CVD涂層技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金材料形成脫碳層_相層_影響分析精

1、2010年第44卷521CVD涂層技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金材料形成脫碳層(相層)影響分析宋洪剛,曾祥才，高見，袁曉光,吳春濤成都工具研究所摘要:采用CVD技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金材料涂層時(shí)，溫度超過1000很容易在基體材料表 面形成脫碳層。先進(jìn)行900以下的中溫TiCN、TiN涂層作為保護(hù)層，再進(jìn)行高溫 涂層,能有效降低脫碳層的厚度。本文分析了脫碳層對(duì)基體材料抗彎強(qiáng)度的影響，并對(duì)不同涂層刀片的切削性能進(jìn)行了對(duì)比分析。關(guān)鍵詞:CVD;硬質(zhì)合金;脫碳層;抗彎強(qiáng)度中圖分類號(hào):TG113.12;TG17文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AIn flue nceofCVDMethod on DecarburizedLayerFormedo nC

2、eme ntedCarbideSubstrate SongHon gga ng,Ze ngXia ngcai,GaoJia n,Yuan Xiaogua ng,WuCh un taoAbstract:Whe nthecoati ngsde positedo ntotheceme ntedcarbidesubstratebychemicalva pord ep ositio nm ethod,itisquieteasytoformadecarburizedlayero nthesurfaceofthesubstrateifthet emp eratureisabove1000no rdertod

3、ecreasethethickn essofthedecarburizedlayer,aTiCNorTiNcoati ngisfirstlyde posited on thecarbidematerials asabufferlayert op rotectthesubstratebelowthete mp eratureof900 ,an dthe ntheothercoati ngs arep rocessedatahighte mp erature.The paperinv estigatesthe in flue nceofdecarburizedlayero n thebe ndin

4、 gstre ngthofthesubstratematerial,a ndco mp arativea nalysesthetu rningp erfor man ceofthecarbideti pscoveredbydiffere ntcoat in gs.Keywords:CVD;ceme ntedcarbide;decarburizedlayer;be ndi ngstre ngth1引言用化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層技術(shù)在硬質(zhì)合金工具、模具基體上沉積TiC、TiCN等涂層時(shí),由于基體和涂層之間各元素的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，容易在基體材料表面形成 一層脫碳層(相層,W3Co3C或W6Co6C

5、)。雖然少量很薄的點(diǎn)狀、短線狀 相層(小 于0 2 m)對(duì)提高涂層和基體之間的結(jié)合強(qiáng)度和耐磨損性能有利，但由于脫碳層硬度高、脆性大，能大幅降低涂層制品的抗彎強(qiáng)度和韌性，從而影響涂層制品的使用性 能。特別是用于精加工的螺紋刀片，由于脫碳層的影響，往往更容易引起刀尖崩 刃。所以在CVD技術(shù)沉積涂層的過程中，應(yīng)盡量減少脫碳層的產(chǎn)生。2試驗(yàn)方法 (1)CVD涂層工藝設(shè)計(jì)本試驗(yàn)所選用的硬質(zhì)合金材料為成都工具研究所生產(chǎn)的CP2型B8N2-3刀片和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條。選用以下四種 CVD涂層方案。GY1HT(TiC+TiCN+TiC+TiCN)為高溫涂層，每層涂層時(shí)間為20min。TiN為900中 溫涂層，涂層時(shí)間

6、為40min;GY2第一層中溫TiN涂層時(shí)間為20-40min,再升溫按GY1涂覆涂層;GY3第一層MT-基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃(2008BAF32B06)收稿 日期:2010年2月TiCN為中溫涂層時(shí)間為30min,高溫涂層HT-(TiC+TiCN+TiN)每層涂層時(shí)間為 40min;GY4所有涂層均為低于900的中溫涂層,TiCN涂層時(shí)間為40min,TiN涂層 時(shí)間為50min。表1 CVD涂層工藝設(shè)定編號(hào) GY1GY2GY3GY4CVD涂層工藝HT-(TiC+TiCN+TiC+TiCN)+TiNTiN+GY1MT-TiCN+HT(TiC+TiCN+TiN)MT-(TiCN+TiN)

7、涂層溫度HT:1000 -1020 ,TiN:900 TiN:900MT:850 -900 ,HT:1000 -1020MT:850 -900 ,TiN:900性能檢測采用劃痕試驗(yàn)機(jī)檢測涂層的結(jié)合強(qiáng)度；用DX-1000型X射線衍射儀分別對(duì)涂層后 的試樣進(jìn)行X衍射分析;采用日本奧林巴斯Gx71光學(xué)顯微鏡觀察涂層后的金相組 織;每種涂層工藝放5根試樣條進(jìn)行涂層，然后進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測定。3結(jié)果分析與 討論3.1各CVD涂層硬質(zhì)合金刀片劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析劃痕實(shí)驗(yàn)是在WS-2000涂層附著力自動(dòng)劃痕儀上進(jìn)行。該設(shè)備主要采用聲發(fā)射監(jiān) 聽記錄裝置記錄涂層破裂時(shí)的臨界載荷 LC,并以此判斷涂層的結(jié)合力大小。本檢

