梯度结构硬质合金涂层刀片的金相观察
作 者：廖诗兰
摘 要：采用定量金相观察分析具有梯度结构硬质合金涂层刀片的微观结构，对梯度结构硬质合金基体及其涂层的构成进行了探讨。结果表明，梯度结构硬质合金基体组织的外层(与涂层的结合层)厚度为30μm左右。基体组织的孔隙度为A02、B00、C00。样品具有特殊的涂层结构，其中一工作面为两层涂层，另一工作面为三层涂层。两层涂层的涂层(Al2O3)厚度为4μm，内层(TiCN)厚度为8μm；三层在两层涂层的基础上增加了一层2μm的(TiN)涂层。WC平均晶粒度为1.24μm，复式碳化物的平均晶粒度为0.74μm，钴相呈均匀分布。实验结果为提高和优化梯度结构硬质合金涂层刀片性能提供了有益的依据。
关键词：硬质合金；梯度结构；涂层刀片
引言
梯度结构硬质合金涂层刀片是具有梯度结构的硬质合金基体和多层涂层结合的切削工具，其综合使用性能明显优于传统刀具，为当今数控刀具的发展方向。传统硬质合金材料其成分和性能从表到里基本上是一致的，均匀的，存在着硬度与韧性之间的矛盾。采用先进工艺对硬质合金进行梯度烧结，使其表面形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域，经表面涂层后，得到梯度结构硬质合金涂层刀片。它实现了硬度与韧性的统一，具有优良的使用性能。
本文就梯度结构硬质合金涂层刀片的金相组织进行初步探讨，为提高和优化梯度结构硬质合金涂层刀片性能提供依据。
1 实验设备、试剂及方法
1.1 实验样品、设备、试剂
实验样品为国外具有梯度结构的硬质合金涂层刀片；金相显微镜采用德国莱卡DMI5000I；金相制样设备为美国“标乐”Simplimet1000自动镶嵌机、Phoenix4000半自动研磨抛光机、ISOmet4000精密切割机；腐蚀液：20%的氢氧化钠和20%的铁氰化钾、饱和盐酸三氯化铁等。
1.2 实验样品制备
用“标乐”ISOmet4000精密切割机将试样沿垂直梯度结构方向进行切割，切割后用“标乐”Simplimet1000自动镶嵌机以试样的剖面为金相观察面镶嵌，然后采用“标乐”Phoenix4000半自动研磨抛光机依次通过74μm、40μm、20μm金刚石磨盘进行粗磨，再用9μm、3μm、1μm金刚石抛光液对试样进行细抛，直到用于金相观察的试样表面无磨痕、无抛光划痕的光亮面方为合格的金相检验样品，并保持样品清洁干燥(制备具有涂层的刀片样品应防止涂层脱落)。
图4、图5是图1、图2样品浅腐蚀后的照片。从图中可以发现，刀片工作面的涂层为两层(见图1)，涂层外层厚度在4μm左右，内层厚度在8μm左右。刀片四周部分的涂层为三层(见图2)，最外层涂层外观颜色为黄色，该涂层厚度在2μm左右。从上述照片中能清楚地看出各层涂层物质结构紧密，层次分明，涂层与基体界面间无η相，无游离石墨，在8μm涂层与基体、4μm涂层之间存在有两层过渡层，属于正常的涂层结构。据扫锚电镜线扫锚能谱分析：2μm涂层为TiN，4μm涂层为Al2O3，8μm涂层为TiCN。
目前，最常用的是CVD(化学气相沉积)涂层工艺，涂层材料大多为碳化钛、氮化钛、碳氮化钛和氧化铝等。碳化钛是最早开发成功的CVD涂层材料，它是一种高硬度耐磨化合物，具有优异的抗磨料磨损性能。氮化钛比碳化钛具有略低的硬度，但却有较高的化学稳定性并可大大减小刀具与被加工材料的摩擦系数。从CVD的工艺性考虑，两种材料均为理想的涂层材料，然而无论是碳化钛还是氮化钛，单一的涂层很难胜任现代高速切削对刀具的要。TiCN是在单一的TiC晶格中氮原子占据在碳原子点阵中的位置而形成的复式化合物TiCXNY。由于TiCN兼有TiC和TiN的优良性能，其硬度尤其是高温硬度高于TiC和TiN。