CVD涂层技术对硬质合金材料形成脱碳层_相层_影响分析(精)
CVD金刚石涂层硬质合金刀具研究进展
CVD金刚石涂层硬质合金刀具研究进展发布时间：2021-05-31T13:48:15.743Z 来源：《基层建设》2021年第3期作者：王冲[导读] 摘要：CVD金刚石涂层硬质合金刀具使用金刚石作为刀具制作的重要原料，是提高刀具使用效率和使用质量的重要方法，通过对CVD金刚石涂层硬质合金刀具的研究发现，当前限制这种刀具推广的问题为应用金刚石涂层粘合性较差，金刚石成分与刀具表层贴合度较低的情况。
河冶住商工模具有限公司河北石家庄 050000摘要：CVD金刚石涂层硬质合金刀具使用金刚石作为刀具制作的重要原料，是提高刀具使用效率和使用质量的重要方法，通过对CVD 金刚石涂层硬质合金刀具的研究发现，当前限制这种刀具推广的问题为应用金刚石涂层粘合性较差，金刚石成分与刀具表层贴合度较低的情况。
本文对CVD金刚石涂层硬质合金刀具使用中存在的问题及相应的解决方式进行总结，希望通过对刀具的合理使用来提高CVD金刚石涂层硬质合金刀具的使用范围和使用能力。
关键词：刀具应用；技术应用创新；刀具粗糙程度随着近年来工业应用发展对金属合金材料的刀具的质量要求越来越高，使用硬质合金材料进行刀具建设工作能够有效提高刀具使用效率。
金刚石材料具有硬度高、传导热量的速度快、产生的摩擦性较低，且耐热性能好的特点，能够更好的适应现代工业刀具使用的各项要求。
CVD金刚石是一种化学气相沉积所形成的材料，使用CVD金刚石进行刀具表层的建设能够更好的增强刀具的硬度，改变刀具建设的复杂程序，通过将CVD与各种复杂形状的刀具进行组合，有效的简化刀具制作步骤，降低建设成本。
一、CVD金刚石涂层硬质合金刀具的应用分析CVD金刚石涂层硬质合金刀具利用化学气相沉积的原理，将刀具表层与CVD金刚石进行融合，通过将CVD气相沉积于刀具表面的方式增强刀具的硬度和切割精确度，提高合金刀具原有的使用性能。
CVD金刚石的合金与刀具之间粘合能力较差，不利于硬质合金刀具的顺利制作。
cvd制备碳涂层
CVD制备碳涂层简介CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）是一种常用的制备碳涂层的方法。
通过在适当的反应条件下，将气相中的碳源分子在基底表面上沉积形成碳膜。
CVD制备碳涂层具有制备工艺简单、成本低廉、薄膜质量优良等优点，广泛应用于材料科学、电子工程、光学器件等领域。
CVD制备碳涂层的原理CVD制备碳涂层的基本原理是在适当的反应条件下，将气相中的碳源分子转化为活性的碳物种，并在基底表面上沉积形成碳膜。
CVD制备碳涂层的过程主要包括以下几个步骤：1.基底预处理：将待涂层的基底进行表面清洁和活化处理，以提高涂层的附着力和致密性。
2.反应气体供给：将含有碳源分子的气体输送至反应室，常用的碳源有甲烷、乙烯、丙烯等。
3.反应气体激活：通过加热或等离子体激活反应气体，使其分解或离解成活性碳物种，如CH3、C2H、C3H等。
4.活性碳物种扩散：活性碳物种在反应气体中扩散至基底表面，并吸附在基底表面上。
5.碳物种重组：吸附在基底表面上的活性碳物种在表面进行重组，形成碳涂层。
6.膜层生长：碳物种不断地在基底表面上沉积，形成连续的碳涂层。
CVD制备碳涂层的影响因素CVD制备碳涂层的质量和性能受到多种因素的影响，下面介绍几个重要的影响因素：1.反应温度：反应温度是影响碳涂层生长速率和质量的重要因素。
较高的反应温度可以促进碳物种的活化和扩散，但过高的温度可能导致碳涂层的结构疏松和缺陷增加。
2.反应气体浓度：反应气体中碳源分子的浓度对碳涂层的生长速率和质量有重要影响。
合适的碳源浓度可以提高碳涂层的致密性和纯度。
3.反应气体流速：反应气体的流速对碳涂层的均匀性和致密性有影响。
过高的流速可能导致碳物种无法充分扩散到基底表面，从而影响涂层的质量。
4.基底表面性质：基底表面的粗糙度、化学成分和晶体结构等对碳涂层的生长和附着力有重要影响。
较光滑的表面和适当的表面处理可以提高涂层的质量和附着力。
CVD制备碳涂层的应用CVD制备的碳涂层在多个领域具有广泛的应用，下面介绍几个常见的应用：1.光学涂层：CVD制备的碳涂层具有较高的折射率和较低的散射率，可用于制备光学薄膜、反射镜、滤光片等光学器件。
CVD金刚石涂层硬质合金刀片的基体预处理方法进展
