涂层硬质合金铣刀组织性能研究

2 试验材料与方法

②涂层与基体的结合强度,将 3 种涂层铣刀切割成 8mm × 15mm样品,打磨抛光后用洛氏硬度计测取硬度值和进行压痕法实验,载荷分别为 60kgf、100kgf、150kgf,载荷时间 15s,通过 Zeiss 3D 超景深显微镜观察压痕附近涂层的剥落和开裂情况,放大倍数为 700 倍;③涂层形貌组织,采用场发射扫描电镜观察涂层表面和涂层截面的形貌组织、化学成分

3.试验结果与分析

刀具基体硬度、涂层结合力

表 3 是三种涂层刀具材料的洛氏硬度,刀具 1为87. 3HRA,刀具 2为 86. 7HRA,刀具3 为 87. 2HRA。三种刀具的基体材料硬度数值相差不大,为 87HRA左右。由刀具切削寿命试验对比可知,其对三种涂层刀具切削性能差异的影响不起决定作用。

图 1 为刀具 1 分别在 60kgf、100kgf、150kgf 载荷作用下洛氏硬度压痕试验,经 700 倍放大图。图 1a中的压痕周围没有出现涂层剥落现象,随着载荷的增大,压痕周围的涂层结合仍非常良好,只有少许的涂层剥落,涂层结合良好。

图 2是刀具 2 分别在 60kgf、100kgf、150kgf 载荷作用下洛氏硬度压痕试验的经 700 倍放大图。图2a 中的压痕周围有少许的涂层剥落,整个涂层较为完整,随着载荷的增大,涂层的剥落随着载荷的增大而增多,涂层结合较差。

图 3是刀具 3 分别在 60kgf、100kgf、150kgf 载荷作用下洛氏硬度压痕试验,经 700 倍放大图。图 3a中的压痕周围涂层结合良好,没有出现涂层的现剥落现象;随着载荷的增大,压痕周围基体发生崩裂,涂层随着崩裂的基体碎片剥落;压痕周围的涂层结合仍良好。

3. 4 涂层的形貌组织和化学成分

从图 4 中可以看出,刀具 1涂层整体较为光滑平整,只存在少许细小的孔隙。对涂层进行 EDS 面扫描分析发现,涂层表层只存在 Ti、Al、N 三种元素。从图 5 可以看出,涂层细致紧密地附着在基体上,结合良好;涂层显得非常致密,厚度约为 1. 5μm。

图 6 所示的涂层截面 EDS 分析可知,从界面到涂层表面,涂层只有 Ti、Al、N、C 四种元素存在。活跃的C 元素属于扩散元素,截面中 Ti 的含量较高,可以判断刀具 1 涂层为单一的 Ti Al N 涂层。Ti Al N 涂层在切削过程中生成一层致密而摩擦小的 Al2O3涂层,Al2O3更加致密、摩擦系数更小、硬度更高,因而可以提高涂层的切削寿命。


从图 7 可以看出,刀具 2 的涂层几乎不存在细小的孔隙,涂层光滑紧密。对涂层表层进行 EDS 分析可知,涂层表层有 Al、Ti、N 元素,还有少许的 Cr元素存在。

从图 8 可以看出,基体表面非常平整,但涂层结合较为突兀,整体显得很致密,厚度约为2μm。

从图 9 分析可知,从界面到涂层表面,涂层有Ti、Al、N、Cr、C 五种元素。结合涂层的表面元素,排除扩散元素 C,涂层截面中 Al 元素的含量较高,Cr元素由里到外逐渐减少,N 元素由里到外则逐渐增多。由此可以判断,刀具 2 涂层为双层复合涂层,外层以 Al Ti N 涂层为主,内层配以 Al Cr N 涂层。Al Ti N涂层与 Al Cr N 涂层的结合,Al2O3热屏障层作用配合 Al Cr N 强排屑作用,可以使切削热更多地传递给切屑,很好地保护基体和涂层,不仅可以延长刀具切削寿命,还能拓宽刀具的使用范围。

从图 10 可以看出,刀具 3 的涂层整体较为光滑平整,只存在少许细小的孔隙。由涂层表面 EDS 分析可知,涂层表层存在 Al、Ti、Cr、N 四种元素。

从图11 可以看出,基体表面非常平整,结合较为良好;整体的涂层显得很致密,厚度约为 1. 6μm。

如图 12 所示,对刀具 3 涂层截面 EDS 分析可知,从基体到涂层表面,涂层有 Ti、Al、N、Cr、C 五种元素,结合涂层表面元素,排除扩散元素 C,涂层截面中 Al 元素和Ti 元素的含量较高,Cr 元素和 N 元素由里到外含量较为稳定。因此可以判断,刀具 3 的涂层为多层复合结构涂层,以 Al Ti N 涂层和 Al Cr N 涂层交替沉积,使层间位错运动困难,致使涂层获得高硬度、高附着力和高耐磨性等优异特性。








编辑于 2017-05-31