硬質合金作為一種工具材料,由于其具有高硬度、高強度、高彈性模量、耐磨損和耐腐蝕等性能,已廣泛應用于各種切削工具、礦用工具和耐磨耐蝕零部件。為適應各種服役條件,提高使用效率,針對傳統硬質合金存在硬度高而韌性低的矛盾,人們開發了諸如梯度硬質合金、超細硬質合金材料。{TodayHot}近年來,隨著功能梯度材料概念的提出,功能梯度硬質合金正在發展成為當前硬質合金領域的重要研究內容之一。為了提高硬質合金切削工具的切削性能和使用壽命,可在合金的表面涂上薄層高硬度耐磨材料。由于不同材料的熱膨脹系數不同,涂層材料在冷卻過程中可能因熱應力而產生裂紋。由于涂層材料的脆性通常裂紋更容易在涂層表面產生并向基體中擴展。為了盡可能防止由于裂紋擴展而導致的材料失效,并有利于獲得高性能的硬質合金切削工具材料,可對基體進行梯度處理,使在基體表面區域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韌性區域,此區域的粘結劑含量高于基體的名義粘結劑含量。當涂層中形成的裂紋擴展到該區域時,由于其良好的韌性,可以吸收裂紋擴展的能量,因而能有效地阻止裂紋向合金內部擴展,提高硬質合金切削工具的使用性能。{HotTag}

    本文主要綜述了梯度硬質合金涂層基體的制備、基體涂層技術、基體表層碳含量的控制等。


    梯度硬質合金基體的制備


    要獲得性能良好的涂層梯度硬質合金產品,涂層基體的制備是一個非常關鍵的問題。涂層必須與合適的基體結合才能達到預期的性能。具有梯度結構的表面富鈷合金基體則使涂層切削刃強度更高,提高了涂層抗裂紋擴展能力,提高了基體與涂層的結合強度以及刀具的抗彎強度。硬質合金刀片劃痕強度實驗表明:基體成分相同情況下,梯度結構涂層刀片的基體與涂層結合強度比無梯度結構涂層刀片的基體與涂層結合強度大。硬質合金刀片的切削實驗也表明:基體和涂層成分相同的情況下,有梯度結構涂層硬質合金刀片的切削性能比無梯度結構涂層硬質合金刀片的切削性能優良。
梯度硬質合金基體可通過分段燒結工藝制備。第一階段預燒結,將試樣在氮氣保護下升溫(升溫速度為5℃/min),升溫到400℃時保溫1h脫蠟;溫度到1380℃時,保溫1h使合金致密化后,冷卻至室溫。第二階段梯度燒結,在真空狀態下,將預燒結后試樣由室溫升至燒結溫度并保溫2h后隨爐冷卻至室溫。


    含氮硬質合金梯度燒結是在真空氣氛中進行的,合金內部的氮活度大于表面氮活度,內部的氮原子向表面進行擴散。而N原子與Ti原子之間存在很強的熱力學耦合,所以,在液相燒結溫度下,合金內部氮原子通過液相粘結劑向表面擴散的同時,表面的Ti原子也通過液相粘結劑向內部擴散,擴散將會導致合金表面的TiC、TiN、(Ti,W)(C,N)等立方相碳化物、氮化物以及碳氮化物發生分解。向合金內部擴散的金屬原子與內部的碳,氮等原子發生反應生成一些硬質相碳化物、氮化物以及碳氮化物。由于金屬原子向合金內部擴散導致在合金的表層形成體積空位,從而,液相粘結劑流向合金的表層,在合金的表層形成具有梯度結構的表層韌性區域,這樣制備出梯度硬質合金基體。


    梯度硬質合金基體的涂層


    為改善硬質合金的切削加工性能,工業發達國家80%以上的硬質合金刀具都經過表面涂覆處理。幾十年來,國內外相繼開發了雙涂層、三涂層以及多涂層的復合刀片,有的涂層數甚至達到幾十層、上百層的水平。硬質合金涂層技術通常可分為化學氣相沉積(CVD)技術和物理氣相沉積(PVD)技術兩大類。


    1 涂層材料的選擇


    刀具磨損機理研究表明,在高速切削時,刃尖溫度最高可達900℃,此時刀具的磨損不僅是機械磨損,還有粘結磨損、擴散磨損及氧化磨損。因此,可將切削過程視為一個微區的物理化學變化過程。涂層材料的選擇對于涂層能否在刀具上發揮其應有的作用有很大的影響。


    碳化鈦是一種高硬度耐磨化合物,有著良好的抗摩擦磨損性能;氮化鈦的硬度稍低,但卻有較高的化學穩定性,并可大大減少刀具與被加工工件之間的摩擦系數。從涂層工藝性考慮,兩者均為較理想的涂層材料,但無論談化鈦還是氮化鈦,單一的涂層均很難滿足高速切削對刀具涂層的綜合要求。


    碳氮化鈦(TiCN)是在單一的TiC晶格中,氮原子(N)占據原來碳原子(C)在點陣中的位置而形成復合化合物,TiCxNy中碳氮原子的比例有兩種比較理想的模式,即TiC0.5N0.5和TiC0.3N0.7。由于TiCN具有TiC和TiN的綜合性能,其硬度高于TiC和TiN,因此是一種較理想的刀具涂層材料。


   

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