第18卷第1期V ol.18 N o.1硬 质 合 金CEM EN T ED CA RB ID E2001年1期J an. 2001综合评述CVD金刚石涂层硬质合金刀片的基体预处理方法进展Ξ匡同春ΞΞ 成晓玲 白晓军 刘正义 (广东工业大学,广州,510090) (华南理工大学,广州,510641)代明江 周克崧(广州有色金属研究院,广州,510651)摘 要 全面概述了CVD金刚石涂层硬质合金刀具的开发现状、存在的主要问题,重点对硬质合金刀具表面预处理方法的研究现状进行了综述。
关键词 金刚石膜 硬质合金刀片 预处理1 引 言CVD金刚石膜是一种超硬的多功能材料,具有高硬度、高导热率、低摩擦系数、低热膨胀系数、高化学稳定性等优点,是一种理想的刀具材料。
用作刀具涂层开发出的CVD金刚石涂层硬质合金刀片,特别适合于加工有色金属及合金、非金属材料、复合材料等难加工材料。
CVD金刚石膜用作刀具涂层被认为是能最早实现其工业化应用的领域之一,CVD金刚石涂层刀具通常采用韧性好、强度高的硬质合金刀片作基体,涂层厚度一般在20Λm以下。
早在1988年10月在东京召开的第一届国际新金刚石科技大会上,日本旭(A sah i)金刚石工业公司就展示了一系列引人注目的金刚石涂层硬质合金工具,采用电子激活CVD法(EA CVD法),在工具上涂覆了5～50Λm厚的金刚石膜,用这种材料制作的铰刀和钻头,其寿命可提高10倍。
1990年9月在华盛顿召开的第二届新金刚石科技研讨会(I CND ST -2)上,维也纳理工大学的B enno L ux教授阐述了他们在烧结硬质合金刀具上沉积CVD金刚石所取得的进展,发现这种刀具用于切割印刷线路板,其磨损几乎与D e B eers公司SYND IT E多晶人造金刚石复合材料一样的慢。
在1993年美国西部金属及工具博览会(W estec’93)上,最引人注目的新产品是金刚石涂层刀片,这些刀具由美国目前生产此类刀具的两家公司C rystallum e和N o rton D iam ond F il m展出,引起其它工具制造厂家的关注,这些刀具最适合加工高硅铝合金。
TiN／TiCN／(Al2O3)／TiN CVD多层涂层硬质合金的性能研究
TiN/TiCN/(Al2O3)/TiN CVD多层涂层硬质合金的性能研究摘要：采用高温化学气相沉积（HT-CVD）和中温化学气相沉积（MT-CVD）相结合的复合化学气相沉积新工艺在硬质合金基体WC-(W,Ti)C-(Ta,Nb)C-6%Co 上分别沉积TiN/TiCN/TiN和TiN/TiCN/Al2O3/TiN涂层，制备了两种CVD多层涂层硬质合金。
通过氧化实验、显微硬度和切削实验等手段研究了TiN/TiCN/TiN 和TiN/TiCN/Al2O3/TiN CVD多层涂层硬质合金的抗氧化性能、硬度和切削性能。
结果表明，涂层后硬质合金的抗氧化性能、硬度和切削性能明显提高，Al2O3的加入进一步提高了CVD多层涂层硬质合金的抗氧化性能、硬度和切削性能；通过提高涂层硬质合金的抗氧化性能和硬度能提高涂层硬质合金的切削性能。
关键词：TiN/TiCN/TiN；TiN/TiCN/Al2O3/TiN；抗氧化性能；显微硬度；切削性能Abstract: the high temperature chemical vapor deposition (HT-CVD) and temperature chemical vapor deposition (MT-CVD) combination of complex chemical vapor deposition new technology in the hard alloy substrate WC-(W, Ti) C-(Ta, Nb) C-6% Co separately on TiN deposits/TiCN/TiN and TiN/TiCN/Al2O3 / TiN coating, the preparation of the two CVD multi-layer coatings hard alloy. Through the oxidation experiment, microhardness and cutting experiment and the means to study TiN/TiCN/TiN and TiN/TiCN/Al2O3 / TiN CVD multi-layer coatings hard alloy antioxidant properties, hardness and cutting performance. The