表面處理Ti（C，N）基金屬陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能.pdf

1、為了適應(yīng)對刀具材料日益苛刻的性能要求，開發(fā)適合高速切削和干式切削的高性能刀具，本文采用高溫高壓氮化、多弧離子鍍和復(fù)合表面處理等先進(jìn)表面處理技術(shù)對Ti(C,N)基金屬陶瓷進(jìn)行表面處理，制備了具有優(yōu)異的表面性能和韌性基體的Ti(C,N)基金屬陶瓷，并采用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線能譜(EDS)、原子力顯微鏡等試驗(yàn)手段研究了制備工藝、基體材料和后處理工藝對材料近表面層組織結(jié)構(gòu)、性能的影響。 本

2、文首先概述了Ti(C,N)基金屬陶瓷的組織和性能特點(diǎn)、金屬陶瓷表面處理的發(fā)展趨勢、熱等靜壓技術(shù)和多弧離子鍍技術(shù)的原理及特點(diǎn)，并闡明了本文的研究目的和意義。 將含Ni量為32％的金屬陶瓷進(jìn)行了WC、Mo成分的微量調(diào)整，以及真空燒結(jié)工藝的微量調(diào)整。在1415oC進(jìn)行燒結(jié)所得金屬陶瓷具有最高的橫向斷裂強(qiáng)度，其顯微組織均勻，為典型的芯－殼結(jié)構(gòu)，具有較高的硬度和斷裂韌性，并且斷裂韌性隨著WC含量的增加而提高。確定了制備Ti(C,N)基金屬

3、陶瓷基體材料的真空燒結(jié)工藝為1415oC保溫60min。 在高溫高壓條件下，利用熱等靜壓爐對Ti(C,N)基金屬陶瓷進(jìn)行了氮化處理。熱等靜壓氮化處理使金屬陶瓷表面形成了一層大約15μm厚、富含TiN的金黃色表面反應(yīng)及影響區(qū)，提高了表面顯微硬度和斷裂韌性。另外，在高溫高壓極限條件下，氮化處理溫度不宜太高，否則將引起晶粒長大，降低材料的性能。 首次對Ti(C,N)基金屬陶瓷進(jìn)行多弧離子鍍制備TiN涂層。金屬陶瓷多弧離子鍍處理

4、后，表面呈現(xiàn)致密的金黃色，鍍層主要為具有(111)擇優(yōu)取向的TiN相，使金屬陶瓷表面的顯微硬度大幅度提高，不影響其抗彎強(qiáng)度?；w表面粗糙度值越高，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度越低；粗糙度值越低，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度越高。Ti(C,N)基金屬陶瓷的涂層結(jié)合強(qiáng)度高于硬質(zhì)合金基體的涂層結(jié)合強(qiáng)度。TiN與Ti(C,N)基金屬陶瓷之間潤濕性良好，TiN涂層的生長是按層狀生長模式進(jìn)行的，TiN與基體原子之間形成鍵合結(jié)合方式，因此，TiN涂層不僅光滑致密，而

5、且與基體的結(jié)合力也高于硬質(zhì)合金基體。硬質(zhì)合金基體上涂層生長是按著島狀生長模式進(jìn)行的，因此，表面具有許多島狀Ti液滴，并具有明顯的方向性，涂層表面粗糙。 首次探索了Ti(C,N)基金屬陶瓷的多弧離子鍍+熱等靜壓后處理的復(fù)合表面處理。熱等靜壓后處理顯著提高了TiN涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)使涂層的斷裂韌性得到顯著提高，而對TiN的相結(jié)構(gòu)沒有影響，材料的橫向斷裂強(qiáng)度基本不變。熱等靜壓處理提高TiN涂層性能的機(jī)制是通過擴(kuò)散形成的梯度

6、變化界面和使材料致密化加強(qiáng)界面間機(jī)械互鎖作用。 首次對Ti(C,N)基金屬陶瓷進(jìn)行多弧離子鍍制備了厚度約為3μm的TiN/TiAlN多層涂層，其努氏顯微硬度均達(dá)到2808HK，涂層與金屬陶瓷之間的結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)57.52N，而橫向斷裂強(qiáng)度幾乎沒有變化。結(jié)構(gòu)分析表明，金屬陶瓷基體多弧離子鍍后涂層最表層為TiN，中間層主要為TiAlN，基體金屬陶瓷主要為Ti(C,N)和Ni，并且在最外層和中間層中都發(fā)現(xiàn)有基體的衍射峰，只是峰的強(qiáng)度不同

