基体的梯度结构对涂层硬质合金性能的影响

 尹 飞^{1, 2}, 陈康华¹, 王社权^{1, 2}

(1. 中南大学 粉末冶金国家重点实验室, 湖南 长沙, 410083;

2. 株洲钻石切削股份有限公司, 湖南 株洲, 412000)

摘要: 通过控制烧结气氛制备了均质和梯度结构的硬质合金基体, 并用化学气相沉积制成涂层硬质合金及切削刀片。 采用光学显微镜和扫描电镜观察, 通过显微硬度抗弯测试和切削试验对均质基体和梯度基体的涂层硬质合金的组织特征与性能进行对比研究。 研究结果表明, 梯度结构的硬质合金基体可以提高涂层硬质合金的抗弯强度; 相对于均质基体的涂层硬质合金刀片, 梯度基体的涂层硬质合金刀片在保持耐磨性能的同时能显著提高抗冲击性能。 基体涂层合金的组织结构及断口特征显示, 梯度基体表层韧性区可阻碍裂纹的扩展。

关键词: 梯度功能材料; 硬质合金; 裂纹扩展; 涂层

中图分类号:TF125.3 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)05-0776-04

Influences of functionally graded structure of substrate on performance of coated cemented carbide

YIN Fei^{1, 2}, CHEN Kang-hua¹, WAN She-quan^{1, 2}

(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co. LTD, Zhuzhou 412000, China)

Abstract: The coated cemented carbides with gradient and normal structure substrates were processed by gas-composition-adjusting sintering and chemical vapor deposition respectively. The microstructure and mechanical performance of coated cemented carbides with gradient and normal structure substrates were studied by optical microscopy, scanning electron microscope, microhardness measurement, transverse rupture and cutting test. The coated cemented carbide with the gradient structure substrate has higher transverse rupture strength, longer impact cutting life and the same wear resistance, compared to the coated cemented carbide with the normal structure substrate. Microstructure and fracture surface show that the tough surface zone in the gradient substrate can prevent crack propagation.

Key words: functionally graded structure; cemented carbide; crack propagation; coating

   为了提高硬质合金切削工具的使用寿命和切削性能, 通常采用化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)方法在合金的表面涂敷一层TiN, TiC, Ti(C, N)或Al₂O₃等高硬度耐磨材料的薄层^[1-4]。 但是, 不同材料的热膨胀系数不同, 涂层材料在冷却过程中由于热应力的作用易产生裂纹^{[5, 6]}。 近年来, 为了防止由于涂层裂纹萌生和扩展导致的材料[CM(22] 失效, 在工艺实践上, 人们提出在涂层之前对合金基体进行梯度化处理或烧结, 使其表层形成缺碳化物和碳氮化物立方相的区域, 该区域的粘结剂含量高于基体名义粘结剂的含量, 其韧性强于基体内层韧性^[7-11]。 当涂层中形成的裂纹扩展到该区域时, 由于其具有良好的塑性和韧性, 可阻止裂纹向合金内部扩展, 提高硬质合金切削工具的使用性能。 本文作者通过对比均质基体与梯度基体的涂层硬质合金的性能及其组织特征, 研究了基体的梯度结构对涂层合金性能的影响及其机理。

1 实验方法

1.1 材料制备

原料粉末为市售的WC粉末、 (W, Ti)C固溶体粉末、 (Ta, Nb)C固溶体粉末、 Co粉。 按82.5% WC, 6.0%(W, Ti)C, 6.0%(Ta, Nb)C和5.5%Co(质量分数)进行混合, 通过湿磨、 喷雾干燥、 压制成长×宽×高为6.50 mm×5.25 mm×21.00 mm的试样条和符合ISO标准的CNMG120408刀片压坯。 将压坯经过普通烧结和控制气氛的组织梯度化烧结, 制成WC-(W, Ti)C-(Ta, Nb)C -5.5%Co的均匀基体和梯度基体。

将分别具有均质和梯度结构的2种不同的基体采用相同的化学气相沉积条件制成TiCN/ Al₂O₃/TiN涂层的硬质合金。 采用中温TiCN涂层工艺(MT-CVD), 涂层为6 μm TiCN, 4 μm Al₂O₃, 1 μm TiN。

1.2 性能测试

a. 采用SANS公司的CMT万能试验机测定合金抗弯强度。

b. 采用日本Future-tech 公司的数字显示FV-700维氏硬度仪测定合金维氏硬度。

c. 刀片切削性能测试。

(1) 刀片的连续切削试验(检验耐磨性)。 以CNMG120408型号的刀片切削45号钢和HT300, 以CNMG120408-DM型号的刀片切削1Cr18Ni9Ti。 切削参数如下:

刀片型号: CNMG120408, CNMG120408-DM; 刀具几何参数: γ₀=-6°, α₀=-6°, λ_s=-5°, κ_r=90°; 切削用量: f=0.2 mm/r, a_p=1.0 mm; 切削速度: 200~400 m/min。

(2) 刀片断续切削试验(检验抗冲击性能)。 在45号钢的工件上开4条槽, 槽宽为18 mm, 进行端面车削。 切削参数为:

刀片型号: CNMG120408; 刀具几何参数: γ₀=-6°, α₀=-6°, λ_s=-5°, κ_r=90°; 切削用量: f=0.2 mm/r, a_p=1.0 mm; 转速g=380 r/min。