results show that after coating hard alloy antioxidant properties, hardness and cutting performance improved obviously, Al2O3 to join to enhance the CVD multi-layer coatings hard alloy antioxidant properties, hardness and cutting performance; By improving the coating hard alloy antioxidant properties and can improve the coating hardness cemented carbide cutting performance.Keywords: TiN/TiCN/TiN; TiN/TiCN/Al2O3 / TiN; Oxidation resistance; Micro hardness. Cutting performance1采用HT-CVD和MT-CVD相结合的复合化学气相沉积新工艺分别在WC-(W,Ti)C-(Ta,Nb)C-6%Co硬质合金基体上沉积TiN/TiCN/TiN和TiN/TiCN/Al2O3/TiN涂层，制备了两种CVD多层涂层硬质合金，研究两种CVD 涂层硬质合金的高温抗氧化性能、硬度和切削性能，并试图探索三种性能之间的关系，以通过改善涂层硬质合金的一般性能来进一步提高涂层硬质合金的切削性能，为涂层硬质合金的研究提供参考。
PVD涂层技术
PVD涂层技术PVD涂层技术简介PVD即物理气相沉积，是当前国际上广泛应用的先进的表面处理技术。
其工作原理就是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在基底上。
它具有沉积速度快和表面清洁的特点，特别具有膜层附着力强、绕射性好、可镀材料广泛等优点。
PVD涂层性能特点镀膜的属性·金属外观·颜色均匀一致·耐久的表面，在各种基本的空气和直射阳光环境条件下永久保持良好外观。
·颜色深韵、光亮·经济，可减少清洗和擦亮电镀黄铜或金色所必须的时间和成本。
·对环境无害，避免化学中毒和VOC的散发。
·具生物兼容性镀膜特性·卓越的附着力-可以折弯90度以上不发生裂化或者剥落(PVD镀膜持有很高附着力和耐久力)。
其它的技术，包括电镀，喷涂都不能与其相比。
·可以蚀刻出任何能够想象出的设计图案。
·可以使用在内装修或者室外·抗氧化，抗腐蚀。
PVD膜层抵抗力·耐腐蚀，化学性能稳定。
·抗酸·在常规环境下，户内或者户外，都抗氧化，不褪色，不失去光泽并不留下痕迹。
·正常的使用情况下不会破损。
·不褪色。
·容易清除油漆和笔迹。
·在强烈的阳光，咸的湿地和城市环境下，都不失去光泽，不氧化，不褪色，不脱落和爆裂。
膜层颜色种类繁多，表面细腻光滑，富有金属光泽，永不褪色。
在烈日、潮湿等恶劣环境中不变色、不脱落，性能稳定。
高度耐磨损，耐刮擦，不易划伤。
可镀材料广泛，与基体结合力强。
高真空离子镀膜技术——对人体和生态环境真正无害。
经济性：节约(减少)了一般镀铜(金)产品所需清洁磨光的时间和花费，使用一块软布和玻璃清洁剂即可清洁干净PVD膜层。
PVD装饰涂层颜色系列PVD可以在不锈钢、铜、锌铝合金等金属上镀制金色、黄铜色、玫瑰金色、银白色、黑色、烟灰色、紫铜色、褐色、紫色、蓝色、酒红色、古铜色等颜色，并能根据您的要求提供所需的颜色及质量。
硬质合金刀具的CVD(化学气相沉积)技术真空涂层技术
硬质合金刀具的CVD(化学气相沉积)技术真空涂层技术1. 摘要2. 真空涂层技术的发展真空涂层技术起步时间不长，国际上在上世纪六十年代才出现将CVD(化学气相沉积)技术应用于硬质合金刀具上。
由于该技术需在高温下进行(工艺温度高于1000ºC)，涂层种类单一，局限性很大，因此，其发展初期未免差强人意。
到了上世纪七十年代末，开始出现 PVD(物理气相沉积) 技术，为真空涂层开创了一个充满灿烂前景的新天地，之后在短短的二、三十年间PVD 涂层技术得到迅猛发展，究其原因，是因为其在真空密封的腔体内成膜，几乎无任何环境污染问题，有利于环保；因为其能得到光亮、华贵的表面，在颜色上，成熟的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之间的任何一种颜色，可谓五彩缤纷，能够满足装饰性的各种需要；又由于 PVD 技术，可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层，应用在工装、模具上面，可以使寿命成倍提高，较好地实现了低成本、高收益的效果；此外， PVD 涂层技术具有低温、高能两个特点，几乎可以在任何基材上成膜，因此，应用范围十分广阔，其发展神速也就不足为奇。
