11]。兩種涂層硬質(zhì)合金表面形態(tài)存在明顯差異，均質(zhì)基體TiN涂層硬質(zhì)合金表面平整，梯度基體TiN涂層硬質(zhì)合金表面呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布，顯得比較粗糙，原因是由于不同基體表面 Co含量差異，導(dǎo)致基體表面成分和形貌發(fā)生變化，基體和涂層之間的潤濕性也產(chǎn)生了變化，影響TiN涂層早期的生長方式。梯度基體TiN涂層硬質(zhì)合金表面比較粗糙，呈網(wǎng)狀分布，這是薄膜島狀生長的一般特征。

圖3 硬質(zhì)合金基體的表面形貌Fig.3 SEM images of cement carbides surface∶ (a)Homogeneous substrate; (b)Gradient substrate

圖4 TiN涂層硬質(zhì)合金表面形貌Fig.4 SEM image of TiN coated cemented carbide∶(a)Homogeneous substrate; (b)Gradient substrate coated cement carbides

2.2 梯度結(jié)構(gòu)對TiN涂層硬質(zhì)合金力學(xué)性能的影響

圖5所示為兩種涂層硬質(zhì)合金在不同載荷下的顯微硬度。由圖5可知，試樣2的顯微硬度明顯高于試樣1的，原因是PVD涂層在沉積的過程中基體表面狀態(tài)不同影響TiN的生長，涂層中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力發(fā)生了變化，殘余應(yīng)力σr可表示為[12]

式中：Es是基體的彈性模量；ds是基體的厚度；sν是基體的泊松比；dc是涂層的厚度；R是由于涂層中殘余應(yīng)力所引起變形表面的半徑。

硬質(zhì)合金 Co含量越低，它的彈性模量越大，而泊松比基本相等[13]，梯度基體表面Co含量低，所以，試樣2的TiN涂層中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大，而TiN涂層的殘余應(yīng)力與硬度基本上成正比關(guān)系[14]，所以梯度基體涂層硬質(zhì)合金的硬度值較高；另一方面，基體的硬度對所測量的涂層硬度也有一定的影響，可表示為[15]

式中：Hf為涂層的本身硬度；Hc為涂層測量硬度；Hs為基體硬度；t為涂層的厚度；d為壓痕深度；壓痕深度大約為對角線長度的 1/7；C為常數(shù)。所以，Hc隨著Hs的增大而增大。梯度基體表層Co含量比較低，而Co的硬度比WC的低，所以梯度基體表層的硬度相對高些，沉積TiN涂層后，試樣2的顯微硬度大于試樣1。

圖5 TiN涂層硬質(zhì)合金的顯微硬度Fig.5 Micro-hardness of TiN coated cemented carbides

在不同的載荷下，兩種試樣隨著載荷的增加，顯微硬度值呈減少趨勢，這是由于隨著載荷的增加，壓痕深度逐漸增加，測量的顯微硬度值由涂層向基體轉(zhuǎn)變，如式(2)所示，測量硬度 Hc與壓痕深度 d成一定的負(fù)相關(guān)的關(guān)系，所以，隨著載荷的增加，所測量的涂層硬質(zhì)合金的顯微硬度受基體的影響越來越嚴(yán)重。

表2所列為涂層硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。涂層前，梯度基體比均質(zhì)基體抗彎強(qiáng)度高6.1%，這是由于梯度基體表面有一層脫β層，它除了阻止表面裂紋源的生成外還能有效地阻止合金內(nèi)部的裂紋向表面擴(kuò)展, 提高合金強(qiáng)度，而涂層后，兩種涂層硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度比涂層前都有所上升，試樣2的抗彎強(qiáng)度稍微高于試樣1。這與CVD涂層后抗彎強(qiáng)度下降的結(jié)果卻是相反的[8]。化學(xué)氣相沉積是高溫沉積，涂層和基體熱膨脹系數(shù)的差別產(chǎn)生熱應(yīng)力，涂層在生長過程中會產(chǎn)生生長應(yīng)力，這兩種應(yīng)力致使 CVD涂層表面形成拉應(yīng)力，表面會產(chǎn)生裂紋，致使抗彎強(qiáng)度下降。而 PVD涂層表面形成壓應(yīng)力[16]，表面沒有裂紋，所以它的抗彎強(qiáng)度反而上升。試樣2的抗彎強(qiáng)度高于試樣1的，這是由于梯度基體的表層韌性區(qū)域能夠有效地阻止涂層中萌生的裂紋向合金基體的擴(kuò)展, 提高了強(qiáng)度。沖擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，TiN涂層硬質(zhì)合金梯度化后，沖擊次數(shù)由3 373次提高到3 740次，抗沖擊性能提高10%左右。

