2010年第44卷 521CVD涂层技术对硬质合金材料形成脱碳层( 相层)影响分析宋洪刚,曾祥才,高见,袁晓光,吴春涛成都工具研究所摘要:采用CVD技术对硬质合金材料涂层时,温度超过1000 很容易在基体材料表面形成脱碳层。
先进行900 以下的中温TiCN、TiN涂层作为保护层,再进行高温涂层,能有效降低脱碳层的厚度。
本文分析了脱碳层对基体材料抗弯强度的影响,并对不同涂层刀片的切削性能进行了对比分析。
关键词:CVD;硬质合金;脱碳层;抗弯强度中图分类号:TG113.12;TG17 文献标志码:A InfluenceofCVDMethodonDecarburizedLayerFormedonCementedCarbideSubstrate SongHonggang,ZengXiangcai,GaoJian,YuanXiaoguang,WuChuntaoAbstract:Whenthecoatingsdepositedontothecementedcarbidesubstratebychemicalvapord epositionmethod,itisquieteasytoformadecarburizedlayeronthesurfaceofthesubstrateifthet emperatureisabove1000 .Inordertodecreasethethick nessofthedecarburizedlayer,aTiCNorTiNcoatingisfirstlydepositedonthecarbidematerials asabufferlayertoprotectthesubstratebelowthetemperatureof900 ,andthentheothercoatings areprocessedatahightemperature.Thepaperinvestigatestheinfluenceofdecarburizedlayero nthebendingstrengthofthesubstratematerial,andcomparativeanalysestheturningperfor manceofthecarbidetipscoveredbydifferentcoatings.Keywords:CVD;cementedcarbide;decarburizedlayer;bendingstrength1 引言用化学气相沉积(CVD)涂层技术在硬质合金工具、模具基体上沉积TiC、TiCN等涂层时,由于基体和涂层之间各元素的扩散和化学反应,容易在基体材料表面形成一层脱碳层( 相层,W3Co3C或W6Co6C)。
虽然少量很薄的点状、短线状相层(小于0 2 m)对提高涂层和基体之间的结合强度和耐磨损性能有利,但由于脱碳层硬度高、脆性大,能大幅降低涂层制品的抗弯强度和韧性,从而影响涂层制品的使用性能。
特别是用于精加工的螺纹刀片,由于脱碳层的影响,往往更容易引起刀尖崩刃。
所以在CVD技术沉积涂层的过程中,应尽量减少脱碳层的产生。
2 试验方法(1)CVD涂层工艺设计本试验所选用的硬质合金材料为成都工具研究所生产的CP2型B8N2-3刀片和标准试验条。
选用以下四种CVD涂层方案。
GY1HT(TiC+TiCN+TiC+TiCN)为高温涂层,每层涂层时间为20min。
TiN为900 中温涂层,涂层时间为40min;GY2第一层中温TiN涂层时间为20-40min,再升温按GY1涂覆涂层;GY3第一层MT-基金项目:国家科技支撑计划(2008BAF32B06)收稿日期:2010年2月TiCN为中温涂层,时间为30min,高温涂层HT-(TiC+TiCN+TiN)每层涂层时间为40min;GY4所有涂层均为低于900 的中温涂层,TiCN涂层时间为40min,TiN涂层时间为50min。
表1 CVD涂层工艺设定编号GY1GY2GY3GY4CVD涂层工艺HT-(TiC+TiCN+TiC+TiCN)+TiNTiN+GY1MT-TiCN+HT(TiC+TiCN+TiN)MT-(TiCN+TiN)涂层温度HT:1000 -1020 ,TiN:900 TiN:900MT:850 -900 ,HT:1000 -1020MT:850 -900 ,TiN:900(2)性能检测采用划痕试验机检测涂层的结合强度;用DX-1000型X射线衍射仪分别对涂层后的试样进行X衍射分析;采用日本奥林巴斯Gx71光学显微镜观察涂层后的金相组织;每种涂层工艺放5根试样条进行涂层,然后进行抗弯强度测定。
3 结果分析与讨论3.1 各CVD涂层硬质合金刀片划痕实验结果与分析划痕实验是在WS-2000涂层附着力自动划痕仪上进行。
该设备主要采用声发射监听记录装置记录涂层破裂时的临界载荷LC,并以此判断涂层的结合力大小。
本检测采用连续加载方式,加载速度为22涂层工艺的临界载荷LC见表2。
表2 不同涂层工艺的平均临界载荷编号GY1GY2GY3GY4临界载荷LC(kg)8.37.68.18.6工具技术碳相最多;GY2、GY3为先涂覆了一层900 以下的中温涂层,对基体进行了保护,再进行1000 以上的高温涂层时,脱碳相有所降低;而GY4为全中温涂层,最高涂层温度都不超过900 ,所以脱碳相很少,几乎消失。