真空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD(物理化学气相沉积)、MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术，各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷，如今在这一领域中，已呈现出百花齐放，百家争鸣的喜人景象。
与此同时，我们还应该清醒地看到，真空涂层技术的发展又是严重不平衡的。
由于刀具、模具的工作环境极其恶劣，对薄膜附着力的要求，远高于装饰涂层。
因而，尽管装饰涂层的厂家已遍布各地，但能够生产工模涂层的厂家并不多。
再加上刀具、模具涂层售后服务的欠缺，到目前为止，国内大多数涂层设备厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具和模具的应用技术等)，而且，它还要求工艺技术人员，除了精通涂层的专业知识以外，还应具有扎实的金属材料与热处理知识、工模涂层前表面预处理知识、刀具、模具涂层的合理选择以及上机使用的技术要求等，如果任一环节出现问题，都会给使用者产生使用效果不理想这样的结论。
PVD和CVD涂层方法
PVD和CVD涂层方法涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。
前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5µm；后者的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10µm，并且设备简单，涂层均匀。
因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。
硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。
近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。
国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。
即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下(目前涂覆温度已可降至180℃~200℃)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。
据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。
用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.02~0.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。
所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。
涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。
据报道，国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。
涂层成份又有哪些呢？各自的区别在哪里，应用面怎样。
通常使用的涂层有：TiC、TiN、Ti（C.N）、Gr7O3、Al2O3等。
以上几种CVD的硬质涂层基本具备低的滑动摩擦系数，高的抗磨能力，高的抗接触疲劳能力，高的表面强度，保证表面具有足够的尺寸稳定性与基体之间有高的粘附强度。
PVD与CVD涂层工艺比较PVD与CVD涂层工艺比较沉积温度涂层厚度涂层表面状态主要涂层材料涂层结合强度对环境影响主要应用领域物理气相沉积500℃或更低，沉积温度低刀具变型不，基体的硬度强度不降低。
Ti(C,N)含量对硬质合金脱β层的形成及其CVD涂层刀具切削性能的影响
Ｚｏｕ Ｌｉ ｎｇ ｌ ｉ
