3 结果和讨论

1. 涂层粉末的形貌和结构
   湿化学法涂层可以通过不同材料之间的物理吸附或化学键合来实现。就实验中所使用的碳化物粉末而言，其粒度为微米级，颗粒表面缺陷多，比表面积大，活性高．通过扫描电子显微镜观察(图1(a))可以看到，粉末颗粒表面圆滑，无棱角，相互间形成大量团聚结构。粉末经稀酸浸溃处理之后，颗粒表面的氧化物被清除掉，在表层形成了大量的悬空键。为了达到具有较低能量的稳定状态，粉末表面的悬空键会吸附水分而形成W-HO(以WC为例)的结构。

   (a)
   
   (b)图1 WC粉末颗粒的TEM照片
   
   (a)
   
   (b)图2 涂层TiC粉末的表面形态

   在勃姆石溶胶中，胶粒的尺寸为纳米级，具有极大的比表面积，其吸附能力更强，只是由于胶粒吸附了带有同种电荷的离子而相互排斥才形成了均一稳定的悬浮体系。当粉末与溶胶混合时，粉末的介入破坏了胶粒的离子氛，并且粉末与胶粒的尺寸相差很大，所以胶粒很容易吸附在粉末的表面。这时，胶粒中的Al-OR(R为异丙醇基)和Al-OH会与W-OH通过氢键结合在一起，形成强烈的吸附层。随后，涂层中部分水解的醇化物与基体表面的-OH发生缩合反应形成Al-O-W的化学键结构。干燥后的涂层粉末经过长时间球磨后，涂层并未脱落，这说明涂层与基体的结合相当牢固，两者之间主要是以化学键形式，而不是以物理吸附方式结合的。这种键结合形式能使涂层和粉末之间具有较高的结合强度，从而在烧结后仍能基本保持涂层的完整性，并且在涂层和基体颗粒之间形成良好的界面。图1(b)是经烧结后的涂层粉末。可以看出，与图1(a)相比，由于已经形成了一层陶瓷涂层，粉末的表面形态发生了很大变化，涂层很薄，厚度并不均匀，涂层颗粒比未涂层颗粒表面略显粗糙，但涂层相当完整，没有裂纹或剥落的情况。
   图2是TiC粉末涂层在预烧结前后的TEM照片。预烧结前(图2(a))涂层为非晶态的勃母石，结构较为散乱松弛，表面起伏不平，尚带有明显的胶粒粘连形态的痕迹，并且涂层相对较厚，涂层颗粒间的粘结十分严重。另外从图2(a)中也能看到一些散落的涂层物质，是在粉末的分散过程中形成的，但同时涂层仍然保持得较为完整。烧结后(图2(b))的涂层变薄(箭头指处是较为明显的涂层)，表面和界面更为整齐和清晰，结构也显得更为致密，涂层和粉末表面的结合也比较好，界面没有可见的缝隙和孔洞，但是涂层和粉末的粘结强度明显下降，在分散的过程中，部分表面的涂层已经脱落，涂层粉末颗粒之间的粘结也同时减弱了。图中两个颗粒的涂层只有一小部分粘在一起。
2. 材料的力学性能
   在实验中：基体材料的选择对涂层粉末材料的性能具有重要的影响．以YT14、YW1和YG6硬质合金为粉末基体烧制成的材料分别标记为FYT 、FYW和FYG)内部存在许多微裂纹，力学性能比较差，很难磨成抗弯强度试样。在充分考虑材料的物理匹配和化学相容性的基础上，对基体粉末中碳化物的比例进行了调整，得到了两种分别以TiC 和(WC , TiC)为主要成分的粉末基体，由此制成的两种涂层粉末材料FTC1和FTC2则表现出良好的力学性能．几种涂层粉末硬质合金材料的力学性能在表1中分别列出，两种自制的氧化铝基的陶瓷刀具材料的性能也同时列出进行比较。
   两种涂层粉末材料的硬度比一般硬质合金要高得多，而强度则略低一些，其中FTC2的抗弯强度最高达1100MPa，已经接近YT15硬质合金的水平．FTC1和FTC2的性能与两种陶瓷刀具材料LT55和SG4相似，PTC1和SG4同样具有较高的硬度，但FTC1的强度要比SG4平均高50MPa，FTC2则与LT55的硬度接近，其平均扰弯强度比LT55高约80MPa。另外，FTC1和FTC2的断裂韧性都比LT 55和SG4明显要高一些。 表1 几种粉末涂层材料的力学性能材料硬度
   
