新型硬质合金——表面涂层硬质合金

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1 概述

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    通过化学气相沉积(CVD)等方法，在硬质合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiC或TiN、HfN、Al₂O₃等薄层，形成表面涂层硬质合金。这是现代硬质合金研制技术的重要进展。1969年，西德克虏伯公司和瑞典山特维克公司研制的TiC涂层硬质合金刀片初次投入市场。1970年后，美国、日本和其他国家也都开始生产这种刀片。三十余年来，涂层技术有了很大的进展。涂层硬质合金刀片由第一代、第二代已发展到第三代、第四代产品。

 

    涂层硬质合金刀片一般均制成可转位的式样。用机夹方法装卡在刀杆或刀体上使用。它具有以下优点： + a$ ?2 C7 [( ^- J) `4 X" I( A( z; \

    1)由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性，故与未涂层硬质合金相比，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，从而提高了加工效率；或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。 : [" y. s1 D8 t5 } J+ {

    2)由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故与未涂层刀片相比，涂层刀片的切削力有一定降低。 + j" O3 { ^9 A) F( N/ x

    3)涂层刀片加工时，已加工表面质量较好。

    4)由于综合性能好，涂层刀片有较好的通用性。一种涂层牌号的刀片有较宽的适用范围。 " v' N& u8 ~6 @9 D$ E

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2  涂层工艺

    硬质合金涂层最常用的方法是高温化学气相沉积法(简称HTCVD法)，是在常压或负压的沉积系统中，将纯净的H₂、CH₄、N₂、TiCl₄、AlCl₃、CO₂等气体或蒸气，按沉积物的成分，将其中的有关气体，按一定配比均匀混合，依次涂到一定温度(一般为1000℃～1050℃)的硬质合金刀片表面，即在刀片表面沉积TiC、TiN、Ti(C，N)或Al2O3或它们的复合涂层。反应方程式概括如下： - @9 G$ x1 i9 E6 [9 H: u! [( m. S3 K

    TiCl₄+CH₄+H₂→TiC+4HCl+H₂

    TiCl₄+½N₂+2H₂→TiN+4HCl

    TiCl₄+CH₄+½N₂+H₂→Ti(C，N)+4HCl+H₂

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    2A1Cl₃+3CO₂+3H₂→Al₂O₃+3CO+6HCl

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    用PCVD(等离子体化学气相沉积)法在硬质合金刀片表面进行涂层也得到应用，因涂层工艺温度较低(700°～800°)，故刀片的抗弯强度降低的幅度较小，对铣刀片比较适宜。 1 l# k, q- v/ Q- Z

    涂层前，基体刀片表面须净化，切削刃部位应钝化。涂层后，因涂层材料与基休材料的线膨胀系数存在差异，故涂层刀片表面不可避免地产生残余张应力而使刀片抗弯强度降低。通常用TiC薄层先涂在基体表面上，因TiC的线膨胀系数与基体材料最接近；外面再涂TiN、Al₂O₃等。过去，单涂层材料均用TiC，双层涂层材料多用TiC/TiN、TiC/Al₂O₃等，三层涂层材料多用TiC/Ti(C，N)/TiN、Tic/Al₂O₃/TiN等。近年，随着基体材料的改进，涂层材料也有用TiN垫底的，即TiN/TiC/TiN等涂层材料还有HfN、MoS₂等。 / L# ~3 p; O' O* ~& A- @8 f

3  国内研制涂层硬质合金情况 ! J* p0 M5 ^, Z

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    国内研究硬质合金CVD涂层技术并研制刀片，从70年代初就开始了，但真正形成生产能力并大量推广应用还是80年代的事。1983年，株洲硬质合金厂从瑞士Bernex公司引进了HTCVD涂层炉及精磨、刃口钝化等配套设备，生产了CN系列和CA系列的涂层硬质合金刀片，基体刀片采用国产牌号(见表1)。稍后，该厂又从瑞典Sandvik公司引进了设备和涂层技术，生产了YB系列涂层硬质合金刀片，基体则采用特殊专用材料(表2)。其中YB120、YB320是铣削牌号，其他主要用于车削加工。

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    自贡硬质合金厂引进美国等国涂层设备，也有ZC系列的涂层硬质合金刀片产品(表3)。