（ Ｘｉ ａ ｍｅ ｎ Ｇｏ ｌ ｄ ｅ ｎ Ｅ ｇ ｒ ｅ ｔ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ Ａｌ ｌ ｏ ｙ Ｃ ｏ ，Ｌ ｔ ｄ ， Ｘ ｉ ａ ｍｅ ｎ，３ ６ １ ０ ０ ６，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａ ｇ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｅ ｄ ＷＣ — Ｔ ｉ （ Ｃ， Ｎ） 一 Ｎ ｂ Ｃ — Ｃ ｏ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｃ ａ ｒ ｂ ｉ ｄ ｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｆ ａ ｂ ｒ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｗ ｏ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｔ ｉ （ Ｃ， Ｎ）
邹 伶 俐 一
（ 厦 门 金 鹭 特 种 合 金 有 限 公 司 ，厦 门 ３ ６ １ ０ ０ ６ ）
摘 要 ： 本文通过改变原料中 Ｔ ｉ （ Ｃ ， Ｎ） 的含 量 （ ０ ． ５％ 和 １ ． ５ ％） （ 质 量分 数 ， 下 同） ， 采 用 一 步 烧 结 法 制 备 了 ＷＣ — Ｔ ｉ （ Ｃ， Ｎ） 一 Ｎ ｂ Ｃ — Ｃ ｏ脱 卢层 硬 质 合 金 ， 并通过 化学气 相沉积 （ Ｃ Ｖ Ｄ） 技术 制备 Ｔ ｉ Ｎ ／ ＭＴ — Ｔ ｉ Ｃ Ｎ ／ Ａ １ Ｏ 涂 层 硬 质 合金 ， 研 究 的 目的 是 比较 Ｔ ｉ （ ｃ ， Ｎ ） 含 量 的 微 量 变 化 对 其 脱 层 硬 质 合 金 的微 观 组 织 和 物 理 力 学 性 能 ， 以 及 其 涂层刀具车 削 ４ ５ ＃ 钢的使用寿命的影响。研究结果表明 ： 在 两 种 合 金 的表 层 均 形 成 了脱 Ｊ Ｂ层 ， 随着 Ｔ ｊ （ Ｃ， Ｎ） 含量 从 ０ ． ５ ％增加 至 １ ． ５ ％， 脱 卢层 厚 度 从 １ １ ｍ增 加 至 ３ ５ ｍ， 另外 ， ＷＣ平 均 晶 粒度 从 １ ． ９ ７ ｍ减少至 １ ． ６ ０ ｍ； 矫 顽 磁 力 ＨＣ和维 氏硬 度 Ｈ Ｖ ３ ０提 高 ， 合 金 密 度 Ｄ和 断 裂 韧 性 Ｋ ， 降 低 。涂 层 刀 片 的 切 削 试 验 结 果 表 明 ： 高Ｔ ｊ （ Ｃ， Ｎ ） 含量制备的涂层刀片的耐磨性略微降低 ， 而 抗 冲击 性 能 明显 提 高 。
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2010年第44卷 521CVD涂层技术对硬质合金材料形成脱碳层( 相层)影响分析宋洪刚,曾祥才,高见,袁晓光,吴春涛成都工具研究所摘要:采用CVD技术对硬质合金材料涂层时,温度超过1000 很容易在基体材料表面形成脱碳层。
先进行900 以下的中温TiCN、TiN涂层作为保护层,再进行高温涂层,能有效降低脱碳层的厚度。
本文分析了脱碳层对基体材料抗弯强度的影响,并对不同涂层刀片的切削性能进行了对比分析。
关键词:CVD;硬质合金;脱碳层;抗弯强度中图分类号:TG113.12;TG17 文献标志码:A InfluenceofCVDMethodonDecarburizedLayerFormedonCementedCarbideSubstrate SongHonggang,ZengXiangcai,GaoJian,YuanXiaoguang,WuChuntaoAbstract:Whenthecoatingsdepositedontothecementedcarbidesubstratebychemicalvapord epositionmethod,itisquieteasytoformadecarburizedlayeronthesurfaceofthesubstrateifthet emperatureisabove1000 .Inordertodecreasethethick nessofthedecarburizedlayer,aTiCNorTiNcoatingisfirstlydepositedonthecarbidematerials