切換到寬版
  • 廣告投放
  • 稿件投遞
  • 繁體中文
    • 3266閱讀
    • 1回復(fù)

    [分享]梯度硬質(zhì)合金涂層基體的制備 [復(fù)制鏈接]

    上一主題 下一主題
    在線cyqdesign
     
    發(fā)帖
    28694
    光幣
    96996
    光券
    0
    只看樓主 倒序閱讀 樓主  發(fā)表于: 2007-02-12
    — 本帖被 cyqdesign 從 機(jī)械加工與制造 移動(dòng)到本區(qū)(2010-12-09) —
    硬質(zhì)合金作為一種工具材料,由于其具有高硬度、高強(qiáng)度、高彈性模量、耐磨損和耐腐蝕等性能,已廣泛應(yīng)用于各種切削工具、礦用工具和耐磨耐蝕零部件。為適應(yīng)各種服役條件,提高使用效率,針對傳統(tǒng)硬質(zhì)合金存在硬度高而韌性低的矛盾,人們開發(fā)了諸如梯度硬質(zhì)合金、超細(xì)硬質(zhì)合金材料。近年來,隨著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(dāng)前硬質(zhì)合金領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一。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(shù)不同,涂層材料在冷卻過程中可能因熱應(yīng)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(kuò)展。為了盡可能防止由于裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)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(qū)域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韌性區(qū)域,此區(qū)域的粘結(jié)劑含量高于基體的名義粘結(jié)劑含量。當(dāng)涂層中形成的裂紋擴(kuò)展到該區(qū)域時(shí),由于其良好的韌性,可以吸收裂紋擴(kuò)展的能量,因而能有效地阻止裂紋向合金內(nèi)部擴(kuò)展,提高硬質(zhì)合金切削工具的使用性能。 n;wViw  
    3!{Tw6A8(  
    本文主要綜述了梯度硬質(zhì)合金涂層基體的制備、基體涂層技術(shù)、基體表層碳含量的控制等。 U9jdb9 |  
    qiH)J- ~GZ  
    梯度硬質(zhì)合金基體的制備 #4<=Ira5  
    \ &47u1B  
    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)鍵的問題。涂層必須與合適的基體結(jié)合才能達(dá)到預(yù)期的性能。具有梯度結(jié)構(gòu)的表面富鈷合金基體則使涂層切削刃強(qiáng)度更高,提高了涂層抗裂紋擴(kuò)展能力,提高了基體與涂層的結(jié)合強(qiáng)度以及刀具的抗彎強(qiáng)度。硬質(zhì)合金刀片劃痕強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)表明:基體成分相同情況下,梯度結(jié)構(gòu)涂層刀片的基體與涂層結(jié)合強(qiáng)度比無梯度結(jié)構(gòu)涂層刀片的基體與涂層結(jié)合強(qiáng)度大。硬質(zhì)合金刀片的切削實(shí)驗(yàn)也表明:基體和涂層成分相同的情況下,有梯度結(jié)構(gòu)涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能比無梯度結(jié)構(gòu)涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能優(yōu)良。 ZsSW{ffZ77  
    ~O|~M_Z  
    梯度硬質(zhì)合金基體可通過分段燒結(jié)工藝制備。第一階段預(yù)燒結(jié),將試樣在氮?dú)獗Wo(hù)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(jié),在真空狀態(tài)下,將預(yù)燒結(jié)后試樣由室溫升至燒結(jié)溫度并保溫2h后隨爐冷卻至室溫。 @0(%ayi2Y  
    ~F%sO'4!  
    含氮硬質(zhì)合金梯度燒結(jié)是在真空氣氛中進(jìn)行的,合金內(nèi)部的氮活度大于表面氮活度,內(nèi)部的氮原子向表面進(jìn)行擴(kuò)散。而N原子與Ti原子之間存在很強(qiáng)的熱力學(xué)耦合,所以,在液相燒結(jié)溫度下,合金內(nèi)部氮原子通過液相粘結(jié)劑向表面擴(kuò)散的同時(shí),表面的Ti原子也通過液相粘結(jié)劑向內(nèi)部擴(kuò)散,擴(kuò)散將會(huì)導(dǎo)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(nèi)部擴(kuò)散的金屬原子與內(nèi)部的碳,氮等原子發(fā)生反應(yīng)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(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致在合金的表層形成體積空位,從而,液相粘結(jié)劑流向合金的表層,在合金的表層形成具有梯度結(jié)構(gòu)的表層韌性區(qū)域,這樣制備出梯度硬質(zhì)合金基體。 F}=_"IkZ  
    Mfnfp{.)  
    梯度硬質(zhì)合金基體的涂層 gegM&Xo  
    >Y(JC#M;  
    為改善硬質(zhì)合金的切削加工性能,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。幾十年來,國內(nèi)外相繼開發(fā)了雙涂層、三涂層以及多涂層的復(fù)合刀片,有的涂層數(shù)甚至達(dá)到幾十層、上百層的水平。 uh`5:V  
    cbl>:ev1h  
    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。 k(o(:-+x  
    1涂層材料的選擇 e=3C*+lq\  
    yzZzaYv "/  
    刀具磨損機(jī)理研究表明,在高速切削時(shí),刃尖溫度最高可達(dá)900℃,此時(shí)刀具的磨損不僅是機(jī)械磨損,還有粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損及氧化磨損。因此,可將切削過程視為一個(gè)微區(qū)的物理化學(xué)變化過程。涂層材料的選擇對于涂層能否在刀具上發(fā)揮其應(yīng)有的作用有很大的影響。 A1r%cs  
    c-_1tSh}  
    碳化鈦是一種高硬度耐磨化合物,有著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(wěn)定性,并可大大減少刀具與被加工工件之間的摩擦系數(shù)。從涂層工藝性考慮,兩者均為較理想的涂層材料,但無論談化鈦還是氮化鈦,單一的涂層均很難滿足高速切削對刀具涂層的綜合要求。 e N v\ZR1  
    ZMLN ;.{Na  
    碳氮化鈦(TiCN)是在單一的TiC晶格中,氮原子(N)占據(jù)原來碳原子(C)在點(diǎn)陣中的位置而形成復(fù)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。 TU': Rt  
    <@[;IX`YN  
    在抗氧化磨損和抗擴(kuò)散散磨損性能上,沒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法制備出理想的涂層刀具。多涂層及相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn),使涂層既可提高與基體的結(jié)合強(qiáng)度,同時(shí)又能具有多種材料的綜合性能。  W =;,ls  
    "U+c`V=w  
    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(fù)荷切削。 (H"{r  
    *6eJmbFG  
    2化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù) }ice*3'3  
    ~f"3Wa*\B  
    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(yīng)室里的氣相作用或在基材表面的化學(xué)反應(yīng)而形成涂層,常見的CVD技術(shù)是以含C/N的有機(jī)物乙氰(CH3CN)作為主要反應(yīng)氣體,與TiCl4、H2、N2在700~900℃下產(chǎn)生分解、化學(xué)反應(yīng)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,延長硬質(zhì)合金制品的使用壽命,減少損耗,提高機(jī)加工效率。 \Zh&[D!2  
    Xu E' %;:  
    20世紀(jì)60年代以來,CVD技術(shù)被廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)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。 &nwS7n1eb  
    )_\