2 實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)果和討論

1. 涂層粉末的形貌和結(jié)構(gòu)


2. 材料的力學(xué)性能


3. 切削效果


濕化學(xué)法涂層可以通過不同材料之間的物理吸附或化學(xué)鍵合來實(shí)現(xiàn)。就實(shí)驗(yàn)中所使用的碳化物粉末而言，其粒度為微米級，顆粒表面缺陷多，比表面積大，活性高．通過掃描電子顯微鏡觀察(圖1(a))可以看到，粉末顆粒表面圓滑，無棱角，相互間形成大量團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。粉末經(jīng)稀酸浸潰處理之后，顆粒表面的氧化物被清除掉，在表層形成了大量的懸空鍵。為了達(dá)到具有較低能量的穩(wěn)定狀態(tài)，粉末表面的懸空鍵會吸附水分而形成W-HO(以WC為例)的結(jié)構(gòu)。


















(a)	(b)
圖1 WC粉末顆粒的TEM照片
(a)	(b)
圖2 涂層TiC粉末的表面形態(tài)


在勃姆石溶膠中，膠粒的尺寸為納米級，具有極大的比表面積，其吸附能力更強(qiáng)，只是由于膠粒吸附了帶有同種電荷的離子而相互排斥才形成了均一穩(wěn)定的懸浮體系。當(dāng)粉末與溶膠混合時(shí)，粉末的介入破壞了膠粒的離子氛，并且粉末與膠粒的尺寸相差很大，所以膠粒很容易吸附在粉末的表面。這時(shí)，膠粒中的Al-OR(R為異丙醇基)和Al-OH會與W-OH通過氫鍵結(jié)合在一起，形成強(qiáng)烈的吸附層。隨后，涂層中部分水解的醇化物與基體表面的-OH發(fā)生縮合反應(yīng)形成Al-O-W的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)。干燥后的涂層粉末經(jīng)過長時(shí)間球磨后，涂層并未脫落，這說明涂層與基體的結(jié)合相當(dāng)牢固，兩者之間主要是以化學(xué)鍵形式，而不是以物理吸附方式結(jié)合的。這種鍵結(jié)合形式能使涂層和粉末之間具有較高的結(jié)合強(qiáng)度，從而在燒結(jié)后仍能基本保持涂層的完整性，并且在涂層和基體顆粒之間形成良好的界面。圖1(b)是經(jīng)燒結(jié)后的涂層粉末�？梢钥闯觯�與圖1(a)相比，由于已經(jīng)形成了一層陶瓷涂層，粉末的表面形態(tài)發(fā)生了很大變化，涂層很薄，厚度并不均勻，涂層顆粒比未涂層顆粒表面略顯粗糙，但涂層相當(dāng)完整，沒有裂紋或剝落的情況。
圖2是TiC粉末涂層在預(yù)燒結(jié)前后的TEM照片。預(yù)燒結(jié)前(圖2(a))涂層為非晶態(tài)的勃母石，結(jié)構(gòu)較為散亂松弛，表面起伏不平，尚帶有明顯的膠粒粘連形態(tài)的痕跡，并且涂層相對較厚，涂層顆粒間的粘結(jié)十分嚴(yán)重。另外從圖2(a)中也能看到一些散落的涂層物質(zhì)，是在粉末的分散過程中形成的，但同時(shí)涂層仍然保持得較為完整。燒結(jié)后(圖2(b))的涂層變薄(箭頭指處是較為明顯的涂層)，表面和界面更為整齊和清晰，結(jié)構(gòu)也顯得更為致密，涂層和粉末表面的結(jié)合也比較好，界面沒有可見的縫隙和孔洞，但是涂層和粉末的粘結(jié)強(qiáng)度明顯下降，在分散的過程中，部分表面的涂層已經(jīng)脫落，涂層粉末顆粒之間的粘結(jié)也同時(shí)減弱了。圖中兩個(gè)顆粒的涂層只有一小部分粘在一起。
在實(shí)驗(yàn)中：基體材料的選擇對涂層粉末材料的性能具有重要的影響．以YT14、YW1和YG6硬質(zhì)合金為粉末基體燒制成的材料分別標(biāo)記為FYT 、FYW和FYG)內(nèi)部存在許多微裂紋，力學(xué)性能比較差，很難磨成抗彎強(qiáng)度試樣。在充分考慮材料的物理匹配和化學(xué)相容性的基礎(chǔ)上，對基體粉末中碳化物的比例進(jìn)行了調(diào)整，得到了兩種分別以TiC 和(WC , TiC)為主要成分的粉末基體，由此制成的兩種涂層粉末材料FTC1和FTC2則表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能．幾種涂層粉末硬質(zhì)合金材料的力學(xué)性能在表1中分別列出，兩種自制的氧化鋁基的陶瓷刀具材料的性能也同時(shí)列出進(jìn)行比較。
兩種涂層粉末材料的硬度比一般硬質(zhì)合金要高得多，而強(qiáng)度則略低一些，其中FTC2的抗彎強(qiáng)度最高達(dá)1100MPa，已經(jīng)接近YT15硬質(zhì)合金的水平．FTC1和FTC2的性能與兩種陶瓷刀具材料LT55和SG4相似，PTC1和SG4同樣具有較高的硬度，但FTC1的強(qiáng)度要比SG4平均高50MPa，F(xiàn)TC2則與LT55的硬度接近，其平均擾彎強(qiáng)度比LT55高約80MPa。另外，F(xiàn)TC1和FTC2的斷裂韌性都比LT 55和SG4明顯要高一些。





























