asabufferlayertoprotectthesubstratebelowthetemperatureof900 ,andthentheothercoatings areprocessedatahightemperature.Thepaperinvestigatestheinfluenceofdecarburizedlayero nthebendingstrengthofthesubstratematerial,andcomparativeanalysestheturningperfor manceofthecarbidetipscoveredbydifferentcoatings.Keywords:CVD;cementedcarbide;decarburizedlayer;bendingstrength1 引言用化学气相沉积(CVD)涂层技术在硬质合金工具、模具基体上沉积TiC、TiCN等涂层时,由于基体和涂层之间各元素的扩散和化学反应,容易在基体材料表面形成一层脱碳层( 相层,W3Co3C或W6Co6C)。
虽然少量很薄的点状、短线状相层(小于0 2 m)对提高涂层和基体之间的结合强度和耐磨损性能有利,但由于脱碳层硬度高、脆性大,能大幅降低涂层制品的抗弯强度和韧性,从而影响涂层制品的使用性能。
特别是用于精加工的螺纹刀片,由于脱碳层的影响,往往更容易引起刀尖崩刃。
所以在CVD技术沉积涂层的过程中,应尽量减少脱碳层的产生。
2 试验方法(1)CVD涂层工艺设计本试验所选用的硬质合金材料为成都工具研究所生产的CP2型B8N2-3刀片和标准试验条。
选用以下四种CVD涂层方案。
GY1HT(TiC+TiCN+TiC+TiCN)为高温涂层,每层涂层时间为20min。
TiN为900 中温涂层,涂层时间为40min;GY2第一层中温TiN涂层时间为20-40min,再升温按GY1涂覆涂层;GY3第一层MT-基金项目:国家科技支撑计划(2008BAF32B06)收稿日期:2010年2月TiCN为中温涂层,时间为30min,高温涂层HT-(TiC+TiCN+TiN)每层涂层时间为40min;GY4所有涂层均为低于900 的中温涂层,TiCN涂层时间为40min,TiN涂层时间为50min。
表1 CVD涂层工艺设定编号GY1GY2GY3GY4CVD涂层工艺HT-(TiC+TiCN+TiC+TiCN)+TiNTiN+GY1MT-TiCN+HT(TiC+TiCN+TiN)MT-(TiCN+TiN)涂层温度HT:1000 -1020 ,TiN:900 TiN:900MT:850 -900 ,HT:1000 -1020MT:850 -900 ,TiN:900(2)性能检测采用划痕试验机检测涂层的结合强度;用DX-1000型X射线衍射仪分别对涂层后的试样进行X衍射分析;采用日本奥林巴斯Gx71光学显微镜观察涂层后的金相组织;每种涂层工艺放5根试样条进行涂层,然后进行抗弯强度测定。
3 结果分析与讨论3.1 各CVD涂层硬质合金刀片划痕实验结果与分析划痕实验是在WS-2000涂层附着力自动划痕仪上进行。
该设备主要采用声发射监听记录装置记录涂层破裂时的临界载荷LC,并以此判断涂层的结合力大小。
本检测采用连续加载方式,加载速度为22涂层工艺的临界载荷LC见表2。
表2 不同涂层工艺的平均临界载荷编号GY1GY2GY3GY4临界载荷LC(kg)8.37.68.18.6工具技术碳相最多;GY2、GY3为先涂覆了一层900 以下的中温涂层,对基体进行了保护,再进行1000 以上的高温涂层时,脱碳相有所降低;而GY4为全中温涂层,最高涂层温度都不超过900 ,所以脱碳相很少,几乎消失。
经过多次对比试验,还发现GY2、GY3最先涂覆的中温涂层越厚,脱碳相越低。
当中温涂层超过1 m时,对基体的保护比较好。
3.3 涂层后的组织结构采用日本奥林巴斯Gx71光学显微镜观察涂层后的金相组织,各涂层工艺断口腐蚀后的金相图片见图1。
从表2可知,四种工艺涂层的结合强度都很高,都在8kg左右,远远高于行业推荐的4kg。
在显微镜下观察划痕形貌都很好。
3.2 CVD涂层后的XRD结果与分析用DX-1000型X射线衍射仪分别对涂层后的试样进行X衍射分析。
X射线测试采用Cu靶辐射线进行连续扫描方式,扫描速度0 06!/s,扫描角度2 范围为28!-69!,采样时间1s,波长值1 54184A。
,管电压40kV,管电流25mA。
各涂层工艺试样的相三强峰峰强比见表3。
