WC-Ti(C_N)-Co梯度硬质合金表面韧性区的形成机理

第37卷第4期2006年8月

中南大学学报(自然科学版)

J.CENT.SOUTH UNIV.(SCIENCE AN D TECHN OLOG Y)

Vol.37　No14

Aug.　2006

W C2Ti(C,N)2C o梯度硬质合金表面韧性区的形成机理陈　利1,吴恩熙1,王社权1,2,刘昌斌2,尹　飞1,2,吕豫湘2

(1.中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙,410083;

2.株洲钻石切削刀具股份有限公司,湖南株洲,412007)

摘要:从动力学的角度分析WC2Ti(C,N)2Co硬质合金在液相烧结过程中表面韧性区的形成机理。借助金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪和切削实验研究表面韧性区梯度硬质合金的微观结构和性能。研究结果表明:由于N原子与Ti原子之间强烈的热力学耦合作用,N原子和Ti原子在液相烧结过程中朝相反的方向迁移,在合金表面形成缺立方相碳化物的韧性区;与合金内部的WC晶粒相比,韧性区内WC晶粒度更细,晶体取向发生改变;刃口附近前、后刀面的表面韧性区的厚度呈现梯度变化;在合金内部存在环形相结构的立方碳化物;表面韧性区使合金的强度提高,使涂层刀片的抗冲击性能提高1.6倍。

关键词:梯度硬质合金;富钴层;化学涂层;环形相结构;切削性能

中图分类号:T G430.15文献标识码:A文章编号:167227207(2006)0420650205

Formation mechanism of surface ductile zones in

WC2Ti(C,N)2Co gradient cemented carbide

C H EN Li1,WU En2xi1,WAN G She2quan1,2,L IU Chang2bin2,YIN Fei1,2,LΒYu2xiang2

(1.State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha410083,China;

2.Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Limited Company,Zhuzhou412007,China)

Abstract:The formation mechanism of surface ductile zone during liquid sintering of WC2Ti(C, N)2Co cemented carbides was st udied from t hermodynamics angle.The microst ruct ure and property of surface ductile zones were investigated wit h optical microscopy,scanning elect ron mi2 croscopy,energy dispersive X2ray spect roscopy,X2ray diff raction strengt h measurement s and cutting test s.Due to st rong t hermodynamical coupling between N and Ti,t he outward diff usion of N during liquid sintering of WC2Ti(C,N)2Co cemented carbides leads to an inward diff usion of Ti,and a surface ductile zone deleted in cubic carbides is https://www.360docs.net/doc/fc13413593.html,pared wit h WC crystal grain inside t he gradient cemented carbide,WC crystal grain in surface ductile zone is smaller and t he grain orientation is changed.The gradient alteration occurs to be t hickness of rake and flank face near t he cutting edge.The core2rim struct ure of cubic carbides is found.The ductile zone prevent s cracks propagation and leads to t he increase of t he t ransverse rupt ure st rengt h.The im2 pact resistance of coated gradient insert s is increased by1.6times.

Key words:gradient cemented carbide;rich cobalt layer;chemical coating;core2rim struct ure;

cutting properties

在硬质合金表面沉积一层高耐磨材料薄膜可以大幅度地提高硬质合金切削工具的使用寿命和切

收稿日期:20051228

基金项目:国家“863”高技术计划项目(2002AA331090)

作者简介:陈　利(1980-),男,湖南常德人,博士研究生,从事硬质合金表面研究

通讯作者:陈　利,男,博士研究生;电话:0733********(O);E2mail:chenli_927@https://www.360docs.net/doc/fc13413593.html,

削性能。但是,不同材料的热膨胀系数不同,涂层工具材料在冷却过程中受热应力作用会产生裂纹[15]。由于涂层材料的脆性,通常裂纹更容易在涂层表面产生并向基体内部扩散。为了防止由于裂纹扩展而导致材料失效,以获得高性能的硬质合金切削工具材料,通常在涂层前,对合金基体进行梯度处理[69],即在合金表面形成缺立方相碳化物和碳氮化合物的区域———脱β层(富钴层),在此区域的粘结剂含量高于基体名义粘结剂的含量。当涂层中形成的裂纹扩散到该区域时,由于其良好的塑性和韧性,可以吸收裂纹扩散时的能量,因此,能够有效地阻止裂纹向合金内部扩散,提高硬质合金切削工具的使用性能[1014]。在此,本文作者从动力学的角度分析含氮硬质合金烧结过程中表面韧性区的产生机理,并对其微观组织结构进行研究。

1　实　验

1.1　实验材料制备

采用市售WC粉末、(W,Ti)C固溶体粉末、TiCN固溶体粉末、Co粉为实验原材料,按表1所示配制2种不同成分的混合料,混合料通过湿磨、喷雾干燥,压制成长×宽×高为6.50mm×5.25 mm×21.00mm的试样条和CNM G120408刀片压坯,然后将压坯在1410℃进行真空烧结。

