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新型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1 450~1 850℃,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:Kr=75°、go=-5°、ls=-5°、bo=90°、er=90°。切削实验时均采用干式切削。

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KIC
MPa·m½
YT14基 约1450 约7.5
YW1基 1750~1850 6.7~7.2
YG6基 约1550 约5.5
FTC1 1650~2300 600~1000 4.3~5.8
FTC2 1800~2030 860~1100 4.8~5.4

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。
    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。

    图1 切削淬硬T10A钢刀具后刀面磨损曲线

    图2 切削淬硬T10A钢刀具后刀面磨损曲线
  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0.3 mm,且磨损情况相似,但FTC1的磨损比L55还要轻微一些。
    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。
    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

  1. 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。
  2. 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。


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