表3 各涂层工艺的相三强峰峰强比编号GY1GY2GY3GY4峰强比132810158少量峰强比221150360峰强比313530170GY1GY2由表3可知,GY1 相峰强比最高,GY2、GY3 相峰强比有所降低,而GY4 相峰强比几乎为0。
由于X射线衍射分析不但能定性的分析物相的存在,各相峰强比也能部分定量的反映物相的多少。
分析CVD涂层时基体和涂层界面形成脱碳层的主要原因有:∀在沉积过程中,因温度较高(一般900-1050 ),基体中碳的活性较大,容易从固相基体中扩散出来。
再与沉积气氛中的钛进行化学反应,生成碳化钛,而使基体表面脱碳形成相。
反应式为2TiCl4(g)+3WC(s)+3Co(s)+4H2(g)#2TiC(s)+W3Co3C(s)+8HCl(g)GY3GY4图1 放大1500倍的金相图片由图1知,GY1的涂层分为5层,涂层总厚度大概在5 m左右,而脱碳层为连续分布,厚度约4 m左右。
GY2比GY1在最底层多了0 8 m左右的中温TiN层,脱碳层的厚度大概在1 m左右,且成点状分布。
GY3最底层的中温TiCN层大概在3 m左右,涂层总厚度大概为8 m,脱碳层厚度大概为1 2 m,成点状分布。
GY4涂层总厚度为7 m左右,在基体一侧几乎没有发现脱碳相。
金相图片的结果与上文所述的XRD 检测结果与分析相吻合。
3.4 涂层后的力学性能测试表4编号未涂层试样条GY1GY2GY3GY419631166128613931633抗弯强度(MPa)2228107313581364168919719851329137616542252123113981359170221071283142114191693平均值21041148135813821674因此,当碳氢气氛浓度较高时,基体表面脱碳层厚度也会变薄。
∃在沉积碳化钛涂层时,其Ti-C原子比的范围较宽(0 5-1)。
对Ti-C原子比较低的TiC结晶,在高温条件下,随着沉积时间的增加,也可以从固相基体表面夺取碳元素,使基体表面脱碳,形成相。
可见,高温沉积时间愈长、涂层愈厚时,基体表面脱碳现象也愈严重。
2010年第44卷 523削试验时表现较为稳定,很少出现崩刃现象,以涂层磨损为主。
主要原因是:当进行淬火态外圆切削时,刀片所受冲击较小,刀片主要以磨损为主,由于四种工艺的涂层结合强度都很好,所以切削性能也很好。
当进行正火态带槽外圆切削试验时,刀片除了正常的磨损形式外,还不断地受到冲击。
所以脱碳相比较严重的GY1涂层,容易出现轻微的崩刃现象,引起刀片失效。
GY2、GY3涂层由于也有少量脱碳相,有时也会出现崩刃现象。
5 结语(1)四种CVD涂层工艺都取得了很好的涂层质量,涂层与硬质合金刀片的结合力都在8kg左右。
(2)CVD涂层技术在CP1型硬质合金刀片上沉积涂层,当最底层为高温TiC涂层,涂层温度超过1000 时,在基体材料表面很容易产生脱碳层,而中温的TiCN、TiN涂层,由于涂层温度低于900 ,对基体材料能产生保护作用,脱碳层能明显减少。
(3)CVD 涂层后,硬质合金材料的抗弯强度降低20%-45%,且脱碳层越厚,越呈连续分布时,抗弯强度下降越大。
(4)四种工艺涂层刀片进行淬火态外圆切削时,刀片主要以磨损为主,切削效果都很理想。
进行带冲击的正火态带槽外圆切削试验时,脱碳层较厚的涂层刀片由于力学性能下降较多,容易出现崩刃现象,严重影响刀片的使用寿命。
脱碳层很少的涂层刀片,进行带冲击的切削试验时,效果较好。
参考文献0.140.121.300.160.170.240.180.100.12从表4结果可知,GY1涂层试样条的抗弯强度下降很大,分散性也较大。
GY2、GY3涂层试样条的抗弯强度下降也较大,但分散性较小。
GY4涂层试样条的抗弯强度下降最小。
涂层后的抗弯强度下降,主要有两方面的因素:一方面,由于各种涂层与基体不同的膨胀系数,涂层后内应力的存在造成了试验条抗弯强度的下降;另一方面,由于CVD涂层温度较高,造成了基体脱碳,降低了基体的抗弯强度。
GY1-GY4都存在涂层后内应力的影响因素,但基体的脱碳相逐渐减少,所以它们的抗弯强度值逐渐升高。
4 涂层刀具的切削性能试验每种涂层工艺选取3片成都工具研究所生产的B8N2-3螺纹梳刀进行淬火态外圆切削,结果见表5。
为了验证刀片的抗冲击性能,还进行了正火态带槽外圆切削试验,结果见表6。
切削参数为v=150m/min,f=0 2mm/r,ap=0 40mm,加工材料为!120mm的40Cr棒材。