表1　混合料成分

T able1　Co mpositions of subst rate materials

w/%合金WC(W,Ti)C TiCN Co 均质合金86.08.0- 6.0

梯度合金83.58.0 2.5 6.0

采用化学气相沉积法在2种不同的基体上依次沉积TiCN/Al2O3/TiN。TiCN在850℃时由CH3CN2TiCl42N2体系沉积,Al2O3和TiN在1000℃依次由AlCl32CO22H2和TiCl42N22H2体系沉积。

1.2　分析检测

采用金相显微镜、扫描电镜观察合金组织结构;采用扫描电镜的能谱分析合金表层的Ti元素分布;采用XRD分析合金表层脱β层和芯部的相组成;采用CM T万能试验机测定合金的抗弯强度。1.3　切削实验

用型号为CNM G120408的涂层刀片断续切削含碳0.45%的圆柱形碳钢的端面来检验涂层刀片的抗冲击性能,被加工的碳钢沿圆周开4条槽,槽宽为18mm。切削参数为:切削速度v c=220m/min,进量f=0.2mm/r,切削深度a p=1.0mm。刀尖的磨损量每隔2min被测量1次。若刀尖的磨损量超过0.75mm,则认为刀片失效。

2　结果与讨论

2.1　合金的组织结构

合金截面的金相照片如图1所示。在图1(b)所示的梯度合金的金相组织中,表面有一层韧性区域:脱β层(WC+Co相),层厚为15～20μm。用X 射线衍射图谱分析梯度合金表面韧性层和芯部的相组成,将合金一面表层的脱β层在砂轮下磨掉,然后在衍射角为10°时分别对合金已磨面和未磨面进行X射线扫描。合金脱β层和芯部的物相分析的X 射线谱线图如图2所示。从图2可以看出,脱β层韧性区无TiC衍射峰,而合金芯部有TiC衍射峰,与标准的TiC峰相比,合金芯部的TiC由于固溶了原子半径较大的

W原子,X射线所测的TiC衍射

(a)均质合金;(b)梯度合金

图1　均质和梯度基体的金相组织

Fig.1　Optical st ruct ures of homogeneous

and gradient subst rates

第4期陈　利,等:WC2Ti(C,N)2Co梯度硬质合金表面韧性区的形成机理

(a )芯部;(b )表面韧性区

图2　梯度合金表层韧性区和合金芯部的

XRD 图谱

Fig.2　XRD patterns of surface ductile zones

and inner gradient subst rate

峰向低角度偏移。比较脱β层韧性区与芯部的WC 的衍射峰可以看出,合金芯部的WC 峰宽化,表明

合金芯部的WC 晶粒比脱β层的WC 晶粒细小。这是因为在液相烧结过程中Ti 原子向内部扩散,TiC 对晶粒的长大有抑制作用;而且由于TiC 的作用,脱β层韧性区和合金芯部的WC 晶体取向有明显的区别。

EDX 分析合金表面元素分布状况(基体内部元素含量取为1)如图3所示,可以看出:脱β层内Ti 元素的含量几乎为0,表明脱β层不存在固溶体相;脱β层由WC 和粘结相Co 构成,其WC 和Co 含量均高于合金内部WC 和Co 的含量,在合金的表面区域Co 含量约为合金名义Co 含量的1.2倍;沿着合金的表面向内,合金中Co 含量逐渐增加,在脱β层和合金内部的边界附近Co 含量最高,约为合金名义Co 含量的2.2倍;然后沿着边界向内,Co 含量明显下降。根据M.Schwarzkopf 模型[1517],(W ,Ti ,Ta ,Nb )(C ,N )和TiCN 在高温时不稳定:

(W ,Ti ,Ta ,Nb )(C ,N )

W +Ti +Ta +Nb +C +N ;(1)TiCN

Ti +C +N 。

(2)

分解反应产生的N 通过液态黏结相向外扩散,

合金中氮浓度降低,此时液相黏结剂中W ,C ,Ti 和N 原子浓度乘积为常数。由于W 原子和C 原子以WC 的形式存在,所以,c (W )c (C )为常数,故c (Ti )c (N )=常数,对此式进行微分可以得到:

d c (Ti )d x =-c (Ti )c (N )d c (N )

d x

。

(3)式中:c (Ti )和c (N )

分别为试样中Ti 和N 的浓度。

从式(3)可以看出,合金中Ti 与N 原子在液相黏结剂的溶解度梯度方向相反。在N 向外扩散的过程中,由于N 原子与Ti 原子之间存在强烈的热力学耦合,合金表面的Ti 原子通过液态黏结相向合金内部扩散。同时,向合金内部扩散的金属原子导致合金表面形成体积缺陷,因此,液态Co 流向合金表面,在合金表面形成具有梯度结构的韧性区域———脱β层。

