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【切削基础】涂层硬质合金在机械加工刀具方面应用分析

浏览次数:63305/10/2021  

    涂层硬质合金问世以来,在机械加工刀具方面得到了广泛应用,显着提高了金属切削加工效率。目前约有70%

的硬质合金刀具经过表面涂层处理。近年来,随着金属切削加工要求的不断提高,刀具涂层技术也不断取得新的

发展。目前常用的涂层方法主要有化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法、物理化学气相沉积

(PCVD)法等;涂层材料种类主要有TiC、TiN、TiCN、Al2O3等;涂层方式已由单一涂层发展到复合涂层。

同时,为了对涂层性能、涂层工艺进行深入研究,与之相关的涂层分析检验技术也随之不断改进。本文就硬质合

金涂层的金相分析方法作一介绍。


    1.涂层金相试样的制备


    硬质合金涂层具有硬、脆、薄的特点,其厚度通常只有几微米至十几微米。在制备试样时稍有不慎,试样表

面涂层就可能崩落或倒角,因此操作时应注意小心保护涂层。在制样过程中,为保证涂层与硬质合金基体位于

金相显微镜观测的同一视平面上,应使涂层制样面与硬质合金基体制样面处于同一平面内。通过反复进行制样

试验,发现以下制样方法可获得较好制样效果:首先用金刚石砂轮在机床上对试样进行粗、精磨,然后将试样

对镶在硫磺中,用抛光机和金刚石研磨膏对其进行精抛光。磨削试样时,可使用树脂结合剂碗形金刚石砂轮

(粒度在320#、M20、M14范围内),为反映涂层的真实厚度,磨削后的涂层制样面与涂层表面应保持垂直;

根据前序磨削表面质量情况,可选用粒度为M5或M1的金刚石研磨膏对试样进行研磨和抛光。图1和图2分别为

采用上述方法制备试样的单一涂层和复合涂层形貌。


    2.涂层形貌的观测与分析


    将制备好的涂层金相试样置于金相显微镜下进行高倍观测(1000~1500倍)。在显微镜视场内可观察到试样

断面是由表面涂层、过渡区和硬质合金基体三部分组成。


    过渡层(中间层)的金相分析


    对制备的试样进行高倍观测时,有时会发现在涂层与基体之间存在一连续带状(或断续)的白亮色狭窄区域。

用赤血盐和氢氧化钠水溶液侵蚀后,该区域的颜色转变由橙色→深褐色→黑色,这是h相WxCoxC的典型特征之

一,通常工业合金缺碳时都会出现h1相,它的存在对涂层合金的使用性能有很大影响(目前对h2相所起作用尚

有不同看法,限于篇幅,本文不作论述)。总之,在观测试样时,对过渡层进行金相分析是必不可少的步骤。


    涂层显微结构的显现与形貌观测由于涂层为极薄的单层或多层膜,因此显现其显微结构时需特别仔细。对于

不同材料的涂层,需要采用不同的试剂进行侵蚀显现。


    碳化钛涂层的显现


    将抛光后的碳化钛涂层试样用10%K3Fe(CN)6+10%NaOH水溶液侵蚀20~30秒钟后,即可在金相显微镜

下对其显微结构进行高倍观测。


    氮化钛、碳氮化钛涂层的显现


    对于氮化钛、碳氮化钛(或碳化钛)涂层试样,均可采用10ml硝酸+10ml氢氟酸+10ml水的混合溶液滴蚀

15~30秒钟后进行显现。


    对于复合涂层,应视具体的涂层种类,采用分段侵蚀方法对其显微结构进行显现,然后在金相显微镜下进行

形貌观测。


    3.涂层缺陷的观测


    当表面涂层工艺出现某些问题时,涂层表面会产生各种缺陷。


    4.涂层和过渡层的厚度测量


    试验证明,涂层(表面层)和过渡层(中间层)的厚度对硬质合金涂层刀片的性能影响很大。因此,对试样

各层厚度进行测量对于分析涂层性能十分重要。


    涂层厚度是指从涂层表面到涂层与过渡层(或基体)交界面之间的距离。过渡层(亦称脱碳层)厚度是指从

涂层与过渡层的交界面到过渡层与基体的交界面之间的距离。涂层厚度一般约为几微米~20微米。对于复合涂

层则需要分别测量各层厚度。测量涂层厚度的传统方法是利用金相显微镜的目镜测微尺进行测量,但该方法的

测量精度较差,操作也较为烦琐。目前已可采用图象分析系统(如四川大学智胜公司产品)进行测量,该方法

操作便捷,测量精度较高。此外,该系统具有多次拍照合成图象功能,可解决涂层制样面微小不同焦的问题。

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