Al2O3优异的热稳定性、高氧化磨损性和高温硬度，在抗氧化磨损、抗扩散磨损方面尚无任何材料与之相比拟，但由于Al2O3与基体的物理和化学性能差别大，因此，单一的Al2O3涂层很难制成理想的涂层刀具，必须与其他的涂层相配合，形成多层涂层。磨损机理的研究表明，在高速切削时，刀具刃口温度高达900℃，有时甚至高达1000℃。在如此高的温度下，刀具的磨损不仅是机械磨料磨损(刀具后刀面磨损的主要形式)，而且存在黏结磨损、扩散磨损和氧化磨损(刀具刃口及前刀面月牙洼磨损的主要形式)。
因此，可以把切削过程视为一个微区的物理、化学变化过程。涂层材料的选择与设计，就是要使涂层能够抵抗这些物理、化学变化，提高刀具的使用寿命。因此涂层成分正趋向多元化、复合化；同时为了满足不同切削加工和加工不同材料的需要，涂层成分更为复杂、更具针对性。
硬质合金刀片梯度基体分两层，基体外层几乎不含复式碳化物，但碳化钨和钴含量相对较高，该区域称为富钴层，其中富钴层厚度为30μm左右，与基体内层相比，WC晶粒没有明显变化。碳是硬质合金的重要组元，也是一种十分敏感的元素，它的任何变化都会对硬质合金的结构和性能产生极其重要的影响。人们通过研究发现，在硬质合金烧结或热处理过程中，可通入适当的气氛诱发合金中碳的扩散过程，并通过化合和(或)分解反应过程导致其他组元重新排列和分布，借以在合金中造成成分和结构的变化。这种成分和结构的变化是沿着一定的方向逐渐实现的，因而便在合金中形成梯度结构，使其不同部位具有不同的功能。这种梯度结构硬质合金涂层刀片将基体的强度和表层的高耐磨性巧妙地结合，从而使得刀具的使用寿命提高。
2.2 梯度基体晶粒大小检测
图6为试样深腐蚀氧化后的金相照片，图6中红色部分为固溶体相，白色为WC相，黑色为钴相。图6表明三种相成分基本上呈均匀分布。用新配制的等量的20%的氢氧化钠和20%的铁氰化钾腐蚀3~4miN是为了碳化钨晶粒显现出来，用三氯化铁盐酸饱和溶液腐蚀是腐蚀钴相，使碳化钨相晶界、钴相分布状况更加清晰，最后用等量的20%的氢氧化钠和20%的铁氰化钾腐蚀20s是为了进一步腐蚀碳化钨相，氧化是为了使各个相颜色反差增大，从而更有利于金相观察。图6中WC和固溶体的晶粒大小清晰可见。经显微图像粒度定量分析计算WC晶粒度为1.24μm，见表1。其他复合碳化物的晶粒度为0.74μm，见表2。
由于WC和固溶体相的晶粒度直接影响合金的使用性能，尤其是WC的晶粒度大小和均匀度更为重要，研究表明：①WC的晶粒度对硬质合金的硬度和耐磨性存在影响。合金的硬度，首先与钴含量，其次与WC的晶粒度的大小有关，随着钴含量的增加或WC晶粒的增大，硬度下降，反之则硬度升高；同一钴含量的合金，WC晶粒度细的比WC晶粒度粗的合金具有较好的耐磨性。②WC晶粒度对硬质合金抗弯强度产生影响。晶粒较均匀的合金具有较高的强度。③WC晶粒的大小对硬质合金断裂韧性具有影响。同一钴含量，粗晶粒合金的断裂韧性大于细晶粒合金。
3 结论
通过对梯度结构硬质合金涂层刀片的定量金相观察，得到下述结论：
(1)梯度结构硬质合金基体组织的外层(与涂层的结合层)厚度为30μm左右。基体组织的孔隙度为A02、B00、C00。
(2)样品具有一工作面为两层涂层、另一工作面为三层涂层的特殊结构。两层涂层的外层涂层(Al2O3)厚度为4μm，内层(TiCN)厚度为8μm；三层在两层涂层的基础上增加了一层2μm的(TiN)涂层。
(3)WC平均晶粒度为1.24μm，复式碳化物的平均晶粒度为0.74μm，钴相呈均匀分布。
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