基本介紹

近年來(lái)，隨著(zhù)功能梯度材料概念的提出，功能梯度硬質(zhì)合金正在發(fā)展成為當前硬質(zhì)合金領(lǐng)域的重要研究?jì)热葜?。為了提高硬質(zhì)合金切削工具的切削性能和使用壽命，可在合金的表面涂上薄層高硬度耐磨材料。由于不同材料的熱膨脹系數不同，涂層材料在冷卻過(guò)程中可能因熱應力而產(chǎn)生裂紋。由于涂層材料的脆性通常裂紋更容易在涂層表面產(chǎn)生并向基體中擴展。為了盡可能防止由于裂紋擴展而導致的材料失效，并有利于獲得高性能的硬質(zhì)合金切削工具材料，可對基體進(jìn)行梯度處理，使在基體表面區域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韌性區域，此區域的粘結劑含量高于基體的名義粘結劑含量。當涂層中形成的裂紋擴展到該區域時(shí)，由于其良好的韌性，可以吸收裂紋擴展的能量，因而能有效地阻止裂紋向合金內部擴展，提高硬質(zhì)合金切削工具的使用性能。

梯度硬質(zhì)合金基體

制備介紹

要獲得性能良好的涂層梯度硬質(zhì)合金產(chǎn)品，涂層基體的制備是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。涂層必須與合適的基體結合才能達到預期的性能。具有梯度結構的表面富鈷合金基體則使涂層切削刃強度更高，提高了涂層抗裂紋擴展能力，提高了基體與涂層的結合強度以及刀具的抗彎強度。硬質(zhì)合金刀片劃痕強度實(shí)驗表明：基體成分相同情況下，梯度結構涂層刀片的基體與涂層結合強度比無(wú)梯度結構涂層刀片的基體與涂層結合強度大。硬質(zhì)合金刀片的切削實(shí)驗也表明：基體和涂層成分相同的情況下，有梯度結構涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能比無(wú)梯度結構涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能優(yōu)良。

梯度硬質(zhì)合金基體可通過(guò)分段燒結工藝制備。第一階段預燒結，將試樣在氮氣保護下升溫(升溫速度為5℃/min)，升溫到400℃時(shí)保溫1h脫蠟；溫度到1380℃時(shí)，保溫1h使合金致密化后，冷卻至室溫。第二階段梯度燒結，在真空狀態(tài)下，將預燒結后試樣由室溫升至燒結溫度并保溫2h后隨爐冷卻至室溫。

含氮硬質(zhì)合金梯度燒結是在真空氣氛中進(jìn)行的，合金內部的氮活度大于表面氮活度，內部的氮原子向表面進(jìn)行擴散。而N原子與Ti原子之間存在很強的熱力學(xué)耦合，所以，在液相燒結溫度下，合金內部氮原子通過(guò)液相粘結劑向表面擴散的同時(shí)，表面的Ti原子也通過(guò)液相粘結劑向內部擴散，擴散將會(huì )導致合金表面的TiC、TiN、(Ti，W)(C，N)等立方相碳化物、氮化物以及碳氮化物發(fā)生分解。向合金內部擴散的金屬原子與內部的碳，氮等原子發(fā)生反應生成一些硬質(zhì)相碳化物、氮化物以及碳氮化物。由于金屬原子向合金內部擴散導致在合金的表層形成體積空位，從而，液相粘結劑流向合金的表層，在合金的表層形成具有梯度結構的表層韌性區域，這樣制備出梯度硬質(zhì)合金基體。

涂層介紹

為改善硬質(zhì)合金的切削加工性能，工業(yè)發(fā)達國家80%以上的硬質(zhì)合金刀具都經(jīng)過(guò)表面涂覆處理。幾十年來(lái)，國內外相繼開(kāi)發(fā)了雙涂層、三涂層以及多涂層的復合刀片，有的涂層數甚至達到幾十層、上百層的水平。

硬質(zhì)合金涂層技術(shù)通?？煞譃榛瘜W(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)和物理氣相沉積(PVD)技術(shù)兩大類(lèi)。

涂層材料選擇

刀具磨損機理研究表明，在高速切削時(shí)，刃尖溫度最高可達900℃，此時(shí)刀具的磨損不僅是機械磨損，還有粘結磨損、擴散磨損及氧化磨損。因此，可將切削過(guò)程視為一個(gè)微區的物理化學(xué)變化過(guò)程。涂層材料的選擇對于涂層能否在刀具上發(fā)揮其應有的作用有很大的影響。