   HV
   
   GPa屈服强度
   
   s
   _{bb
   MPa冲击韧性
   KICMPa·m^{½能否
   用于
   刀具FYT140-7.5否FYW17.5～18.5-6.7～7.2否FYG15.5-5.5否FTC118.5～23.0800～10005.8～7.4可FTC218.0～20.3860～11005.0～5.9可LT5521.09005.0可SG421.58504.9可}}
   在复合材料的烧结过程中，当碳化物粉末中含有杂质时，杂质离子由于尺寸或电价上的差异，更倾向于在晶界富集，对晶界的运动产生一定的牵制作用，即所谓的杂质牵制效应。当碳化物粉末被包覆上一层Al
   2O3时，Al2O3涂层对碳化物晶界的移动产生阻碍作用，碳化物晶界要向前运动，必须克服Al2O3涂层所造成的阻力，而Al2O3的晶界要向前运动时，碳化物顾粒又起到了钉扎的作用。这种相互牵制的结果，细化了材料的晶粒，由于脆性材料的破坏以沿晶断裂为主。当裂纹沿着晶界扩展时，材料的晶粒越细，裂纹的扩展路径就越曲折，扩展的路程也就越长，因此就能消耗更多的断裂能量。另外，一般材料的初始裂纹尺寸与晶粒尺寸相当，所以晶粒越细，初始裂纹的尺寸也就越小，综合两方面的效果，因为涂层滞缓了晶粒在烧结过程中的长大，所以只要粉末的初始尺寸小，就能得到具有较高强度和断裂韧性的细晶粒材料(图2) ．在这种涂层粉末材料中，理想的状态是Al2O3 将碳化物完全包覆，颗粒间的烧结行为只发生在Al2O3/Al2O3及Al2O3/金属之间，而碳化物颗粒并不相互接触，而是被Al2O3均匀地分隔开，这种近似于单一材料烧结的情况更有助于形成高致密度的结构，当然实际情况要相差很多，仍然是一种复合材料烧结的情况。但是从另一个角度看，即把Al2O3作为一种添加剂，由于它是以液相浸涂的形式引入的，所以其在基体材料中分布更为均匀，而且涂层粉末未经过预烧结，Al2O3和碳化物之间的界面具有更高的强度。界面强度的提高，会大大增加材料破坏时穿晶裂纹的数量。图3中FTC1材料的断口有清晰的解理台阶，部分晶粒断面处有滑移纹，明显具有穿晶断裂的特征。大量穿晶断裂的形成，消耗了裂纹扩展的能量，提高了材料的强度和断裂韧性。

   图3 FTC1试样断口形貌
   图4 v=75m/min切削淬硬T10工具钢时后刀面的磨损情况
   图5 v=75m/min切削淬硬T10工具钢时后刀面的磨损情况

3. 切削效果
   为了检验新型刀具材料的效果，分别与普通硬质合金刀具、陶瓷刀具和CVD法Al
   _{2O3陶瓷涂层刀具进行了对比实验。图4是刀具FTC1、LT55和YT15在v=75m/min，f=0.1mm/r，ap=0.15mm的切削条件下切削淬硬T10A工具钢时后刀面磨损情况。由图可以看出，在这样的条件下，由于工件材料较硬，当切削长度为530m时，YT15后刀具磨损已达到0.58mm，不能继续切削，而LT55和FTC1切削长度为2650m后，后刀面磨损才约0.3mm，两者的磨损情况相似，FTC1的磨损比LT55还要轻微一些。}
   图5是YB01、FTC1和FTC2在v=75m/min，f=0.1mm/r，a
   _{p=0.15mm的切削条件下切削淬硬T10A工具钢时后刀面磨损情况。可见在切削淬硬材料时，由于FTC1和FTC2涂层较薄，所以在初期磨损阶段磨损量要比YB01大，但是粉末涂层材料在进入正常磨损阶段后，磨损均匀稳定，而YB01的正常磨损阶段则比较短，在切削长度达到520m后，就进入急剧磨损阶段，这主要是因为刀片的硬质合金涂层此时已基本被磨掉，功效也大大降低。另外，YB01在切削过程中前刀面有贝壳状剥落，可能是由于在切削力较大较大时，涂层被挤裂失败，从而降低了涂层的效能。而FTC1和FTC2在切削速度较低时，一般不发生破损。在YB01后刀面磨损达到0.3mm后，由于切削时涂层不再起作用。刀尖变钝，切削中的振动加剧，加工表面也变得十分粗糙，几乎不能再进行切削。这样看来，新型涂层刀具的使用寿命至少要比YB01提高一倍。}

4 结论