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涂层硬质合金材料的性能特点

陶瓷涂层刀具作为刀具材料的一个重要的发展方向，应用日益广泛。它在拥有与硬质合金材料相近的强韧性的同时，耐磨性是未涂层刀具的几倍至十几倍，并且使加工效率显著提高。目前刀具涂层的方法仍以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主流，这两种方法比较突出的问题是只在刀具表面涂覆，而且涂层与基体间的界面结合强度低，涂层容易剥落，这样就使涂层不能做得太厚，一旦涂层被磨掉，刀具就会迅速磨损。这种情况使进一步提高涂层刀具寿命变得十分困难。

另外，涂层刀具基本上不具备重磨性，这就限制了涂层刀具在粗加工和大型加工设备上的应用。

针对这一问题，在本研究中提出了在硬质合金粉末表面涂层制备刀具的新方他们将为行业带来哪些新技术、新看点、新工艺?让我们先睹为快!法，由于溶胶中胶粒尺寸很小(nm级)，具有很大的比表面积和强烈的吸附趋势，有可能形成结构致密、与基体结合牢固的陶瓷涂层。这种方法变传统的宏观涂层为微观涂层，突破了原有的刀具涂层的局限，是对探索制作涂层刀具新方法的有益尝试。

制作实验过程

1) 溶胶的制作

选取异丙醇铝［Al(C3H7O)3］(北京化学试剂总厂，分析纯)为前驱物，以去离子水(自制)作为溶剂，用硝酸［HNO3］(山东省化工研究院)作为胶溶剂，将上述原料按一定比例混合均匀，水浴恒温85℃，并施以强力搅拌，48h 后即获得均一稳定的勃姆石溶胶。

2) 基体粉末的处理和涂层

基体材料可以是YT、YG、YW类硬质合金粉末，基体粉末球磨后在丙酮中进行超声波清洗，然后在稀酸中浸泡处理；再经过去离子水清洗，加入到乙醇和水的混合溶液中，并施以强力搅拌和超声波振荡，令其分散均匀。

在此时，加入勃姆石溶胶，经过抽滤、干燥，得到有陶瓷涂层的粉末，然后经预烧结，使涂层充分转化为Al2O3陶瓷。这就是对基体粉末实施陶瓷涂层的过程。

3) 烧结压制刀片

在涂层粉末中再加入微量粘结金属，热压烧结，烧结温度范围1450～1850℃，保温10～30 min，压力15～40MPa。

4) 切削对比实验条件

切削实验机床为C普通车床改装的无级变速车床。工件材料为T10A工具钢(硬度HRC55～61)。选用4种刀具进行对比：一种是粉末涂层材料压制的FTC1、FTC2；一种是陶瓷刀具LT55；一种是硬质合金刀具YT15，还以1个普通档次的拉力实验机来讲吧有一种是YB01氧化铝-碳化钛复合涂层硬质合金刀片(前2种是自制的产品，后2种是株州硬质合金厂产品)。刀具的几何参数分别为：Kr=75°、go=-5°、ls=-5°、bo=90°、er=90°。切削实验时均采用干式切削。

实验结果和分析

1) FTC1、FTC2材料的力学性能

我们进行的大量实验表明，采用基体材料为YT、YG、YW类等硬质合金涂层粉末在烧结后，所得材料的力学性能较差，其内部布满微裂纹，难以磨成抗弯强度试样。

之后，我们在充分考虑材料的物理匹配和化学相容性的基础上，对基体粉末中的碳化物比例进行调整，制得的新型涂层材料FTC1、FTC2，表现出了良好的力学性能，硬度明显优于硬质合金，与陶瓷材料相近；而抗弯强度则比普通陶瓷材料高。测量1种性能优越的耐磨、防腐、防水材料得到的力学性能见表1。表1 几种材料的力学性能

材料名称硬度HV

kg/mm2抗弯强度

MPa断裂韧性KIC

MPa.m1/2YT14基

YW1基

YG6基

FTC1

FTC2约1450

1750～1850

约1550

1650～2300

1800～2030…

…

…

600～1000

860～1100约7.5

6.7～7.2

约5.5

4.3～5.8

4.8～5.4

其力学性能的测试方法：用3点弯曲法测抗弯强度；用压痕法测断裂韧性；用洛氏硬度计测硬度。

2) 切削效果分析

为了检验新型刀具材料的切削效果，分别与普通硬质合金刀具、陶瓷刀具和CVD法Al2O3陶瓷涂层刀具进行对比切削实验。

图1是刀具FTC1、L55、YT15在v=75 m/min,f=0.1mm/f,ap=0.15mm切削条件下切削淬硬T10A工具钢时后刀面的磨损曲线。由图1上的3条磨损曲线可看出，由于工件材料较硬，当切削长度为530m时，YT15硬质试件均为圆柱体合金刀具后刀面磨损已达到0.58 mm；而L55陶瓷刀具和新型刀具FTC1切削长度达到2650m后，后刀面磨损约仅有0.3mm，且磨损情况相似，但FTC1的磨损比L55还要轻微一些。

图1 切削淬硬T10A钢刀具后刀面磨损曲线

图2是刀具YB01、FTC1、FTC2在v=71.5m/min,f=0.1mm/f,ap=0.15mm切削条件下切削淬硬T10A工具钢时后刀面的磨损曲线。由图2上的3条磨损曲线可看出，由于工件材料较硬，当切削初期，FTC1、FTC2由于涂层比较薄，后刀面磨损量要比YB01大。但是，粉末涂层材料刀具FTC1、FTC2进入正常磨损阶段后的磨损保持相对的均匀稳定，而BY01陶瓷涂层刀具的正常磨损路程相对较短，在切削长度达到520m后就进入急剧磨损阶段。这是因为陶瓷涂层此时已被基本磨掉，其切削功效也就大大降低。另外，YB01在切削过程中，前刀面有贝壳状剥落，这可能是由于切削力较大时将涂层挤裂造成的，影响了涂层效能的充分发挥。新型涂层材料刀具FTC1、FTC2在切削速度较低时一般不会发生破损。

图2 切削淬硬T10A钢刀具后刀面磨损曲线

在对比实验中，当YB01刀具的后刀面磨损达到0.3mm时，此时的刀具涂层在切削中不再能有效发挥作用，刀尖、刀刃变钝，切削中的振动加剧，已加工表面十分粗糙，刀具几乎已不能进在规定的状态调理条件、温度、湿度和应变速率下采取相同的试样行切削。据实验推算，新型涂层材料刀具FTC环顾世界1、FTC2要符号比用CVD法获得的陶瓷涂层刀具YB01在切削淬硬钢时的使用寿命至少提高一倍。

结语

利用溶胶-凝胶方法，在碳化物粉末表面涂覆薄薄一层Al2O3，再将其烧结成刀具材料，具有晶粒细小均匀和有很高的硬度以及较高的强度。

这种新型涂层材料刀具FTC1、FTC2在切削淬硬钢时，切削性能与陶瓷刀具相近，明显优于硬质合金和Al2O3涂层刀具，表现出了良好的综合切削性能，是一种具有很大发展潜力的新型刀具材料。(end)