碳化鈦是一種高硬度耐磨化合物，有著(zhù)良好的抗摩擦磨損性能；氮化鈦的硬度稍低，但卻有較高的化學(xué)穩定性，并可大大減少刀具與被加工工件之間的摩擦系數。從涂層工藝性考慮，兩者均為較理想的涂層材料，但無(wú)論談化鈦還是氮化鈦，單一的涂層均很難滿(mǎn)足高速切削對刀具涂層的綜合要求。

碳氮化鈦(TiCN)是在單一的TiC晶格中，氮原子(N)占據原來(lái)碳原子(C)在點(diǎn)陣中的位置而形成復合化合物，TiCxNy中碳氮原子的比例有兩種比較理想的模式，即TiC0.5N0.5和TiC0.3N0.7。由于TiCN具有TiC和TiN的綜合性能，其硬度高于TiC和TiN，因此是一種較理想的刀具涂層材料。

在抗氧化磨損和抗擴散散磨損性能上，沒(méi)有任何材料能與氧化鋁(Al2O3)相比。但由于氧化鋁與基體合金的物理、化學(xué)性能相差太大，單一的氧化鋁涂層無(wú)法制備出理想的涂層刀具。多涂層及相關(guān)技術(shù)的出現，使涂層既可提高與基體的結合強度，同時(shí)又能具有多種材料的綜合性能。

到目前為止，硬質(zhì)合金刀片的涂層大致可分為4大系列：TiC/TiN、TiC/TiCN/TiN、TiC/Al2O3和TiC/Al2O3/TiN。前兩者適用于普通半精及精切加工，后兩者適用于高速及重負荷切削。

化學(xué)氣相沉積

化學(xué)氣相沉積(CVD)是硬質(zhì)合金領(lǐng)域的一個(gè)重要技術(shù)突破，它借助一種或幾種含有涂層元素的化合物或單質(zhì)氣體在放置有基材的反應室里的氣相作用或在基材表面的化學(xué)反應而形成涂層，常見(jiàn)的CVD技術(shù)是以含C/N的有機物乙氰(CH3CN)作為主要反應氣體，與TiCl4、H2、N2在700~900℃下產(chǎn)生分解、化學(xué)反應生成TiCN。涂層有效地提高了硬質(zhì)合金制品表面硬度和耐磨性，延長(cháng)硬質(zhì)合金制品的使用壽命，減少損耗，提高機加工效率。

20世紀60年代以來(lái)，CVD技術(shù)被廣泛應用于硬質(zhì)合金可轉位刀具的表面處理。80年代中后期，美國已有85%硬質(zhì)合金工具采用了表面涂層處理，其中CVD涂層占到99%，到90年代中期，CVD涂層硬質(zhì)合金刀片在涂層硬質(zhì)合金刀具中仍占80%以上。

80年代末，Krupp.Widia開(kāi)發(fā)的低溫化學(xué)氣相沉積(PCVD)技術(shù)達到了實(shí)用水平，其工藝處理溫度已降至450~650℃，有效控制了η相的產(chǎn)生，可用于螺絲刀具、銑刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂層，但迄今為止，PCVD工藝在刀具涂層領(lǐng)域的應用并不廣泛。

90年代中期，中溫化學(xué)氣相沉積(MTCVD)新技術(shù)的出現使CVD技術(shù)發(fā)生了革命性變革。采用MTCVD技術(shù)可獲得致密纖維狀結晶形態(tài)的涂層。涂層厚度可達8~10μm。這種涂層結構具有極高的耐磨性、抗熱震性和韌性。MTCVD涂層硬質(zhì)合金刀片適于在高溫、高速、大負荷、干切條件下使用，其使用壽命可比普通涂層硬質(zhì)合金刀片提高一倍左右。

我國從20世紀70年代初開(kāi)始研究CVD涂層技術(shù)，由于該項技術(shù)專(zhuān)用性較強，國內從事研究的單位不多。80年代中期，我國CVD刀具涂層技術(shù)的開(kāi)發(fā)達到實(shí)用化水平，工藝技術(shù)水平與當時(shí)的國際水平相當，但在隨后的十多年里發(fā)展較為緩慢。我國的低溫化學(xué)氣相沉積(PCVD)技術(shù)的研究始于90年代初，PCVD技術(shù)主要用于模具涂層，目前在切削刀具領(lǐng)域的應用也十分有限。90年代末期，我國開(kāi)始中溫化學(xué)氣相沉積(MTCVD)技術(shù)的研發(fā)工作。

