基体表面酸洗处理对硬质合金涂层组织和性能的影响

如果样品冲击 4 min17 s 仍未破坏，表明刀片具 有很好的抗冲击性能， 没有必要进一步试验直到刀 片破坏，则试验中止。
刀片磨损试验在 HAAS 数控车床上进行，被加工 材料为 45＃ 钢。 切削条件为 v=320 m/min，a=1.0 mm， f=0.2 mm/r。 每隔一定时间测量一次刀片后刀面的磨 损，磨损量大于 0.3 mm 或切削过程中刀片破损，中止 试验。 通过其加工寿命表征刀片的耐磨性。
表 3 不同酸液浓度浸蚀后刀片冲击试验时间统计 min
浸 蚀 时 间 /min
5%
10%
20%
50%
5
0.5
1.5
0.07
4.17
10
4.17
4.17
4.17
4.17
20
0.33
2.95
1.75
0.07
注：每个结果为 2 次测量的算术平均值。 未酸洗样品冲击时
间为 0.08 min。
这是由于冲击性能主要反映刀尖的使用状况。 如前所述，刀片酸洗后需进行刃口钝化处理。刀尖部 分除已钝化区外，还有很大部分是未钝化区域。已钝 化区在较短时间内或较低浓度时不会受到浸蚀的影 响，因此结合力较好。未钝化区域钴层经酸洗全部除 去，粘结强度较好，因此较长时间或较高浓度酸洗的 冲击性能好。但如果浓度过高且时间太长，钝化也不 能完全清除该浸蚀层，则影响到基体的韧性，因此导 致冲击性能很差。
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凝固时形成的典型生长条纹， 只有少量 WC 颗粒的 尖端曝露在基体的表面，没有发现立方相。酸洗后表 面钴迅速减少，短时间酸洗后仅残留少量钴，露出白 色块状 WC 颗粒和浅灰色球状立方相（见图 1b）。 说 明采用 HNO3 去钴的效率很高。 在更长时间或更高 浓度酸洗后， 在扫描电镜中已不能观察到表面钴的 存在，只有 WC 和立方相（见图 1（c））。
左：未酸洗，基体表面浅灰色层为 Co，右：酸洗后，基体表层黑色相为 TiN 图 2 酸洗前后涂层样品纵截面形貌
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硬质合金
第 26 卷
压痕试验中涂层和基体承受的主要是压应力。 基体表面的钴被完全浸蚀后， 涂层直接在 WC 或立 方相上外延生长，为原子间键合，结合力很强，因此 涂层和基体间粘结强度高；但如果浸蚀过重，基体内 部粘结相受损，造成基体韧性下降，则降低涂层的结 合性能。 如果有钴层存在或涂层时钴可以扩散到表 面，则结合强度低。
表 1 HNO3 酸洗工艺表
时 间 /min
5%
10%
20%Байду номын сангаас50%
5
1#
2#
3#
4#
10
5#
6#
7#
8#
20
9#
10#
11# 12#
所有经酸洗处理刀片和未经处理刀片的刃口均 进行规定大小的钝化处理，超声波清洗和干燥，放入 同一 CVD 涂层炉内涂层。 采用多层涂层工艺以获得 最佳的涂层性能，多层涂层的结构从里到外依次为： 1 μm TiN+8 μm MT-TiCN+4 μm Al2O3+1 μm TiN。
涂层刀片抵抗切削力的能力在很大程度上取决 于基体和涂层的结合力。如果配料不当，或烧结工艺 不合理， 在烧结后的硬质合金刀片表面可能出现钴 的富集甚至数微米厚的钴层。 该表面层并不影响非 涂层刀具的寿命。在残余的钴迅速磨损后，坚硬的硬 质合金基体将暴露出来，使刀具的磨损趋于稳定。当 覆盖有钴表层的刀片涂层后， 该钴层在涂层后仍存 在，在金相显微镜中呈白色，称为“白相”。 由于 CVD 涂层时处于 1 000 ℃左右的高温， 钴相中能溶解大 量的碳，加速碳的扩散，易在基体中形成 η 相，从而 影响涂层的结合强度。 另一方面，低硬度钴层的存在， 会产生变形和弯曲，造成涂层拉长或裂纹，使涂层刀 片耐磨性降低，或过早破损，因此应尽量避免［1］。 为了 避免这一问题的出现， 在刀具涂层前必须将这些残 余的钴去除。
结合强度是涂层刀片最重要的性能之一。 本研 究采用两种方法表征涂层的结合性能。 一种是压痕 法测量涂层的剥落性能， 通过测量涂层的剥落面积 半定量地表征涂层和基体的结合强度 。 [8-9] 设定没有 剥 落 时 为 0 级 ， 剥 落 面 积 20%以 下 为 1 级 ， 大 于 20%为 2 级。 可以看出，剥落数值越低，表示结合强 度越好。 另一种方法为冲击试验，它表征的是刀片的 综合结合强度。
作者简介:陈响明，男，1965 年生，中南大学在读博士。 长期从事材料的性能测试和电镜分析，目前主要研究硬质合金涂层技术和开发高性 能涂层刀具。
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硬质合金
第 26 卷
硫酸中，较易溶于适当浓度的硝酸中，在浓硝酸中呈
“钝态”。 钴与几种主要酸介质的化学反应为：
Co+2HC1＝CoCl2+H2 Co+2HNO3＝ Co (NO3) 2+H2
