硬質(zhì)合金作為一種工具材料，由于其具有高硬度、高強(qiáng)度、高彈性模量、耐磨損和耐腐蝕等性能，已廣泛應(yīng)用于各種切削工具、礦用工具和耐磨耐蝕零部件。為適應(yīng)各種服役條件，提高使用效率，針對傳統(tǒng)硬質(zhì)合金存在硬度高而韌性低的矛盾，人們開發(fā)了諸如梯度硬質(zhì)合金、超細(xì)硬質(zhì)合金材料。近年來，隨著功能梯度材料概念的提出，功能梯度硬質(zhì)合金正在發(fā)展成為當(dāng)前硬質(zhì)合金領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一。為了提高硬質(zhì)合金切削工具的切削性能和使用壽命，可在合金的表面涂上薄層高硬度耐磨材料。由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，涂層材料在冷卻過程中可能因熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。由于涂層材料的脆性通常裂紋更容易在涂層表面產(chǎn)生并向基體中擴(kuò)展。為了盡可能防止由于裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致的材料失效，并有利于獲得高性能的硬質(zhì)合金切削工具材料，可對基體進(jìn)行梯度處理，使在基體表面區(qū)域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韌性區(qū)域，此區(qū)域的粘結(jié)劑含量高于基體的名義粘結(jié)劑含量。當(dāng)涂層中形成的裂紋擴(kuò)展到該區(qū)域時(shí)，由于其良好的韌性，可以吸收裂紋擴(kuò)展的能量，因而能有效地阻止裂紋向合金內(nèi)部擴(kuò)展，提高硬質(zhì)合金切削工具的使用性能。
(hn;C>B hjx= ? 本文主要綜述了梯度硬質(zhì)合金涂層基體的制備、基體涂層技術(shù)、基體表層碳含量的控制等。
{~{</ g/ rLx'.: 梯度硬質(zhì)合金基體的制備
2{I+H'w8: .g52p+Z# 要獲得性能良好的涂層梯度硬質(zhì)合金產(chǎn)品，涂層基體的制備是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。涂層必須與合適的基體結(jié)合才能達(dá)到預(yù)期的性能。具有梯度結(jié)構(gòu)的表面富鈷合金基體則使涂層切削刃強(qiáng)度更高，提高了涂層抗裂紋擴(kuò)展能力，提高了基體與涂層的結(jié)合強(qiáng)度以及刀具的抗彎強(qiáng)度。硬質(zhì)合金刀片劃痕強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)表明：基體成分相同情況下，梯度結(jié)構(gòu)涂層刀片的基體與涂層結(jié)合強(qiáng)度比無梯度結(jié)構(gòu)涂層刀片的基體與涂層結(jié)合強(qiáng)度大。硬質(zhì)合金刀片的切削實(shí)驗(yàn)也表明：基體和涂層成分相同的情況下，有梯度結(jié)構(gòu)涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能比無梯度結(jié)構(gòu)涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能優(yōu)良。
o*Kl`3=] >NjgLJh 梯度硬質(zhì)合金基體可通過分段燒結(jié)工藝制備。第一階段預(yù)燒結(jié)，將試樣在氮?dú)獗Ｗo(hù)下升溫(升溫速度為5℃/ｍｉｎ)，升溫到400℃時(shí)保溫1ｈ脫蠟；溫度到1380℃時(shí)，保溫1ｈ使合金致密化后，冷卻至室溫。第二階段梯度燒結(jié)，在真空狀態(tài)下，將預(yù)燒結(jié)后試樣由室溫升至燒結(jié)溫度并保溫2ｈ后隨爐冷卻至室溫。
Ot([5/K * Vr;rk 含氮硬質(zhì)合金梯度燒結(jié)是在真空氣氛中進(jìn)行的，合金內(nèi)部的氮活度大于表面氮活度，內(nèi)部的氮原子向表面進(jìn)行擴(kuò)散。而Ｎ原子與Ｔｉ原子之間存在很強(qiáng)的熱力學(xué)耦合，所以，在液相燒結(jié)溫度下，合金內(nèi)部氮原子通過液相粘結(jié)劑向表面擴(kuò)散的同時(shí)，表面的Ｔｉ原子也通過液相粘結(jié)劑向內(nèi)部擴(kuò)散，擴(kuò)散將會導(dǎo)致合金表面的ＴｉＣ、ＴｉＮ、(Ｔｉ，Ｗ)(Ｃ，Ｎ)等立方相碳化物、氮化物以及碳氮化物發(fā)生分解。向合金內(nèi)部擴(kuò)散的金屬原子與內(nèi)部的碳，氮等原子發(fā)生反應(yīng)生成一些硬質(zhì)相碳化物、氮化物以及碳氮化物。由于金屬原子向合金內(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致在合金的表層形成體積空位，從而，液相粘結(jié)劑流向合金的表層，在合金的表層形成具有梯度結(jié)構(gòu)的表層韌性區(qū)域，這樣制備出梯度硬質(zhì)合金基體。
hYY-Eq4TC D9;s% 梯度硬質(zhì)合金基體的涂層