物理氣相沉積

物理氣相沉積主要為蒸發(fā)鍍膜、離子鍍膜和濺射鍍膜3大類(lèi)。真空蒸發(fā)鍍膜是發(fā)展較早，應用也最廣的一種PVD涂層技術(shù)，目前仍占有世界40%的市場(chǎng)，但用途范圍正在縮小。這種技術(shù)是在真空條件下采用電阻、電子束等加熱鍍膜材料，使其熔化蒸發(fā)再沉積在合金基體表面形成鍍膜。

離子鍍膜是在真空條件下通入Ar氣等，利用輝光放電使氣體和鍍膜材料部分離化，并使離子轟擊靶打出靶上的材料離子，使其沉積在合金基體的表面。離子鍍膜在切削工具超硬材料鍍膜中應用較為成功的技術(shù)是多弧離子鍍膜。

濺射鍍膜是在真空室中，利用荷能離子轟擊靶材表面，通過(guò)離子的動(dòng)量傳遞轟擊出靶材中的原子及其它粒子，并使其沉積在合金基體表面形成鍍膜的技術(shù)。濺射鍍膜能實(shí)現大面積快速沉積。

PVD技術(shù)出現于20世紀70年代末，由于其工藝處理溫度可控制在500℃以下，因此可作為最終處理工藝用于高速鋼類(lèi)工具的涂層。由于采用PVD技術(shù)可大幅度提高高速鋼工具的切削性能，所以該技術(shù)自80年代以來(lái)得到了迅速推廣。

工業(yè)發(fā)達國家自90年代初就開(kāi)始致力于硬質(zhì)合金刀具PVD涂層技術(shù)的研究，90年代中期取得了突破性進(jìn)展，PVD涂層技術(shù)已普遍應用于硬質(zhì)合金銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉位銑刀片、異型刀具、焊接刀具等的涂層處理。

我國PVD涂層技術(shù)的研發(fā)工作開(kāi)陰極離子鍍膜機，并開(kāi)發(fā)了高速鋼刀具TiN涂層工藝技術(shù)。90年代末國內成功開(kāi)發(fā)出硬質(zhì)合金TiNTiCNTiN多元復合涂層工藝技術(shù)并達到實(shí)用水平。但與國際發(fā)展水平相比，我國硬質(zhì)合金刀具PVD涂層技術(shù)仍落后10年左右。目前國外刀具PVD涂層技術(shù)已發(fā)展到第4代，而國內尚處于第2代水平，且仍以單層TiN涂層為主。

涂層技術(shù)

對比目前約有80%的硬質(zhì)合金刀具采用CVD技術(shù)進(jìn)行超硬材料涂層。自20世紀80年代初TiNPVD涂層高速鋼刀具投入工業(yè)應用以來(lái)，人們一直在探索能否用PVD代替CVD工藝對硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行涂層。因為與CVD涂層技術(shù)相比較而言，PVD涂層技術(shù)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)PVD技術(shù)沉積溫度低，可以在500℃左右沉積TiN等超硬涂層，因此不會(huì )降低基體材料原有抗彎強度，涂層與基體間也不會(huì )產(chǎn)生η相，擴大了應用范圍；(2)涂層具有微細結構，在涂層內部產(chǎn)生壓應力，抗裂紋擴展能力強；(3)涂層表面光滑，比CVD涂層更能有效地阻止前刀面上的橫裂紋擴展，同時(shí)可降低摩擦系數；(4)可以使用刃口鋒利的刀具作基體，這一點(diǎn)對于高速切削非常重要。

盡管PVD涂層有CVD涂層難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)踐表明，一般車(chē)削(部分銑削)刀片的TiC/Al2O3或TiC/Al2O3/TiNCVD涂層性能仍?xún)?yōu)于PVD涂層，這里除CVD技術(shù)可進(jìn)行αAl2O3涂層外，涂層與基體的結合強度比PVD涂層高也是其性能優(yōu)于PVD技術(shù)的一個(gè)重要因素。涂層硬質(zhì)合金刀片的劃痕實(shí)驗表明，PVD涂層的臨界載荷一般為30~40N，而CVD涂層的臨界載荷可>90N；CVD涂層的厚度可達8~0μm，而PCD涂層的厚度必須控制在3~5μm，否則涂層容易產(chǎn)生剝落現象。此外硬質(zhì)合金刀片CVD涂層工業(yè)化成本低于PVD涂層，這也是CVD技術(shù)應用更為廣泛的原因之一。

