多涂层CP3型硬质合金抗弯强度及其分散性的研究

HEATS

1 引言

由于很多氮化物(TiN、Si₃N₄、HfN、VN)、碳化物(TiC、SiC、HfC、TaC、VC、WC)、硼化物(B₄C、TiB₂、ZrB₂、C-BN)以及氧化物(Al₂O₃、ZrO₂)都具有很高的硬度和耐磨性，因此被广泛应用于涂层刀具的制造。据报道，在工业发达国家80%以上的硬质合金刀具都经过表面涂覆处理。用CVD法在刀具表面涂覆TiC、TiCN、TiN等涂层已得到普遍应用。为了进一步改善刀具涂层的性能，20世纪90年代以来，国内外相继开发了双涂层、三涂层以及多涂层(有的甚至达到几十层、上百层)的刀片复合涂层工艺。为了分析并改善涂层的性能，笔者通过研究一种四涂层(TiC-TiN-TiC-Al₂O₃)的涂层组织结构，对该涂层与基体的结合力以及硬质合金材料涂覆前、后的抗弯强度及其分散性进行了讨论。 . T7 U* c" i2 f. j+ N7 A( W) m

2 试验与检测

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试验材料采用自产CP3型硬质合金，试样尺寸为30×5×5mm³；在CTI-C280M型CVD涂覆炉中进行涂覆处理，涂覆的顺序依次为TiC→TiN→TiC→Al₂O₃。

在菲利浦X'Pert型X衍射仪上对涂层后的硬质合金进行物相分析，试验参数为：Cu靶，石墨单色器，电压40KV，电流40mA，扫描速度0.04°/s；在日本X-650型电子探针仪上观察涂层后硬质合金的断口形貌；在WS-88型涂层结合力测定仪上测定涂层的结合力；在日本T10A型电子拉伸试验机上测定涂层后硬质合金的抗弯强度，十字头速度为1mm/min。 j& U0 t! M) K0 B" W3 v* D& _

3 结果与分析

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1. 断口形貌 5 h0 w( T$ h% S% y2 f M p
   在X-650型电子探针仪上观察到涂层后硬质合金的断口形貌如图1所示(图中右侧为涂层)。由图1可见，涂层与基体之间冶金结合紧密，涂层中未见微缺陷且无明显的柱状晶。
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   图1 涂层后硬质合金的断口形貌

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   图2 CVD涂层的X衍射谱

2. 涂层组织结构 - K: |7 m z) E' z3 `" g9 O0 n" w
   图2为涂层的X衍射谱。通过查对JCPDS衍射卡片，可知涂层中有TiC、TiN和Al₂O₃相；衍射谱中还有WC和Co相(因为涂层较薄，硬质合金中的主相WC和Co也会在衍射结果中有所反映)。
3. 涂层结合力
   在WS-88型涂层结合力测定仪上通过划痕法测定的涂层结合力为5～7kg，进一步证明了涂层与基体结合良好。
4. 抗弯强度 6 e# O7 c6 G- F+ n+ o4 Z' E' e9 g
   涂层前、后分别在日本T10A型电子拉伸试验机上测定材料的抗弯强度。该硬质合金涂层前的抗弯强度分别为2351、2648、2523、2446、2257、2172、2233、2194、2179、1902、1876、1679、2074、2053、1971、2148、2118、2230、1485、2206、1885、2034、2234 和1967MPa，平均抗弯强度为2119MPa；涂层后该硬质合金的抗弯强度分别为1509、1513、1551、1552、1564、1567、1567、1611、1624、1631、1636 和1643MPa，平均抗弯强度为1580MPa。由该结果可知，涂层前该材料的抗弯强度存在一定的分散性，涂层后硬质合金的抗弯强度有所下降，但分散性变化很小。 + I% U% Z5 q% r! F
   日本学者研究了用CVD法在硬质合金基体上涂覆单层TiC涂层和涂覆TiC+Al₂O₃双层涂层对其抗弯强度的影响。研究结果表明，涂层硬质合金的抗弯强度随涂层厚度的增加而下降。

为了分析脆性材料强度的分散性，ASTM标准已推荐使用Weibull统计方法分析工程陶瓷材料的单轴强度数据，也有不少学者用Weibull统计方法描述钢在韧—脆转变区的断裂韧性以及复合材料的强度等。因此，笔者引入两参数Weibull分布函数来分析涂层前后硬质合金材料的抗弯强度及其分散性的变化。 0 K# B4 t& Q M4 O/ J: T5 K, v

Weibull分布函数为 - N1 i [2 Y! ^0 {; r Z" D; [; x- Q5 g# y+ _6 f! y& B7 |$ P7 @7 w6 Q$ s$ P( m' Q1 ~- j

F(s)=1-exp[-(s/s0)m]

(1)

式中，F(s)为所施加弯曲应力s的失效概率，s₀为尺度参数，m为Weibull模量，m值越大，表明材料强度的分散性越小，反之亦然。 4 l0 m) _; S0 \3 ]

通过数学变换可将式(1)改写为 3 A5 \/ k+ \# F x3 ]: b+ E5 z0 D7 p6 f j: z/ `, K8 ]; M6 q

ln{ln[1/(1-F(s))]}=m·lns-m·lns0

(2)

* J( Q( Q/ ~1 }2 |$ P

以ln{ln[1/(1-F(s))]}为纵坐标，lns为横坐标作图，结果见图3。用最小二乘法将图3中的数据拟合成直线，其斜率即为Weibull模量m。拟合结果为：涂覆前、后硬质合金抗弯强度的Weibull模量分别为10.5和10.4。
  7 r3 q' B5 r% S6 s* m, H- x3 ?+ V( |0 T+ a3 p4 G4 T( y3 a5 @ w8 P" o2 t: ?% Q

图3 抗弯强度与失效概率的关系

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试验结果表明，涂覆前、后该材料抗弯强度的分散性变化不大。由于影响硬质合金抗弯强度的因素有：WC的颗粒尺寸和体积分数、硬质合金中缺陷的尺寸与分布、硬质合金的表面状态以及涂层的种类和厚度等，而TiN、TiC和Al₂O₃都是硬脆相，在弯曲试验中涂层硬质合金的断裂首先是从涂层开始的，因此可以想见，这种复合涂层将会降低硬质合金的抗弯强度。值得注意的是：该硬质合金涂层后其抗弯强度虽有所下降，但其分散性却变化不大，这说明涂覆工艺比较稳定，涂层的一致性较好。在考虑了材料抗弯强度变化的前提下，现已成功地将该涂覆工艺应用于硬质合金刀具的生产，并取得了显著的经济效益。

4 结论

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硬质合金经多涂层CVD涂覆处理后(涂层由TiN、TiC 和7-/80Al₂O₃组成)，涂层与基体结合良好；该硬质合金涂层前、后抗弯强度的平均值分别为2119MPa 和1580MPa，其抗弯强度的Weibull模量分别为10.5和10.4，说明涂层前、后该材料的抗弯强度有所降低，但其分散性变化不大。因此，在材料抗弯强度满足使用要求的情况下，该涂覆工艺可用于涂层刀具的生产。