表1 幾種粉末涂層材料的力學(xué)性能
材料	硬度 HV GPa	屈服強(qiáng)度 sbb MPa	沖擊韌性 KICMPa·m½	能否 用于 刀具
FYT	140	-	7.5	否
FYW	17.5～18.5	-	6.7～7.2	否
FYG	15.5	-	5.5	否
FTC1	18.5～23.0	800～1000	5.8～7.4	可
FTC2	18.0～20.3	860～1100	5.0～5.9	可
LT55	21.0	900	5.0	可
SG4	21.5	850	4.9	可


在復(fù)合材料的燒結(jié)過程中，當(dāng)碳化物粉末中含有雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)離子由于尺寸或電價(jià)上的差異，更傾向于在晶界富集，對晶界的運(yùn)動產(chǎn)生一定的牽制作用，即所謂的雜質(zhì)牽制效應(yīng)。當(dāng)碳化物粉末被包覆上一層Al₂O₃時(shí)，Al₂O₃涂層對碳化物晶界的移動產(chǎn)生阻礙作用，碳化物晶界要向前運(yùn)動，必須克服Al₂O₃涂層所造成的阻力，而Al₂O₃的晶界要向前運(yùn)動時(shí)，碳化物顧粒又起到了釘扎的作用。這種相互牽制的結(jié)果，細(xì)化了材料的晶粒，由于脆性材料的破壞以沿晶斷裂為主。當(dāng)裂紋沿著晶界擴(kuò)展時(shí)，材料的晶粒越細(xì)，裂紋的擴(kuò)展路徑就越曲折，擴(kuò)展的路程也就越長，因此就能消耗更多的斷裂能量。另外，一般材料的初始裂紋尺寸與晶粒尺寸相當(dāng)，所以晶粒越細(xì)，初始裂紋的尺寸也就越小，綜合兩方面的效果，因?yàn)橥繉訙�緩了晶粒在燒結(jié)過程中的長大，所以只要粉末的初始尺寸小，就能得到具有較高強(qiáng)度和斷裂韌性的細(xì)晶粒材料(圖2) ．在這種涂層粉末材料中，理想的狀態(tài)是Al₂O₃ 將碳化物完全包覆，顆粒間的燒結(jié)行為只發(fā)生在Al₂O₃/Al₂O₃及Al₂O₃/金屬之間，而碳化物顆粒并不相互接觸，而是被Al₂O₃均勻地分隔開，這種近似于單一材料燒結(jié)的情況更有助于形成高致密度的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然實(shí)際情況要相差很多，仍然是一種復(fù)合材料燒結(jié)的情況。但是從另一個(gè)角度看，即把Al₂O₃作為一種添加劑，由于它是以液相浸涂的形式引入的，所以其在基體材料中分布更為均勻，而且涂層粉末未經(jīng)過預(yù)燒結(jié)，Al₂O₃和碳化物之間的界面具有更高的強(qiáng)度。界面強(qiáng)度的提高，會大大增加材料破壞時(shí)穿晶裂紋的數(shù)量。圖3中FTC1材料的斷口有清晰的解理臺階，部分晶粒斷面處有滑移紋，明顯具有穿晶斷裂的特征。大量穿晶斷裂的形成，消耗了裂紋擴(kuò)展的能量，提高了材料的強(qiáng)度和斷裂韌性。













圖3 FTC1試樣斷口形貌

圖4 v=75m/min切削淬硬T10工具鋼時(shí)后刀面的磨損情況

圖5 v=75m/min切削淬硬T10工具鋼時(shí)后刀面的磨損情況


為了檢驗(yàn)新型刀具材料的效果，分別與普通硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具和CVD法Al₂O₃陶瓷涂層刀具進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。圖4是刀具FTC1、LT55和YT15在v=75m/min，f=0.1mm/r，a_p=0.15mm的切削條件下切削淬硬T10A工具鋼時(shí)后刀面磨損情況。由圖可以看出，在這樣的條件下，由于工件材料較硬，當(dāng)切削長度為530m時(shí)，YT15后刀具磨損已達(dá)到0.58mm，不能繼續(xù)切削，而LT55和FTC1切削長度為2650m后，后刀面磨損才約0.3mm，兩者的磨損情況相似，F(xiàn)TC1的磨損比LT55還要輕微一些。
圖5是YB01、FTC1和FTC2在v=75m/min，f=0.1mm/r，a_p=0.15mm的切削條件下切削淬硬T10A工具鋼時(shí)后刀面磨損情況�？梢娫谇邢鞔阌膊牧蠒r(shí)，由于FTC1和FTC2涂層較薄，所以在初期磨損階段磨損量要比YB01大，但是粉末涂層材料在進(jìn)入正常磨損階段后，磨損均勻穩(wěn)定，而YB01的正常磨損階段則比較短，在切削長度達(dá)到520m后，就進(jìn)入急劇磨損階段，這主要是因?yàn)榈镀�的硬質(zhì)合金涂層此時(shí)已基本被磨掉，功效也大大降低。另外，YB01在切削過程中前刀面有貝殼狀剝落，可能是由于在切削力較大較大時(shí)，涂層被擠裂失敗，從而降低了涂層的效能。而FTC1和FTC2在切削速度較低時(shí)，一般不發(fā)生破損。在YB01后刀面磨損達(dá)到0.3mm后，由于切削時(shí)涂層不再起作用。刀尖變鈍，切削中的振動加劇，加工表面也變得十分粗糙，幾乎不能再進(jìn)行切削。這樣看來，新型涂層刀具的使用壽命至少要比YB01提高一倍。