CVD和PVD兩種技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具涂層中仍將并存和相互補充，并因其自身的優(yōu)點(diǎn)而在刀具涂層比例中占有各自的份額。一般說(shuō)來(lái)，高速鋼等鋼制工具、鋒利的硬質(zhì)合金精切刀片和硬質(zhì)合金整體多刃刀具采用PVD技術(shù)涂層比較理想。其余大部分硬質(zhì)合金刀片均可采用CVD技術(shù)涂層。而且，CVD涂層也在不斷發(fā)展，目前除采用中溫CVD涂層以減小硬質(zhì)合金強度的降低幅度外，還可采用計算機精確控制單層涂層厚度，避免涂層形成柱狀晶，以滿(mǎn)足精切硬質(zhì)合金刀片的涂層要求。

表層碳含量

硬質(zhì)合金中碳含量控制是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。當合金中缺碳時(shí)，在合金中會(huì )形成脆性η相，η相的出現將大幅降低硬質(zhì)合金的斷裂韌度和強度。目前已知的η相主要有M6C型的Co3W3C、Co2W4C；M12C型的Co6W6CF、Co6W6C104F；Co3W9C4，除此之外，還有Co2W6C、Co2W8C3和Co3W10C4等。當合金中碳過(guò)量時(shí)，合金中的石墨相也將對合金的性能產(chǎn)生不利影響。采用化學(xué)氣相沉積方法在梯度合金基體表面涂敷TiC高硬耐磨材料，在1000℃時(shí)，發(fā)生如下反應：TiCl4+CH4+H2TiC+4HCl+H2

化學(xué)反應過(guò)程中生成的TiC沉積在基體的表面，然而實(shí)驗發(fā)現，在化學(xué)氣相沉積TiC涂層過(guò)程中，伴隨著(zhù)如下反應的進(jìn)行：TiCl4+C+2H2TiC+4HCl

反應的結果將導致在涂層基體的表面脫碳，從而在涂層與基體之間形成脆性η相，對涂層工具材料產(chǎn)生不利的影響。為了避免在化學(xué)氣相沉積TiC過(guò)程中涂層與基體之間脆性η相的形成，通常在制備梯度合金基體時(shí)，通過(guò)合理的控制制備工藝，在合金基體的表面生成少量的石墨相，這些石墨相在隨后的化學(xué)氣相沉積過(guò)程中與TiCl4和H2反應而被消除。這樣硬質(zhì)合金工具材料在經(jīng)過(guò)化學(xué)氣相沉積后涂層與基體之間既不存在石墨相也不存在脆性η相，涂層與基體之間具有緊密的冶金結合，提高了硬質(zhì)合金涂層工具材料的使用性能。

有關(guān)結語(yǔ)

21世紀中國將成為世界制造業(yè)的中心，硬質(zhì)合金刀具作為制造業(yè)的重要工具，面臨巨大的機遇和挑戰。先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，高效能數控機床的大量的使用，新的工件材料不斷涌現，要求刀具具備高效率、高精度、高可靠性和專(zhuān)業(yè)化的特點(diǎn)。很顯然，國內目前硬質(zhì)合金刀具的現狀與這種要求還存在一定的差距，這是中國快速發(fā)展的制造業(yè)與落后的工具工業(yè)之間的矛盾。我們必須認真學(xué)習借鑒國外刀具企業(yè)的管理經(jīng)驗和先進(jìn)技術(shù)，引進(jìn)消化吸收國外刀具的制造技術(shù)，并不斷創(chuàng )新，開(kāi)發(fā)出具有中國特色的專(zhuān)、精、特、新產(chǎn)品，使中國的刀具盡快趕上世界先進(jìn)水平。

涂層梯度硬質(zhì)合金刀具具有優(yōu)異的使用性能，應用領(lǐng)域大，前景十分廣闊。要獲得性能良好的涂層梯度硬質(zhì)合金產(chǎn)品，除選好涂層材料和控制好涂層工藝外，梯度合金基體的制備是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。目前國內外研究者對梯度硬質(zhì)合金涂層基體制備過(guò)程的熱力學(xué)和梯度形成機理進(jìn)行了一些有益的研究和探索，但這些研究還只是初步的，尚存在一定的局限性，有待進(jìn)一步深入研究。