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涂層對(duì)硬質(zhì)合金基體強(qiáng)度的影響
2020-2-4  來源:江西江鎢硬質(zhì)合金有限公司  作者:江啟軍,李穎,何海明




     摘要: 在實(shí)際切削中發(fā)現(xiàn)涂層刀具的耐沖擊性能與硬質(zhì)合金基體的設(shè)計(jì)預(yù)期存在一定差異。通過試驗(yàn)研究得出了不同粒度涂層和非涂層硬質(zhì)合金刀具的強(qiáng)度變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在 500℃ - 1100℃ 的涂層溫度下,硬質(zhì)合金基體的強(qiáng)度均有不同程度的下降,為涂層刀具基體材質(zhì)的設(shè)計(jì)提供了參考。

     關(guān)鍵詞: 強(qiáng)度; 涂層; 刀具; 耐沖擊

     1 、引言
  
     硬質(zhì)合金強(qiáng)度是表征產(chǎn)品韌性、抗沖擊能力的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在斷續(xù)切削、不均勻切削( 包括帶黑皮加工) 等金屬切削加工領(lǐng)域,刀具斷裂或崩碎是最主要的失效方式,因此對(duì)硬質(zhì)合金基體強(qiáng)度提出了極高要求。
  
     在現(xiàn)代切削加工中,涂層技術(shù)的引入使刀具的耐高溫、耐磨、耐腐蝕等性能都得到了很大提升,達(dá)到了高速加工的要求。但由于涂層刀具在高速加工中的耐沖擊能力不理想,國內(nèi)大部分工況惡劣的粗加工領(lǐng)域還在使用切削效率非常低的非涂層刀具。經(jīng)過分析和研究認(rèn)為,涂層過程中硬質(zhì)合金基體長時(shí)間處于 500℃ - 1100℃,對(duì)基體的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不利影響,使涂層刀具的耐沖擊性能下降。

      2 、試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果
  
     試驗(yàn)選用 6 種 K 系列涂層硬質(zhì)合金基體牌號(hào),基體 WC 粒 度 分 別 為 0. 4μm、0. 6μm、0. 8μm、1. 5μm、3. 0μm 和 4. 0μm,其主要成分為 WC + Co,含有微量添加劑。每個(gè)牌號(hào)選用同一批原料,分別壓制 5. 25mm × 6. 5mm × 20mm 的強(qiáng)度試樣條 30根,同爐同舟皿一次燒結(jié)出來。取 10 根磨制試樣進(jìn)行強(qiáng)度檢測,取未磨毛坯試樣條 10 根進(jìn)行 CVD 涂層、10 根進(jìn)行 PVD 涂層。對(duì)涂層后的試樣條分別進(jìn)行磨樣,并檢測硬質(zhì)合金基體的強(qiáng)度,從而研究涂層后各種粒度的硬質(zhì)合金基體強(qiáng)度的變化。
  
     圖 1 為不同粒度基體在涂層前后強(qiáng)度的變化情況。除去試驗(yàn)中磨樣、人為操作等偶然因素外,由圖1 可知,強(qiáng)度變化趨勢明顯,同一種基體牌號(hào)燒結(jié)后強(qiáng)度 > PVD 涂層后強(qiáng)度 > CVD 涂層后強(qiáng)度。
  
  
 
 
 
 
  
 
圖 1 不同粒度的基體強(qiáng)度變化

     圖 2 是試樣條在燒結(jié)態(tài)、PVD 涂層態(tài)和 CVD 涂層態(tài)的平均強(qiáng)度變化趨勢。由圖 2 可知,試樣經(jīng)過PVD 和 CVD 涂層后強(qiáng)度呈下降趨勢,且 CVD 涂層比 PVD 涂層降低得更多。
 
  

圖 2 不同晶粒度的基體涂層前后的平均抗彎強(qiáng)度變化

  
     圖 3 是 PVD 涂層態(tài)和 CVD 涂層態(tài)試樣條相比燒結(jié)態(tài)試樣條的強(qiáng)度下降幅度對(duì)比。由圖可知: WC 粒度 0. 4μm 的牌號(hào),PVD 涂層態(tài)強(qiáng)度下降約 11. 6% ,CVD 涂層態(tài)強(qiáng)度下降 16. 3% ; 其它硬質(zhì)合金基體牌號(hào) PVD 涂層態(tài)強(qiáng)度下降在 6% - 8% 之間,CVD 涂層態(tài)強(qiáng)度下降了 10% - 12% 。隨著粒度的加粗,PVD 涂層后的強(qiáng)度降低幅度先減少后又增加,CVD涂層后的強(qiáng)度降低幅度則隨著晶粒度的加粗而降低。
 
  

圖 3 不同晶粒度基體涂層后的強(qiáng)度下降幅度對(duì)比

  
      通過以上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),經(jīng)過 PVD 涂層和 CVD 涂層后,同一種硬質(zhì)合金基體牌號(hào)的涂層刀具強(qiáng)度比非涂層刀具降低約 10% 。在設(shè)計(jì)涂層刀具基體牌號(hào)時(shí)要充分考慮這一強(qiáng)度降幅,才能保證刀具在實(shí)際切削過程中的抗沖擊性達(dá)到基體設(shè)計(jì)的要求。


     3 、結(jié)語
  
     在高速、高效加工中,不僅要求刀具具有耐高溫、高耐磨和抗沖擊等性能,還要求獲得最佳的表面加工質(zhì)量,刀具涂層工藝是滿足當(dāng)前金屬切削加工需求的基本途徑之一。本文的研究結(jié)果揭示了涂層對(duì)硬質(zhì)合金刀具基體強(qiáng)度的影響規(guī)律,對(duì)設(shè)計(jì)硬質(zhì)合金涂層刀具基體材質(zhì)、探索涂層溫度下硬質(zhì)合金基體材質(zhì)變化都有一定幫助。

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