表2 兩種不同的基體結(jié)構(gòu)在涂層前后的抗彎強(qiáng)度比較Table 2 Bending strength of two kinds substrate before and after coating

表3所列為TiN涂層硬質(zhì)合金刀片在160 m/min和 280 m/min的切削速度下連續(xù)切削不銹鋼1Cr18Ni9Ti切削壽命對比。由表4可以看出，在不同的速度下，梯度基體涂層刀片的壽命都提高15%左右，這主要是由于梯度基體涂層的硬度明顯高于均質(zhì)基體涂層，刀片的耐磨性得到提高。圖6所示為TiN涂層硬質(zhì)合金刀片在 160 m/min速度下切削不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)12.5 min后前、后刀面的磨損形貌。從圖6可以看出，刀片磨損形式為粘結(jié)磨損和磨粒磨損共存，在前刀面上形成了一個(gè)正前角切屑瘤刀尖，梯度基體涂層刀片的切屑瘤較少。均質(zhì)基體涂層刀片前刀面的磨損比較嚴(yán)重，有形成月牙洼的趨勢。

表3 TiN涂層硬質(zhì)合金刀片在不同速度下連續(xù)切削不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)的壽命Table 3 Life-time of TiN coated inserts during continuous turning of stainless steel (1Cr18Ni9Ti)at different speeds

3 討論

硬度測試和磨損試驗(yàn)有共同的特征，即兩者的材料抗力都只限于發(fā)生在表面層上。在做硬度測試時(shí)，材料抗力導(dǎo)致局部范圍內(nèi)的塑性變形，從而形成壓痕。磨損時(shí)，在表面范圍內(nèi)往往也發(fā)生塑性變形，特別是磨粒磨損時(shí)，這種塑性變形與硬度測試時(shí)的情況很相似，它伴隨有一個(gè)壓入過程。由圖6可知：刀具在切削過程中主要磨損形式為磨粒磨損，所以刀具的硬度較高時(shí)，在切削過程中也會表現(xiàn)出較高的壽命。基體經(jīng)過梯度化后，涂層硬質(zhì)合金的顯微硬度提高19%左右，所以在以磨粒磨損為主的情況下，刀具的壽命得到相應(yīng)的提高。

刀具在切削時(shí)，在較大的正壓力和適當(dāng)?shù)那邢鳒囟茸饔孟?，切屑與前刀面和工件與后面之間的吸附薄膜被擠破，形成新鮮表面而緊密接觸，發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。粘結(jié)磨損的強(qiáng)度與接觸面間的壓力、溫度和工件材料與刀具材料的親合力、硬度比等有關(guān)[17]。TiN涂層硬質(zhì)合金刀片在切削不銹鋼時(shí)，不同基體的TiN涂層硬質(zhì)合金刀片，在相同的切削條件下，兩者粘結(jié)磨損差異主要是刀片與切削材料的硬度比不同，梯度基體涂層硬質(zhì)合金硬度高，刀具塑性變形相對比較困難，刀具與不銹鋼的真實(shí)接觸面積較小，發(fā)生粘結(jié)磨損的程度相對小一些。

材料的硬度和韌性是一對矛盾體，也是刀具材料所應(yīng)克服的一個(gè)關(guān)鍵問題。一般刀具材料硬度越高，沖擊韌性越低，材料越脆。本文作者通過對TiN涂層硬質(zhì)合金的基體進(jìn)行梯度處理，提高了其硬度；梯度基體表面韌性區(qū)的形成能夠有效阻止裂紋向合金基體的擴(kuò)展, 提高了其沖擊韌性。

圖6 不同基體TiN涂層硬質(zhì)合金刀片經(jīng)160 m/min切削12.5 min后刀面磨損形貌Fig.6 Wear morphologies of rake and flank of TiN coated cemented carbide after cutting for 12.5 min at 160 m/min∶(a)Homogeneous substrate, rake wear; (b)Homogeneous substrate, flank wear; (c)Gradient substrate TiN coated cemented carbide tools, rake wear; (d)Gradient substrate TiN coated cemented carbide tools, flank wear

4 結(jié)論

1)硬質(zhì)合金基體經(jīng)過梯度化處理后，由于表面Co含量的不同，基體表面成分和形貌發(fā)生變化，影響TiN涂層的生長方式，涂層表面形貌發(fā)生變化，由平整狀變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2)基體經(jīng)過梯度化處理后，TiN涂層硬質(zhì)合金的硬度明顯提高，抗彎強(qiáng)度稍微提高。

3)基體經(jīng)過梯度化處理后，TiN涂層硬質(zhì)合金刀片的切削壽命提高 15%左右；抗沖擊性能提高 10%左右。

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