多涂層CP3型硬質合金抗彎強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：3323

 

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，因此被廣泛應用于涂層刀具的制造。據報道，在工業(yè)發(fā)達國家80%以上的硬質合金刀具都經過表面涂覆處理。用CVD法在刀具表面涂覆TiC、TiCN、TiN等涂層已得到普遍應用。為了進一步改善刀具涂層的性能，20世紀90年代以來，國內外相繼開發(fā)了雙涂層、三涂層以及多涂層(有的甚至達到幾十層、上百層)的刀片復合涂層工藝。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)的涂層組織結構，對該涂層與基體的結合力以及硬質合金材料涂覆前、后的抗彎強度及其分散性進行了討論。

2 試驗與檢測


試驗材料采用自產CP3型硬質合金，試樣尺寸為30×5×5mm3；在CTI-C280M型CVD涂覆爐中進行涂覆處理，涂覆的順序依次為TiC→TiN→TiC→Al2O3。
在菲利浦X'Pert型X衍射儀上對涂層后的硬質合金進行物相分析，試驗參數為：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合金的斷口形貌；在WS-88型涂層結合力測定儀上測定涂層的結合力；在日本T10A型電子拉伸試驗機上測定涂層后硬質合金的抗彎強度，十字頭速度為1mm/min。

3 結果與分析



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




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    圖1 涂層后硬質合金的斷口形貌



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    圖2 CVD涂層的X衍射譜


  2. 涂層組織結構
    圖2為涂層的X衍射譜。通過查對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(因為涂層較薄，硬質合金中的主相WC和Co也會在衍射結果中有所反映)。

  3. 涂層結合力
    在WS-88型涂層結合力測定儀上通過劃痕法測定的涂層結合力為5～7kg，進一步證明了涂層與基體結合良好。

  4. 抗彎強度
    涂層前、后分別在日本T10A型電子拉伸試驗機上測定材料的抗彎強度。該硬質合金涂層前的抗彎強度分別為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，平均抗彎強度為2119MPa；涂層后該硬質合金的抗彎強度分別為1509、1513、1551、1552、1564、1567、1567、1611、1624、1631、1636 和1643MPa，平均抗彎強度為1580MPa。由該結果可知，涂層前該材料的抗彎強度存在一定的分散性，涂層后硬質合金的抗彎強度有所下降，但分散性變化很小。
    日本學者研究了用CVD法在硬質合金基體上涂覆單層TiC涂層和涂覆TiC+Al2O3雙層涂層對其抗彎強度的影響。研究結果表明，涂層硬質合金的抗彎強度隨涂層厚度的增加而下降。

為了分析脆性材料強度的分散性，ASTM標準已推薦使用Weibull統(tǒng)計方法分析工程陶瓷材料的單軸強度數據，也有不少學者用Weibull統(tǒng)計方法描述鋼在韌—脆轉變區(qū)的斷裂韌性以及復合材料的強度等。因此，筆者引入兩參數Weibull分布函數來分析涂層前后硬質合金材料的抗彎強度及其分散性的變化。
Weibull分布函數為




F(s)=1-exp[-(s/s0)m] (1)
式中，F(xiàn)(s)為所施加彎曲應力s的失效概率，s0為尺度參數，m為Weibull模量，m值越大，表明材料強度的分散性越小，反之亦然。
通過數學變換可將式(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，lns為橫坐標作圖，結果見圖3。用最小二乘法將圖3中的數據擬合成直線，其斜率即為Weibull模量m。擬合結果為：涂覆前、后硬質合金抗彎強度的Weibull模量分別為10.5和10.4。
 




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圖3 抗彎強度與失效概率的關系


試驗結果表明，涂覆前、后該材料抗彎強度的分散性變化不大。由于影響硬質合金抗彎強度的因素有：WC的顆粒尺寸和體積分數、硬質合金中缺陷的尺寸與分布、硬質合金的表面狀態(tài)以及涂層的種類和厚度等，而TiN、TiC和Al2O3都是硬脆相，在彎曲試驗中涂層硬質合金的斷裂首先是從涂層開始的，因此可以想見，這種復合涂層將會降低硬質合金的抗彎強度。值得注意的是：該硬質合金涂層后其抗彎強度雖有所下降，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度變化的前提下，現(xiàn)已成功地將該涂覆工藝應用于硬質合金刀具的生產，并取得了顯著的經濟效益。

4 結論


硬質合金經多涂層CVD涂覆處理后(涂層由TiN、TiC 和7-/80Al2O3組成)，涂層與基體結合良好；該硬質合金涂層前、后抗彎強度的平均值分別為2119MPa 和1580MPa，其抗彎強度的Weibull模量分別為10.5和10.4，說明涂層前、后該材料的抗彎強度有所降低，但其分散性變化不大。因此，在材料抗彎強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。

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