7、。TiN相和TiAlN相均存在強(qiáng)烈的(111)擇優(yōu)取向。TiN/TiAlN涂層組織均勻，Al的含量從涂層內(nèi)部到表面逐漸增大，呈現(xiàn)梯度分布特征。當(dāng)基體材料不同時(shí)，涂層的形貌差別很大。TiN相、TiAlN相與Ti(C,N)基金屬陶瓷之間潤濕性良好，涂層的生長是按層狀生長模式進(jìn)行的，TiN、TiAlN與基體原子之間形成鍵合結(jié)合方式，因此，TiN/TiAlN涂層不僅光滑致密，均方根粗糙度為20.6nm，而且涂層與基體的結(jié)合力也高于硬質(zhì)合金基體。

8、硬質(zhì)合金基體上涂層生長是按著島狀生長模式進(jìn)行的，因此，形成許多島狀液滴，并具有明顯的方向性，涂層表面粗糙，均方根粗糙度高達(dá)272.2nm，而且表面的Ti液滴還具有方向性。 采用球－盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了TiN/TiAlN多層涂層的摩擦學(xué)性能和磨損機(jī)制。TiN/TiAlN涂層的平均摩擦系數(shù)均低于金屬陶瓷基體的平均摩擦系數(shù)。在較高載荷下，金屬陶瓷基體上TiN/TiAlN涂層的平均摩擦系數(shù)較大。隨著滑動(dòng)速度的增大，平均摩擦系數(shù)增大，材

9、料的質(zhì)量變化由增量減少變?yōu)闇p量，即由嚴(yán)重粘著向少量粘著變化，其磨損機(jī)制主要是粘著磨損和磨粒磨損。 硬質(zhì)合金基體上TiN/TiAlN涂層的摩擦系數(shù)比相同載荷、相同滑動(dòng)速度下金屬陶瓷基體上TiN/TiAlN涂層的摩擦系數(shù)小。硬質(zhì)合金基體上TiN/TiAlN涂層是由Ti液滴顆粒和顆粒間的凹坑所構(gòu)成的表面，微觀上呈雨滴狀，這種表面形貌有利于減小摩擦系數(shù)，改善工件表面的耐磨損性。其磨損機(jī)制主要是粘著磨損和涂層的微剝落。 通過對Ti

10、N、TiN/TiAlN涂層的膜層裂紋密度的分析，發(fā)現(xiàn)Ti(C,N)基金屬陶瓷基體的TiN膜層的壓痕邊緣出現(xiàn)了大塊的片狀剝落，膜層的脆性較大，斷裂韌性很低。而經(jīng)熱等靜壓處理后膜層－基體之間的結(jié)合力顯著提高，具有最高的斷裂韌性。金屬陶瓷基體上TiN/TiAlN多層涂層的斷裂韌性高于硬質(zhì)合金基體的，其壓痕形貌中沒有涂層剝落，而且不同基體上的壓痕裂紋其特點(diǎn)也不同，金屬陶瓷基體膜層的徑向裂紋非常短，并有裂紋偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象；而其側(cè)向裂紋很長，分布壓痕周圍

11、。硬質(zhì)合金基體上膜層的徑向裂紋很長，非常平直，從裂紋起始端到裂紋尖端，幾乎為一直線；側(cè)向裂紋很短，只有與顆粒方向垂直的壓痕邊緣才稍微有一點(diǎn)側(cè)向裂紋。 通過用TiN/TiAlN涂層金屬陶瓷刀具對0Cr18Ni9鋼和45＃鋼進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)TiN/TiAlN涂層金屬陶瓷的切削性能明顯優(yōu)于未涂層金屬陶瓷和硬質(zhì)合金YW2，其平均壽命為硬質(zhì)合金刀具的2倍。TiN/TiAlN涂層金屬陶瓷刀具的失效形式主要是磨損和崩刃，沒有涂層剝落現(xiàn)象，T