1—Ti ;2—Co ;3—W

图3　EDX 分析梯度合金表层的元素分布

Fig.3　Element distribution of surface of gradient

subst rate from EDX analysis

梯度刀片刃口Ti 和N 元素的扩散示意图和金

相组织如图4所示。可以看出,在刃口附近前、后刀面的脱β层的厚度呈梯度变化。在液相烧结过程中,由于刀片前、后刀面的Ti 扩散方向呈90°方向交错,导致其扩散相互阻碍;远离刃口,阻碍越小,脱β层越厚[17]。涂层刀片的组织结构如图5所示,涂层由内向外依次为TiCN ,Al 2O 3和TiN ,厚度分别约为6,4和1μm ,在涂层前经过处理的刃口处无脱β层韧性区,在前、后刀面的脱β层的厚度呈梯度变化,这样既保证了涂层刀片刃口的耐磨性,又提高了前、后刀片的韧性,在保证刀片有足够韧性的基础上又有较强的抗塑性变形能力。另外,在刃口处的脱β层最薄,Co 的迁移量相对较少,使得刃口边界处Co 含量的变化梯度不太大,从而降低刃口因Co 相成分畸变产生的应力集中而避免刀片失效。

含氮合金烧结后在宏观和微观上均存在不均匀性。宏观非均匀性表现在合金的表面到中心存在相成分和元素的梯度分布,在微观上,非均匀性主要体现在高温烧结时,立方相碳化物和氮化物在液相

?256?中南大学学报(自然科学版) 第37卷

(a )扩散示意图;(b )金相组织

图4　梯度刀片刃口Ti 和N 元素的扩散示意图和金相组织

Fig.4　Schematic diagram of Ti ,N diffusion and

optical structure of cutting edge of

gradient

substrate

图5　梯度涂层刀片刃口的金相组织

Fig.5　Optical struct ure of cutting edge of

gradient coated insert

黏结剂中的溶解度较大。合金在冷却过程中,溶解

在黏结剂中的硬质相在未溶解的硬质相颗粒上析出[17,18]。梯度合金内部的SEM 背散射电子像如图6所示,可见,合金内部有少量的环形相结构,黑色的核主要是未溶解的W 含量较低的TiCN ;在核的周围有一层淡灰色的W 含量较高的碳化物,主要是

在冷却过程中,由溶解在Co 相中的TiC 在未溶解的TiCN 上析出所致

。

图6　梯度基体内部的环形相结构

Fig.6　Core 2rim structure inside gradient substrate 2.2　性能分析

均质基体和梯度基体涂层前、后的强度见表2。比较同种基体在涂层前、后的强度,发现2种基体

在涂层后的强度均有较大程度的降低,这主要是由于高温沉积的涂层在冷却过程中产生了裂纹。涂层和基体2种材料的热膨胀系数不同,在冷却过程中形成热应力;同时,在涂层生长过程中产生内应力。在热应力和涂层生长内应力的共同作用下,涂层容易萌生裂纹,从而导致强度降低。在脱β层韧性区的作用下,不论是否有涂层,梯度基体的强度均高于均质基体的强度。对于涂层前的基体合金,脱β层除了阻止表面裂纹源的生成外还能有效地阻止合金内部的裂纹向表面扩展,提高合金强度;对于涂层合金,脱β层除了阻止合金内部的裂纹向表面扩展之外,更重要的是吸收裂纹扩展的能量有效地阻止涂层中萌生的裂纹向合金基体扩展,提高合金强度。

表2　均质和梯度基体在涂层前、后的强度

T able 2　Transverse rupt ure st rengt h of

homogeneous and gradient cemented

carbides bars

强度/MPa 基体结构涂层前

涂层后

均质基体18201050梯度基体

2100

1230

以220m/min 的速度断续切削含碳0.45%的碳钢时,均质基体和梯度基体2种涂层刀片刀尖平均冲击次数分别是2880和5200。梯度基体涂层刀片的平均冲击次数是均质基体平均冲击次数的1.6

356?第4期陈　利,等:WC 2Ti (C ,N )2Co 梯度硬质合金表面韧性区的形成机理

倍。这是因为在断续切削中,梯度基体的表层韧性区能吸收裂纹扩展的能量,从而有效地阻止涂层中萌生的裂纹向合金基体的扩展。

3　结　论

a.WC2Ti(C,N)2Co硬质合金在液相烧结过程中由于N原子与Ti之间强烈的热力学耦合作用,N 原子和Ti原子在液相烧结过程中朝相反的方向迁移,在合金表面形成缺立方相碳化物的韧性区———脱β层。

b.与梯度合金内部的WC晶粒相比,韧性区内WC晶粒更细,晶体取向发生了改变;在梯度合金刃口附近前、后刀面的表面韧性区的厚度呈现梯度变化。

c.在梯度合金的内部有少量的外层富W、芯部富Ti的环形相结构。

d.在热应力和涂层生长内应力的作用下,在NC2Ti(C,N)2Co硬质合金的涂层容易萌生裂纹,导致涂层与基体的强度降低;在脱β层韧性区的作用下,不论是否有涂层,梯度基体的强度均高于均质基体的强度;梯度基体涂层刀片的冲击性能也强于均质基体涂层刀片的冲击性能。

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