有多种方法可以消除烧结体表面的钴层 。 ［2-3］ 优 化的配料和可控的烧结工艺可以从源头上防止钴层 的产生。在出现钴层后，也可以通过表面处理清除钴
层［4］。 化学浸蚀（如酸洗或电解）和表面研磨（如喷砂 或 磨 削 ）是 两 个 较 常 用 的 方 法 ［5］。
酸洗法成本低廉，操作简单，适合任何形状的刀 片，且对处理后的刀片表面无损伤。已有文献对硬质 合金表面的酸洗进行过研究， 但主要集中在金刚石 涂层领域 。 ［6-7］ 本研究的目的是研究不同浓度和不同 时 间 的 酸 洗 处 理 对 CVD 涂 层 中 温 （MT）TiCN 和 Al2O3 多层涂层刀片组织和性能的影响规律，为大规 模生产提供指导。
用 扫 描 电 镜 （SEM） 观 测 样 品 表 面 上 钴 层 的 形 貌
变化和截面上涂层组织的 变 化 ，用 能 谱 仪 （EDS）测 量表面成份的变化。 采用压痕法评估涂层的抗剥落 性能，压痕实验在 FR-3e 数字洛氏硬度仪上进行。
刀 片 的 冲 击 试 验 在 CK7525 型 数 控 车 床 上 进 行 ，被 加 工 材 料 为 径 向 均 匀 开 有 四 个 槽 的 45＃ 钢 ， 即 每 转 一 周 冲 击 四 次 。 试 验 参 数 为 v=300 r/min， a=1.0 mm，f=0.2 mm/r， 每分钟冲击 1200 次，4 分 17 秒材料被切削一层，冲击了约 5 000 次。
对表 4 的切削数据进行分析可知， 切削寿命最 短的是 8＃ 和 12＃，它们是长时间和高浓度浸蚀的样 品，切削寿命最长的是 2＃ 和 1＃，它 们 是 低 浓 度 、短 时间浸蚀的样品， 其它样品则和未浸蚀样品差不多 （在 85%－115%范围内）， 这些样品虽受偶然因素的 影响， 但仍有时间短或浓度低则寿命长的趋势。 如 4＃ 样品虽然浓度达 50%，但由于时间只有 5 min，因 此寿命有 98%；10＃ 和 9＃ 浸蚀时间为 20 min， 但浓 度较低，因此寿命仍有 96%和 97%。 由此可见，切削 试验对工艺参数比压痕试验和冲击试验敏感， 只有 较低浓度和较短时间才能取得较好的效果。
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第 26 卷第 4 期 Vol.26 No.4
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doi：10.3969/j.issn.1003-7292.2009.04.005
硬质合金 CEMENTED CARBIDE
2009 年 12 月 Dec. 2009
基体表面酸洗处理对硬质合金涂层组织 和性能的影响
陈响明 1,2 易丹青 1 王以任 1,2 （1. 中南大学材料科学与工程学院，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 设计了不同浓度、不同时间的酸洗除钴工艺对硬质合金基体表面进行处理。采用 多种手段对不同处理后的涂层刀片进行了组织和性能分析。 结果表明：各种 HNO3 溶液对 除去硬质合金基体表面的钴效果均很明显，但要防止内部钴的浸出。 涂层在钴相表面为重 新形核生长，晶粒细小；在除去钴的表面为外延生长，晶粒粗大。 基体表面去钴工艺参数对 涂层刀片的剥落性能、冲击性能和耐磨性能均有明显影响。 因此在选择表面酸洗除钴工艺 时，必须综 合 考 虑 多 种 因 素 ，根 据 刀 片 的 使 用 领 域 确 定 最 优 的 酸 洗 方 案 。 关键词 硬质合金；涂层；刀片；表面处理
被清除后留下的间隙。 说明用 HNO3 清洗时基体内 部的 Co 可能被清洗掉，这在酸洗时必须特别注意。
从 SEM 照片上看到， 在 Co 相上 TiN 晶粒细小 的柱状晶，直径小于 50 nm,长径比在 2~5 之间。 表 明 TiN 涂层在 Co 相上重新形核。 在 Co 完全浸蚀的 基体上，WC 和立方碳化物上 TiN 涂层为外延生长， 晶粒粗大。 3.2 结合强度的变化
Co+H2SO4＝CoSO4+H2 此外，钴还能溶于上述酸性介质的混合液，并能
与某些盐类发生置换反应。 因此，根据 Co 的这些化
学性质，利用酸或盐介质，均可除去硬质合金基体表
面中的 Co 相。 本研究采用不同浓度的 HNO3 溶液进 行表面去钴处理。刀片经标记后放入酸液中处理，时
间分别为 5、10 和 20 min，酸洗工艺见表 1。
表 2 不同酸液浓度浸蚀后刀片压痕试验结果统计
浸 蚀 时 间 /min
5%
10%
20%
50%
5
1
2
1.75
0.5
10
1.5
2
0.5
0.5
20
1.25 0.75
0.75
1
注：每个样品测量 4 次，计算其算术平均值。 未酸洗样品剥落
为 1.0
冲击试验结果见表 3，可以看出，未酸洗的刀片 冲击性能均不行，酸洗后的刀片有一半是好的。冲击 性能较好的试样是高浓度、短时间或低浓度、适中时 间的样品。 浸蚀时间为 10 min 的样品冲击性能均较 好。但高浓度、长时间处理的 12＃ 刀片冲击性能却很 差。