8、 測采用連續(xù)加載方式，加載速度為22涂層工藝的臨界載荷LC見表2。表2不同涂層工藝的平均臨界載荷編號(hào) GY1GY2GY3GY4臨界載荷LC(kg)8.37.68.18.6工具技術(shù)碳相最多;GY2、GY3為先涂覆了一層900以下的中溫涂層，對(duì)基體進(jìn)行了保護(hù)，再 進(jìn)行1000以上的高溫涂層時(shí)，脫碳相有所降低；而GY4為全中溫涂層，最高涂層溫 度都不超過900所以脫碳相很少，幾乎消失。經(jīng)過多次對(duì)比試驗(yàn)，還發(fā)現(xiàn)GY2、 GY3最先涂覆的中溫涂層越厚，脫碳相越低。當(dāng)中溫涂層超過1 m時(shí),對(duì)基體的保 護(hù)比較好。3.3涂層后的組織結(jié)構(gòu)采用日本奧林巴斯Gx71光學(xué)顯微鏡觀察涂層后的金相組織，各涂層工藝斷口腐蝕

9、 后的金相圖片見圖1。從表2可知,四種工藝涂層的結(jié)合強(qiáng)度都很高，都在8kg左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于行業(yè)推薦的 4kg。在顯微鏡下觀察劃痕形貌都很好。3.2 CVD涂層后的XRD結(jié)果與分析用DX-1000型X射線衍射儀分別對(duì)涂層后的試樣進(jìn)行 X衍射分析。X射線測試 采用Cu靶輻射線進(jìn)行連續(xù)掃描方式,掃描速度0 06!/s,掃描角度2范圍為28!-69!, 采樣時(shí)間1s,波長值1 54184A。，管電壓40kV,管電流25mA。各涂層工藝試樣的 相三強(qiáng)峰峰強(qiáng)比見表3。表3各涂層工藝的 相三強(qiáng)峰峰強(qiáng)比編號(hào) GY1GY2GY3GY4峰強(qiáng)比132810158 少量峰強(qiáng)比221150360峰強(qiáng)比313530170G

10、Y1GY2由表3可知,GY1相峰強(qiáng)比最高,GY2、GY3相峰強(qiáng)比有所降低，而GY4相峰強(qiáng)比 幾乎為0。由于X射線衍射分析不但能定性的分析物相的存在，各相峰強(qiáng)比也能部 分定量的反映物相的多少。分析CVD涂層時(shí)基體和涂層界面形成脫碳層的主要原因有 ：?在沉積過程中，因溫度較高(一般900-1050 )，基體中碳的活性較大，容易從固相基 體中擴(kuò)散出來。再與沉積氣氛中的鈦進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) ，生成碳化鈦，而使基體表面脫 碳形成相。反應(yīng)式為2TiCI4(g)+3WC(s)+3Co(s)+4H2(g)#2TiC(s)+W3Co3C(s)+8HCI(g)GY3GY4圖1放大1500倍的金相圖片由圖1知,GY1的涂

11、層分為5層，涂層總厚度大概在5 m左右,而脫碳層為連續(xù)分布， 厚度約4 m左右。GY2比GY1在最底層多了 0 8 m左右的中溫TiN層，脫碳層的 厚度大概在1 m左右，且成點(diǎn)狀分布。GY3最底層的中溫TiCN層大概在3 m左右, 涂層總厚度大概為8 m,脫碳層厚度大概為1 2 m,成點(diǎn)狀分布。GY4涂層總厚度為7 m左右，在基體一側(cè)幾乎沒有發(fā)現(xiàn)脫碳相。金相圖片的結(jié)果與上文所述的XRD檢測結(jié)果與分析相吻合。3.4涂層后的力學(xué)性能測試表4編號(hào)未涂層試樣條GY1GY2GY3GY419631166128613931633抗彎強(qiáng)度(MPa)2228107313581364168919719851329

12、137616542252123113981359170221071283142114191693平均值 21041148135813821674因此,當(dāng)碳?xì)錃夥諠舛容^高時(shí)，基體表面脫碳層厚度也會(huì)變薄。?在沉積碳化鈦涂層時(shí)，其Ti-C原子比的范圍較寬(0 5-1)。對(duì)Ti-C原子比較低的 TiC結(jié)晶,在高溫條件下，隨著沉積時(shí)間的增加，也可以從固相基體表面奪取碳元素， 使基體表面脫碳，形成相?？梢?高溫沉積時(shí)間愈長、涂層愈厚時(shí)，基體表面脫碳現(xiàn) 象也愈嚴(yán)重。e和* MfVV P7k 7 ,產(chǎn)匚 Tf "乂勺HL- > =寸逬Er” > :?Y* F第性甘*丁-J£ 2