经过多次对比试验,还发现GY2、GY3最先涂覆的中温涂层越厚,脱碳相越低。
当中温涂层超过1 m时,对基体的保护比较好。
3.3 涂层后的组织结构采用日本奥林巴斯Gx71光学显微镜观察涂层后的金相组织,各涂层工艺断口腐蚀后的金相图片见图1。
从表2可知,四种工艺涂层的结合强度都很高,都在8kg左右,远远高于行业推荐的4kg。
在显微镜下观察划痕形貌都很好。
3.2 CVD涂层后的XRD结果与分析用DX-1000型X射线衍射仪分别对涂层后的试样进行X衍射分析。
X射线测试采用Cu靶辐射线进行连续扫描方式,扫描速度0 06!/s,扫描角度2 范围为28!-69!,采样时间1s,波长值1 54184A。
,管电压40kV,管电流25mA。
各涂层工艺试样的相三强峰峰强比见表3。
表3 各涂层工艺的相三强峰峰强比编号GY1GY2GY3GY4峰强比132810158少量峰强比221150360峰强比313530170GY1GY2由表3可知,GY1 相峰强比最高,GY2、GY3 相峰强比有所降低,而GY4 相峰强比几乎为0。
由于X射线衍射分析不但能定性的分析物相的存在,各相峰强比也能部分定量的反映物相的多少。
分析CVD涂层时基体和涂层界面形成脱碳层的主要原因有:∀在沉积过程中,因温度较高(一般900-1050 ),基体中碳的活性较大,容易从固相基体中扩散出来。
再与沉积气氛中的钛进行化学反应,生成碳化钛,而使基体表面脱碳形成相。
反应式为2TiCl4(g)+3WC(s)+3Co(s)+4H2(g)#2TiC(s)+W3Co3C(s)+8HCl(g)GY3GY4图1 放大1500倍的金相图片由图1知,GY1的涂层分为5层,涂层总厚度大概在5 m左右,而脱碳层为连续分布,厚度约4 m左右。
GY2比GY1在最底层多了0 8 m左右的中温TiN层,脱碳层的厚度大概在1 m左右,且成点状分布。
GY3最底层的中温TiCN层大概在3 m左右,涂层总厚度大概为8 m,脱碳层厚度大概为1 2 m,成点状分布。
GY4涂层总厚度为7 m左右,在基体一侧几乎没有发现脱碳相。
金相图片的结果与上文所述的XRD 检测结果与分析相吻合。
3.4 涂层后的力学性能测试表4编号未涂层试样条GY1GY2GY3GY419631166128613931633抗弯强度(MPa)2228107313581364168919719851329137616542252123113981359170221071283142114191693平均值21041148135813821674因此,当碳氢气氛浓度较高时,基体表面脱碳层厚度也会变薄。
∃在沉积碳化钛涂层时,其Ti-C原子比的范围较宽(0 5-1)。
对Ti-C原子比较低的TiC结晶,在高温条件下,随着沉积时间的增加,也可以从固相基体表面夺取碳元素,使基体表面脱碳,形成相。
可见,高温沉积时间愈长、涂层愈厚时,基体表面脱碳现象也愈严重。
2010年第44卷 523削试验时表现较为稳定,很少出现崩刃现象,以涂层磨损为主。
主要原因是:当进行淬火态外圆切削时,刀片所受冲击较小,刀片主要以磨损为主,由于四种工艺的涂层结合强度都很好,所以切削性能也很好。
当进行正火态带槽外圆切削试验时,刀片除了正常的磨损形式外,还不断地受到冲击。
所以脱碳相比较严重的GY1涂层,容易出现轻微的崩刃现象,引起刀片失效。
GY2、GY3涂层由于也有少量脱碳相,有时也会出现崩刃现象。
5 结语(1)四种CVD涂层工艺都取得了很好的涂层质量,涂层与硬质合金刀片的结合力都在8kg左右。
(2)CVD涂层技术在CP1型硬质合金刀片上沉积涂层,当最底层为高温TiC涂层,涂层温度超过1000 时,在基体材料表面很容易产生脱碳层,而中温的TiCN、TiN涂层,由于涂层温度低于900 ,对基体材料能产生保护作用,脱碳层能明显减少。
(3)CVD 涂层后,硬质合金材料的抗弯强度降低20%-45%,且脱碳层越厚,越呈连续分布时,抗弯强度下降越大。
(4)四种工艺涂层刀片进行淬火态外圆切削时,刀片主要以磨损为主,切削效果都很理想。
进行带冲击的正火态带槽外圆切削试验时,脱碳层较厚的涂层刀片由于力学性能下降较多,容易出现崩刃现象,严重影响刀片的使用寿命。
脱碳层很少的涂层刀片,进行带冲击的切削试验时,效果较好。
参考文献0.140.121.300.160.170.240.180.100.12从表4结果可知,GY1涂层试样条的抗弯强度下降很大,分散性也较大。
GY2、GY3涂层试样条的抗弯强度下降也较大,但分散性较小。
GY4涂层试样条的抗弯强度下降最小。
涂层后的抗弯强度下降,主要有两方面的因素:一方面,由于各种涂层与基体不同的膨胀系数,涂层后内应力的存在造成了试验条抗弯强度的下降;另一方面,由于CVD涂层温度较高,造成了基体脱碳,降低了基体的抗弯强度。
GY1-GY4都存在涂层后内应力的影响因素,但基体的脱碳相逐渐减少,所以它们的抗弯强度值逐渐升高。
4 涂层刀具的切削性能试验每种涂层工艺选取3片成都工具研究所生产的B8N2-3螺纹梳刀进行淬火态外圆切削,结果见表5。
为了验证刀片的抗冲击性能,还进行了正火态带槽外圆切削试验,结果见表6。
切削参数为v=150m/min,f=0 2mm/r,ap=0 40mm,加工材料为!120mm的40Cr棒材。