1.3 组织结构分析

采用Leica公司的DMRE观察金相组织; 采用LEO1525 FE-SEM进行断口分析; 用背反射电子像进行能谱分析。

2 结果与分析

2.1 涂层前后抗弯强度与显微硬度的比较

将长×宽×高为6.50 mm×5.25 mm×21.00 mm的烧结试样通过化学气相沉积制成TiC/ Al₂O₃/TiN涂层的合金试样。 涂层前、 后试样的抗弯强度与显微硬度的变化如表1所示。 可见, 涂层前、 后梯度基体合金的抗弯强度都大于均质基体合金的抗弯强度, 2种基体内部的显微硬度在涂层前、 后都基本保持不变, 即梯度基体在保持硬度相当的情况下可以提高合金的强度。

表 1   涂层对合金抗弯强度与显微硬度的影响

Table 1   Effects of coating on transverse rupture strength and microhardness of cemented carbide

2.2 涂层刀片切削性能的比较

涂层刀片的连续和断续切削试验的结果如表2和表3所示。 从表2可知, 2种不同的基体材料经过涂层以后, 其耐磨性基本保持不变。 即在相同的切削条件下, 对于相同的被加工材料, 刀片的磨损寿命相差不大。 但从表3可以看出, 在相同的断续冲击切削试验条件下, 梯度基体的涂层硬质合金刀片的刀尖耐冲击次数明显增多, 即梯度基体的涂层硬质合金刀片的抗冲击性能明显地优于均质基体的涂层合金刀片的抗冲击性能。

表 2   涂层合金的连续切削试验结果

Table 2   Continuous cutting life test results of coated cemented carbides

表 3   涂层合金的冲击切削试验结果

Table 3   Impact cutting life test results of coated cemented carbides

2.2 合金组织结构

2种不同基体在涂层前(即烧结态)的金相组织分别如图1和图2所示。 梯度基体表面的韧性层(即WC+Co相)的厚度为15~20 μm。 用EDX分析梯度基体的元素分布。 梯度合金距表面50 μm的元素分布如图3所示。 在距表面15~20 μm的区域内, Ti元素的含量很低, 观察不到。 可知合金表面没有固溶体相(固溶体相为(W, Ti)C固溶体和 (Ta, Nb)C固溶体), 该结果与M.Ekroth^[5]对梯度硬质合金表面韧性区的EMPA分析结果相同。 2种不同的基体涂层后的金相组织分别如图4和图5所示。

图 1   涂层前均质基体的金相组织

Fig. 1   Microstructures of normal material before coating

图 2   涂层前梯度基体的金相组织

Fig. 2   Microstructures of graded material before coating

图 3   梯度合金表层(50 μm)元素分布(基体内部元素含量为基准, 取为1)

Fig. 3   Elements distribution in surface of gradient cemented carbide(50 μm)

图 4   涂层后均质基体的金相组织

Fig. 4   Microstructures of normal material after coating

图 5   涂层后梯度基体的金相组织

Fig. 5   Microstructures of graded material after coating

2.3 涂层合金断口形貌分析

均质和梯度基体涂层后的断口形貌分别如图6和图7所示。 比较图6和图7可以看出, 图6所示的断口明显比图7所示的断口平整。 可知梯度基体涂层合金的抗冲击性能和抗裂纹扩展的性能比均质基体涂层合金的抗冲击性能和抗裂纹扩展的性能强。

图 6   均质基体涂层合金的断口形貌

Fig. 6   SEM image of coated normal substrate

图 7   梯度基体涂层合金的断口形貌

Fig. 7   SEM image of coated graded substrate

3 分析与讨论

从表1可知, 涂层后合金的抗弯强度比涂层前的抗弯强度降低了30%左右。 涂层材料与基体材料属于完全不同的材料, 2种材料的热膨胀系数不同, 必定会形成热应力; 同时, 涂层薄膜结构的非平衡性导致薄膜存在内应力。 由于热应力和薄膜生长内应力的作用, 在涂层薄膜中易萌生裂纹, 涂层薄膜裂纹的扩展导致整体材料失效, 使得涂层后合金的抗弯强度下降。

显微硬度是合金基体本征性能的表征。 由于2种基体材料的成分一致, 合金的晶粒度相同, 合金内部均质基体的性质相同, 所以, 2种合金内部均质基体的显微硬度基本相同。

图2和图3显示, 梯度基体的表层形成了15~20 μm的缺碳化物和碳氮化物立方相的韧性区域, 相应的粘结剂的含量高于基体名义粘结剂的含量。 对于涂层前的基体合金, 由于基体形成了表层韧性区域, 能够有效地阻止合金基体内的裂纹向表面扩展; 对于涂层合金, 梯度基体的表层韧性区域能够有效地阻止涂层中萌生的裂纹向合金基体的扩展, 提高合金的强度。 对比图6和图7可知, 梯度基体的涂层硬质合金的断口形貌比均质基体的涂层硬质合金的粗糙。 其原因是当涂层中的裂纹扩展到该韧性区域时, 由于其良好的塑性和韧性, 可以吸收裂纹扩展的能量, 因此, 能够有效地阻止裂纹向合金内部扩展。

4 结 论

a. 与均质基体相比, 梯度结构的基体可以在保持硬度的同时提高涂层硬质合金的抗弯强度。

b. 梯度基体的涂层硬质合金, 相对于均质基体的涂层硬质合金, 在保持刀片耐磨性的同时, 能显著提高刀片的抗冲击性能。

c. 梯度基体表面韧性区显著影响涂层合金的断裂行为。

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收稿日期:2005-03-20

基金项目: 国家自然基金委优秀重点实验室专项基金资助项目(50323008)

作者简介:陈康华(1962-), 男, 浙江宁波人, 博士, 教授, 博士生导师

论文联系人: 陈康华, 男, 博士, 教授, 博士生导师; 电话: 0731-8830714; E-mail: khchen@mail.csu.edu.cn