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C620-1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：K_r=75°、g_o=-5°、l_s=-5°、b_o=90°、e_r=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K_IC
MPa^.m^1/2YT14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，刀具几乎已不能进行切削。据实验推算，新型涂层材料刀具FTC1、FTC2要比用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。