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    近年，自贡硬质合金厂推出了牌号为ZC21的涂层刀片。它的基体为具有梯度结构的材料，涂层材料为TiC/TiN，密度为13.0～14.0g/cm³，抗弯强度≥1.6GPa，可用于间断切削，亦可用于连续切削。

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4  涂层硬质合金刀具应用范围

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    由于经过涂层工艺，基体刀片的韧性和抗弯强度不可避免地有所下降，加上涂层材料的化学性质等原因，故涂层硬质合金刀片仍只有一定的适用范围。它可以用于各种碳素结构钢、合金结构钢(包括正火和调质状态)、易切钢、工具钢、马氏体不锈钢和灰铸铁的精加工、半精加工以及较轻负荷的粗加工。涂层刀片最适用于连续车削，但在切深变化不大的仿形车削、冲击力不太大的间断车削及某些铣削工序中亦可采用。近年在切断、车螺纹中也已使用涂层刀片。但是，TiC和TiN涂层刀片不适宜于加工下列材料：高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、有色金属(铜、镍、铝、锌等纯金属及其合金)。沉重的粗加工，表面有严重夹砂和硬皮的铸件的加工也不宜使用涂层刀片。

5  切削实验

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    涂层硬质合金刀片表面有TiC、TiN、Ti(C，N)、Al₂O₃等硬度甚高的薄层，故耐磨性极强：作者曾用HTCVD法TiC单层涂层的WC基硬质合金刀片为基体的YW1/TiC，与未涂层的WC基合金YT15、YT30+TaC、TiC基合金YN05，进行车削对比。工件材料为60Si2Mn(凋质高强度钢，HRC40)，切削用量αp =0.5mm，f=0.2mm/r，ν=115m/min。刀具几何参数γ₀=4°，α₀=8°，κ_r =45°，λs =-4°，r_E =0.8mm。分别测量车刀的后刀面磨损VB与前刀面月牙洼磨损KT，得到的刀具磨损曲线如图1、图2所示。可以看出，YW1/TiC涂层刀片的耐磨性不仅远高于YT15(P10)，而且也高于YT30+TaC、(P01)，甚至还高于TiC基合金YN05(P01)；而且抗月牙洼磨损的耐磨能力尤为显著。

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    作者又用YW3硬质合金刀片为基体，在某研究院的HTCVD涂层炉中，涂上单层、双层、三层的涂层材料，形成三种涂层刀片；YW3/TiC，YW3/TiC/TiN，YW3/TiC/Ti(C，N)/TiN。连同基体硬质合金YW3，一同车削60Si2Mn钢(HRC40)。切削用量αp =0.5mm，f=0.2MM/r，ν=150m/min，刀具几何参数γ₀=4°，α₀=8°，κ_r =45°，λs =4°，r_E =0.8mm。所得的后刀面磨损曲线见图3。涂层刀片的耐磨性远高于未涂层刀片YW3；不同层数的涂层刀片，其耐磨性亦有一定差别，涂三层的领先，涂二层的次之．涂单层的更次之，但差别不是太大。

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    作者又用PVD(物理气相沉积)涂层工艺，在YT15(P10)硬质合金刀片基体上涂覆TiC，然后车削60Si2Mn钢(HRC40)，与YT15刀片进行车削对比。切削用量αp =1mm，f=0.2mm/r，ν=115m/min。刀具几何参数γ₀=4°，α₀=8°，κ_r =45°，λs=4°，r_E =0.8mm。所得的后刀面磨损曲线见图4。可以看出，PVD涂层硬质合金刀片的使用效果亦佳。PVD涂层温度低，有利于降低硬质合金涂层刀片的表面残余应力；但PVD涂层与基体间的结合强度稍逊于CVD工艺。随着PVD工艺方法的进步，近年来应用已日趋广泛。

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    涂层刀片的切削力小于未涂层刀片，因刀—屑间摩擦系数减小。实验表明，P类硬质刀片涂TiC后切钢，主切削力Fc约可减小3％～4％(与未涂层刀片比)，涂TiN或TiC/TiN，主切削力Fc约可减小6％～9％。Fp与Ff的减小尤为显著。Al2O3涂层对切削力减小的效果与TiN涂层接近。

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