涂層對硬質合金基體強度的影響
2020-2-4 來源：江西江鎢硬質合金有限公司 作者：江啟軍，李穎，何海明
摘要: 在實際切削中發現涂層刀具的耐沖擊性能與硬質合金基體的設計預期存在一定差異。通過試驗研究得出了不同粒度涂層和非涂層硬質合金刀具的強度變化規律，發現在 500℃ － 1100℃ 的涂層溫度下，硬質合金基體的強度均有不同程度的下降，為涂層刀具基體材質的設計提供了參考。
關鍵詞: 強度; 涂層; 刀具; 耐沖擊
1 、引言
硬質合金強度是表征產品韌性、抗沖擊能力的關鍵指標之一。在斷續切削、不均勻切削( 包括帶黑皮加工) 等金屬切削加工領域，刀具斷裂或崩碎是最主要的失效方式，因此對硬質合金基體強度提出了極高要求。
在現代切削加工中，涂層技術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，國內大部分工況惡劣的粗加工領域還在使用切削效率非常低的非涂層刀具。經過分析和研究認為，涂層過程中硬質合金基體長時間處于 500℃ － 1100℃，對基體的強度會產生不利影響，使涂層刀具的耐沖擊性能下降。
2 、試驗方案與試驗結果
試驗選用 6 種 K 系列涂層硬質合金基體牌號，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。每個牌號選用同一批原料，分別壓制 5． 25mm × 6． 5mm × 20mm 的強度試樣條 30根，同爐同舟皿一次燒結出來。取 10 根磨制試樣進行強度檢測，取未磨毛坯試樣條 10 根進行 CVD 涂層、10 根進行 PVD 涂層。對涂層后的試樣條分別進行磨樣，并檢測硬質合金基體的強度，從而研究涂層后各種粒度的硬質合金基體強度的變化。
圖 1 為不同粒度基體在涂層前后強度的變化情況。除去試驗中磨樣、人為操作等偶然因素外，由圖1 可知，強度變化趨勢明顯，同一種基體牌號燒結后強度 ＞ PVD 涂層后強度 ＞ CVD 涂層后強度。
圖 1 不同粒度的基體強度變化
圖 2 是試樣條在燒結態、PVD 涂層態和 CVD 涂層態的平均強度變化趨勢。由圖 2 可知，試樣經過PVD 和 CVD 涂層后強度呈下降趨勢，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度變化
圖 3 是 PVD 涂層態和 CVD 涂層態試樣條相比燒結態試樣條的強度下降幅度對比。由圖可知: WC 粒度 0． 4μm 的牌號，PVD 涂層態強度下降約 11. 6% ，CVD 涂層態強度下降 16． 3% ; 其它硬質合金基體牌號 PVD 涂層態強度下降在 6% － 8% 之間，CVD 涂層態強度下降了 10% － 12% 。隨著粒度的加粗，PVD 涂層后的強度降低幅度先減少后又增加，CVD涂層后的強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度下降幅度對比
通過以上試驗發現，經過 PVD 涂層和 CVD 涂層后，同一種硬質合金基體牌號的涂層刀具強度比非涂層刀具降低約 10% 。在設計涂層刀具基體牌號時要充分考慮這一強度降幅，才能保證刀具在實際切削過程中的抗沖擊性達到基體設計的要求。
3 、結語
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量，刀具涂層工藝是滿足當前金屬切削加工需求的基本途徑之一。本文的研究結果揭示了涂層對硬質合金刀具基體強度的影響規律，對設計硬質合金涂層刀具基體材質、探索涂層溫度下硬質合金基體材質變化都有一定幫助。
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