13、010年第44卷523削試驗(yàn)時(shí)表現(xiàn)較為穩(wěn)定，很少出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，以涂層磨損為主。主要原因是：當(dāng)進(jìn)行淬火態(tài)外圓切削時(shí)，刀片所受沖擊較小，刀片主要以磨損為主，由 于四種工藝的涂層結(jié)合強(qiáng)度都很好，所以切削性能也很好。當(dāng)進(jìn)行正火態(tài)帶槽外圓 切削試驗(yàn)時(shí)，刀片除了正常的磨損形式外，還不斷地受到?jīng)_擊。所以脫碳相比較嚴(yán) 重的GY1涂層，容易出現(xiàn)輕微的崩刃現(xiàn)象，引起刀片失效。GY2、GY3涂層由于也 有少量脫碳相，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。5結(jié)語(1) 四種CVD涂層工藝都取得了很好的涂層質(zhì)量，涂層與硬質(zhì)合金刀片的結(jié)合力都 在8kg左右。(2) CVD涂層技術(shù)在CP1型硬質(zhì)合金刀片上沉積涂層，當(dāng)最底層為高溫TiC涂層

14、，涂 層溫度超過1000時(shí),在基體材料表面很容易產(chǎn)生脫碳層，而中溫的TiCN、TiN涂層, 由于涂層溫度低于900對(duì)基體材料能產(chǎn)生保護(hù)作用，脫碳層能明顯減少。(3)CVD 涂層后，硬質(zhì)合金材料的抗彎強(qiáng)度降低20%-45%,且脫碳層越厚，越呈連續(xù)分布時(shí)，抗 彎強(qiáng)度下降越大。(4)四種工藝涂層刀片進(jìn)行淬火態(tài)外圓切削時(shí)，刀片主要以磨損為主，切削效果都很 理想。進(jìn)行帶沖擊的正火態(tài)帶槽外圓切削試驗(yàn)時(shí)，脫碳層較厚的涂層刀片由于力學(xué) 性能下降較多，容易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，嚴(yán)重影響刀片的使用壽命。脫碳層很少的涂層 刀片，進(jìn)行帶沖擊的切削試驗(yàn)時(shí)，效果較好。參考文獻(xiàn)0.140.121.300.160.170.240.1

15、80.100.12從表4結(jié)果可知,GY1涂層試樣條的抗彎強(qiáng)度下降很大,分散性也較大。GY2、GY3涂層試樣條的抗彎強(qiáng)度下降也較大，但分散性較小。GY4涂層試樣條的抗彎 強(qiáng)度下降最小。涂層后的抗彎強(qiáng)度下降，主要有兩方面的因素：一方面，由于各種涂 層與基體不同的膨脹系數(shù)，涂層后內(nèi)應(yīng)力的存在造成了試驗(yàn)條抗彎強(qiáng)度的下降 ；另 一方面，由于CVD涂層溫度較高，造成了基體脫碳，降低了基體的抗彎強(qiáng)度。GY1- GY4都存在涂層后內(nèi)應(yīng)力的影響因素，但基體的脫碳相逐漸減少，所以它們的抗彎 強(qiáng)度值逐漸升高。4涂層刀具的切削性能試驗(yàn)每種涂層工藝選取3片成都工具研究所生產(chǎn)的B8N2-3螺紋梳刀進(jìn)行淬火態(tài)外圓 切削,結(jié)

16、果見表5。為了驗(yàn)證刀片的抗沖擊性能，還進(jìn)行了正火態(tài)帶槽外圓切削試驗(yàn)， 結(jié)果見表6。切削參數(shù)為v=150m/min,f=0 2mm/r,ap=0 40mm,加工材料為！120mm 的40Cr棒材。VB為各涂層刀片的后刀面磨損長度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5、表6。表5刀片進(jìn)行淬火態(tài)外圓切削試驗(yàn)結(jié)果編號(hào) GY1GY2GY3GY4平均切削長度(m)1156109512241178崩刃值(mm)平均磨損值VB(mm)0.090.080.130.11表6刀片進(jìn)行正火態(tài)帶槽外圓切削試驗(yàn)結(jié)果編號(hào)切削長度(m)91GY1733281133GY211451961306GY3136514241220GY410701123崩

17、刃值(mm)1.321.520.72磨損值VB(mm)1 馬文存,等.氣相沉積應(yīng)用技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006,10.2 馬文存，蔡玉蘭.精密硬質(zhì)合金螺紋梳刀涂層技術(shù)及性能J.工具技術(shù),1983(3):1-5.3 高見，李建平,馬文存,等.多元復(fù)合涂層材料及其 CVD工藝技術(shù)研究J.工具技 術(shù),1997增刊:106-111.4高見,李建平,馬文存等.TiC-TiN-TiC-AI2O3 涂層CP3型硬 質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度及其分散性的研究J.工具技術(shù),2002,36(11):10-12.李建平,高見,曾祥才,等.中溫化學(xué)氣相沉積(MT-CVD)工藝技術(shù)及超級(jí)涂層材料 的研究J.工具技術(shù),2004(9):110-113.馬