多涂層CP3型硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度及其分散性的研究

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：3727

1 引言


由于很多氮化物(TiN、Si3N4、HfN、VN)、碳化物(TiC、SiC、HfC、TaC、VC、WC)、硼化物(B4C、TiB2、ZrB2、C-BN)以及氧化物(Al2O3、ZrO2)都具有很高的硬度和耐磨性，因此被廣泛應(yīng)用于涂層刀具的制造。據(jù)報(bào)道，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家80%以上的硬質(zhì)合金刀具都經(jīng)過表面涂覆處理。用CVD法在刀具表面涂覆TiC、TiCN、TiN等涂層已得到普遍應(yīng)用。為了進(jìn)一步改善刀具涂層的性能，20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外相繼開發(fā)了雙涂層、三涂層以及多涂層(有的甚至達(dá)到幾十層、上百層)的刀片復(fù)合涂層工藝。為了分析并改善涂層的性能，筆者通過研究一種四涂層(TiC-TiN-TiC-Al2O3)的涂層組織結(jié)構(gòu)，對(duì)該涂層與基體的結(jié)合力以及硬質(zhì)合金材料涂覆前、后的抗彎強(qiáng)度及其分散性進(jìn)行了討論。

2 試驗(yàn)與檢測(cè)


試驗(yàn)材料采用自產(chǎn)CP3型硬質(zhì)合金，試樣尺寸為30×5×5mm3；在CTI-C280M型CVD涂覆爐中進(jìn)行涂覆處理，涂覆的順序依次為TiC→TiN→TiC→Al2O3。
在菲利浦X'Pert型X衍射儀上對(duì)涂層后的硬質(zhì)合金進(jìn)行物相分析，試驗(yàn)參數(shù)為：Cu靶，石墨單色器，電壓40KV，電流40mA，掃描速度0.04°/s；在日本X-650型電子探針儀上觀察涂層后硬質(zhì)合金的斷口形貌；在WS-88型涂層結(jié)合力測(cè)定儀上測(cè)定涂層的結(jié)合力；在日本T10A型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定涂層后硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度，十字頭速度為1mm/min。

3 結(jié)果與分析



  1. 斷口形貌
    在X-650型電子探針儀上觀察到涂層后硬質(zhì)合金的斷口形貌如圖1所示(圖中右側(cè)為涂層)。由圖1可見，涂層與基體之間冶金結(jié)合緊密，涂層中未見微缺陷且無明顯的柱狀晶。





    圖1 涂層后硬質(zhì)合金的斷口形貌

    圖2 CVD涂層的X衍射譜

  2. 涂層組織結(jié)構(gòu)
    圖2為涂層的X衍射譜。通過查對(duì)JCPDS衍射卡片，可知涂層中有TiC、TiN和Al2O3相；衍射譜中還有WC和Co相(因?yàn)橥繉虞^薄，硬質(zhì)合金中的主相WC和Co也會(huì)在衍射結(jié)果中有所反映)。

  3. 涂層結(jié)合力
    在WS-88型涂層結(jié)合力測(cè)定儀上通過劃痕法測(cè)定的涂層結(jié)合力為5～7kg，進(jìn)一步證明了涂層與基體結(jié)合良好。

  4. 抗彎強(qiáng)度
    涂層前、后分別在日本T10A型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定材料的抗彎強(qiáng)度。該硬質(zhì)合金涂層前的抗彎強(qiáng)度分別為2351、2648、2523、2446、2257、2172、2233、2194、2179、1902、1876、1679、2074、2053、1971、2148、2118、2230、1485、2206、1885、2034、2234 和1967MPa，平均抗彎強(qiáng)度為2119MPa；涂層后該硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度分別為1509、1513、1551、1552、1564、1567、1567、1611、1624、1631、1636 和1643MPa，平均抗彎強(qiáng)度為1580MPa。由該結(jié)果可知，涂層前該材料的抗彎強(qiáng)度存在一定的分散性，涂層后硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度有所下降，但分散性變化很小。
    日本學(xué)者研究了用CVD法在硬質(zhì)合金基體上涂覆單層TiC涂層和涂覆TiC+Al2O3雙層涂層對(duì)其抗彎強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，涂層硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度隨涂層厚度的增加而下降。

為了分析脆性材料強(qiáng)度的分散性，ASTM標(biāo)準(zhǔn)已推薦使用Weibull統(tǒng)計(jì)方法分析工程陶瓷材料的單軸強(qiáng)度數(shù)據(jù)，也有不少學(xué)者用Weibull統(tǒng)計(jì)方法描述鋼在韌—脆轉(zhuǎn)變區(qū)的斷裂韌性以及復(fù)合材料的強(qiáng)度等。因此，筆者引入兩參數(shù)Weibull分布函數(shù)來分析涂層前后硬質(zhì)合金材料的抗彎強(qiáng)度及其分散性的變化。
Weibull分布函數(shù)為



F(s)=1-exp[-(s/s0)m]
(1)
式中，F(xiàn)(s)為所施加彎曲應(yīng)力s的失效概率，s0為尺度參數(shù)，m為Weibull模量，m值越大，表明材料強(qiáng)度的分散性越小，反之亦然。
通過數(shù)學(xué)變換可將式(1)改寫為



ln{ln[1/(1-F(s))]}=m·lns-m·lns0
(2)

以ln{ln[1/(1-F(s))]}為縱坐標(biāo)，lns為橫坐標(biāo)作圖，結(jié)果見圖3。用最小二乘法將圖3中的數(shù)據(jù)擬合成直線，其斜率即為Weibull模量m。擬合結(jié)果為：涂覆前、后硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度的Weibull模量分別為10.5和10.4。





圖3 抗彎強(qiáng)度與失效概率的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明，涂覆前、后該材料抗彎強(qiáng)度的分散性變化不大。由于影響硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度的因素有：WC的顆粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)、硬質(zhì)合金中缺陷的尺寸與分布、硬質(zhì)合金的表面狀態(tài)以及涂層的種類和厚度等，而TiN、TiC和Al2O3都是硬脆相，在彎曲試驗(yàn)中涂層硬質(zhì)合金的斷裂首先是從涂層開始的，因此可以想見，這種復(fù)合涂層將會(huì)降低硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度。值得注意的是：該硬質(zhì)合金涂層后其抗彎強(qiáng)度雖有所下降，但其分散性卻變化不大，這說明涂覆工藝比較穩(wěn)定，涂層的一致性較好。在考慮了材料抗彎強(qiáng)度變化的前提下，現(xiàn)已成功地將該涂覆工藝應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具的生產(chǎn)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論


硬質(zhì)合金經(jīng)多涂層CVD涂覆處理后(涂層由TiN、TiC 和7-/80Al2O3組成)，涂層與基體結(jié)合良好；該硬質(zhì)合金涂層前、后抗彎強(qiáng)度的平均值分別為2119MPa 和1580MPa，其抗彎強(qiáng)度的Weibull模量分別為10.5和10.4，說明涂層前、后該材料的抗彎強(qiáng)度有所降低，但其分散性變化不大。因此，在材料抗彎強(qiáng)度滿足使用要求的情況下，該涂覆工藝可用于涂層刀具的生產(chǎn)。

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