硬質(zhì)合金刀具TiN-TiCN-Al2O3-TiN多層復(fù)合涂層制備與組織性能研究.pdf

1、涂層刀具結(jié)合了基體高強(qiáng)度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優(yōu)點(diǎn),適用于高速度、高精度的自動化加工。涂層刀具在高速切削領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景,使用涂層刀具可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。本文以TiN-TiCN-Al2O3-TiN系列多層復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具為研究對象,對涂層的沉積熱力學(xué)、流體力學(xué)以及沉積動力學(xué),多層復(fù)合涂層的微觀結(jié)構(gòu),元素在多層復(fù)合涂層中的擴(kuò)散行為,殘余應(yīng)力分布,界面結(jié)合力以及抗氧化行為進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究,得到以下幾

2、方面的結(jié)論:
　　1)以硬質(zhì)合金基體材料表面TiN-TiCN-Al2O3-TiN多層復(fù)合涂層為研究對象,計(jì)算了各子涂層的吉布斯自由能與溫度的關(guān)系,計(jì)算了料盤內(nèi)流體力學(xué)特征參數(shù)值如擴(kuò)散長度、Peeler系數(shù)、Thiele長度和Thiele模量、雷諾數(shù)、Damkohler數(shù)以及Knudsen數(shù),探討了MT-TiCN及Al2O3涂層的沉積動力學(xué);研究發(fā)現(xiàn),在860℃-890℃溫度范圍內(nèi)MT-TiCN沉積過程受表面反應(yīng)動力學(xué)控制,其活化能

3、為254kJ/mol,Al2O3涂層的沉積過程主要受水蒸汽的生成反應(yīng)所控制。熱力學(xué)、流體力學(xué)及動力學(xué)研究為涂層制備的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。
　　2)設(shè)計(jì)和制備了TiN/MT-TiCN/Al2O3/TiN多層復(fù)合涂層,利用掃描電鏡、透射電鏡、能譜儀以及二次離子質(zhì)譜儀詳細(xì)研究了多層復(fù)合涂層中各子涂層的微觀結(jié)構(gòu);研究結(jié)果表明,TiN過渡層在WC晶粒上主要以外延生長為主,而在Co晶粒上主要以形核生長為主;設(shè)計(jì)與制備了C、N含量呈梯度分布

4、的MT-TiCN涂層,不同生長階段MT-TiCN涂層的微觀結(jié)構(gòu)明顯不同;在MT-TiCN和Al2O3涂層間設(shè)計(jì)與制備了TiCO涂層,Al2O3在TiCO層上重新形核,Al2O3涂層呈柱狀多晶體結(jié)構(gòu)生長。
　　3)探討了基體和涂層組成元素在基體,多層復(fù)合涂層界面處的擴(kuò)散行為?；w中的Co在涂層中主要沿晶界擴(kuò)散,而W在涂層中的擴(kuò)散由沿晶界擴(kuò)散和體擴(kuò)散兩種方式組成,其在涂層中的擴(kuò)散距離更大;探討了Ti、A1元素在TiCO/Al2O3界面

5、的擴(kuò)散行為;研究發(fā)現(xiàn),Ti、A1原子在TiCO/Al2O3界面處的擴(kuò)散距離均很短或不擴(kuò)散。
　　4)計(jì)算了TiN/MT-TiCN/Al2O3/TiN多層復(fù)合涂層中的殘余應(yīng)力分布、涂層的斷裂能、涂層產(chǎn)生裂紋的臨界厚度、臨界開裂應(yīng)力和臨界溫度;利用X射線應(yīng)力儀測試了樣品中的殘余應(yīng)力;研究結(jié)果表明,基體和涂層間細(xì)小的熱膨脹率差別會在涂層中形成較大的熱應(yīng)力;提高基體的韌性以及提高涂層的斷裂能是提高涂層開裂臨界厚度、臨界開裂應(yīng)力、臨界開裂溫

6、度的主要途徑;探討了涂層開裂時殘余應(yīng)力的釋放,研究發(fā)現(xiàn),噴砂和噴丸可有效增加涂層中的裂紋密度、釋放涂層中殘余應(yīng)力。
　　5)利用劃痕試驗(yàn)研究了多層復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度,并對劃痕形貌進(jìn)行了深入分析;結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的多層復(fù)合涂層與硬質(zhì)合金基體之間均具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。探討了基體成份及涂層組合方式對涂層/基體界面結(jié)合強(qiáng)度的影響;研究發(fā)現(xiàn),基體中WC的粒度、Co含量、立方碳化物相的加入以及表面是否形成富鈷層均會對結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響;多層復(fù)

7、合涂層厚度的增加以及Al2O3涂層的加入使界面結(jié)合強(qiáng)度明顯下降;用TiC代替TiCN形成TiN/TiC/Al2O3/TiN多層復(fù)合涂層并與不同的基體組合后,其在壓痕試驗(yàn)中可承受的載荷要增加。多層復(fù)合涂層中存在多種破損形式,破損不僅發(fā)生在涂層與基體之間,也發(fā)生在各子涂層之間。
　　6)研究了四類典型多層涂層試樣在600℃-950℃和30min～120min條件下的抗氧化性能:與硬質(zhì)合金材料的氧化相比,涂層試樣在氧化過程中的活化能較低