st-I7K\ v M $MFUGS' 為改善硬質(zhì)合金的切削加工性能，工業(yè)發(fā)達(dá)國家80%以上的硬質(zhì)合金刀具都經(jīng)過表面涂覆處理。幾十年來，國內(nèi)外相繼開發(fā)了雙涂層、三涂層以及多涂層的復(fù)合刀片，有的涂層數(shù)甚至達(dá)到幾十層、上百層的水平。
SnFAv7_ q :-1 ul 硬質(zhì)合金涂層技術(shù)通常可分為化學(xué)氣相沉積(ＣＶＤ)技術(shù)和物理氣相沉積(ＰＶＤ)技術(shù)兩大類。
(U^f0wJg 1涂層材料的選擇
xn,I<dL39 G[ gfD\ 刀具磨損機(jī)理研究表明，在高速切削時(shí)，刃尖溫度最高可達(dá)900℃，此時(shí)刀具的磨損不僅是機(jī)械磨損，還有粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損及氧化磨損。因此，可將切削過程視為一個(gè)微區(qū)的物理化學(xué)變化過程。涂層材料的選擇對于涂層能否在刀具上發(fā)揮其應(yīng)有的作用有很大的影響。
f3"sKL4| /Q\|u:oO, 碳化鈦是一種高硬度耐磨化合物，有著良好的抗摩擦磨損性能；氮化鈦的硬度稍低，但卻有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，并可大大減少刀具與被加工工件之間的摩擦系數(shù)。從涂層工藝性考慮，兩者均為較理想的涂層材料，但無論談化鈦還是氮化鈦，單一的涂層均很難滿足高速切削對刀具涂層的綜合要求。
sQgJ`+Y8_ o6c>s h 碳氮化鈦(ＴｉＣＮ)是在單一的ＴｉＣ晶格中，氮原子(Ｎ)占據(jù)原來碳原子(Ｃ)在點(diǎn)陣中的位置而形成復(fù)合化合物，ＴｉＣｘＮｙ中碳氮原子的比例有兩種比較理想的模式，即ＴｉＣ0.5Ｎ0.5和ＴｉＣ0.3Ｎ0.7。由于ＴｉＣＮ具有ＴｉＣ和ＴｉＮ的綜合性能，其硬度高于ＴｉＣ和ＴｉＮ，因此是一種較理想的刀具涂層材料。
0p[-M`D .qg 2zE$0 在抗氧化磨損和抗擴(kuò)散散磨損性能上，沒有任何材料能與氧化鋁(Ａｌ2Ｏ3)相比。但由于氧化鋁與基體合金的物理、化學(xué)性能相差太大，單一的氧化鋁涂層無法制備出理想的涂層刀具。多涂層及相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使涂層既可提高與基體的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)又能具有多種材料的綜合性能。
H#FH '@J ;k5B@z/<S 到目前為止，硬質(zhì)合金刀片的涂層大致可分為4大系列：ＴｉＣ/ＴｉＮ、ＴｉＣ/ＴｉＣＮ/ＴｉＮ、ＴｉＣ/Ａｌ2Ｏ3和ＴｉＣ/Ａｌ2Ｏ3/ＴｉＮ。前兩者適用于普通半精及精切加工，后兩者適用于高速及重負(fù)荷切削。
t>%+[7?6 qJY EsI2M 2化學(xué)氣相沉積(ＣＶＤ)技術(shù)
-,^Z5N#\| K~Z$NS^W& 化學(xué)氣相沉積(ＣＶＤ)是硬質(zhì)合金領(lǐng)域的一個(gè)重要技術(shù)突破，它借助一種或幾種含有涂層元素的化合物或單質(zhì)氣體在放置有基材的反應(yīng)室里的氣相作用或在基材表面的化學(xué)反應(yīng)而形成涂層，常見的ＣＶＤ技術(shù)是以含Ｃ/Ｎ的有機(jī)物乙氰(ＣＨ3ＣＮ)作為主要反應(yīng)氣體，與ＴｉＣｌ4、Ｈ2、Ｎ2在700～900℃下產(chǎn)生分解、化學(xué)反應(yīng)生成ＴｉＣＮ。涂層有效地提高了硬質(zhì)合金制品表面硬度和耐磨性，延長硬質(zhì)合金制品的使用壽命，減少損耗，提高機(jī)加工效率。
y.+!+4Mg| r9!,cs 20世紀(jì)60年代以來，ＣＶＤ技術(shù)被廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具的表面處理。80年代中后期，美國已有85%硬質(zhì)合金工具采用了表面涂層處理，其中ＣＶＤ涂層占到99%，到90年代中期，ＣＶＤ涂層硬質(zhì)合金刀片在涂層硬質(zhì)合金刀具中仍占80%以上。
`| f1^C^ 8Y&_X0T| 80年代末，Ｋｒｕｐｐ.Ｗｉｄｉａ開發(fā)的低溫化學(xué)氣相沉積(ＰＣＶＤ)技術(shù)達(dá)到了實(shí)用水平，其工藝處理溫度已降至450～650℃，有效控制了η相的產(chǎn)生，可用于螺絲刀具、銑刀、模具的ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ等涂層，但迄今為止，ＰＣＶＤ工藝在刀具涂層領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛。
08F~6e6a8 k btQ 90年代中期，中溫化學(xué)氣相沉積(ＭＴＣＶＤ)新技術(shù)的出現(xiàn)使ＣＶＤ技術(shù)發(fā)生了革命性變革。采用ＭＴＣＶＤ技術(shù)可獲得致密纖維狀結(jié)晶形態(tài)的涂層。涂層厚度可達(dá)8～10μｍ。這種涂層結(jié)構(gòu)具有極高的耐磨性、抗熱震性和韌性。ＭＴＣＶＤ涂層硬質(zhì)合金刀片適于在高溫、高速、大負(fù)荷、干切條件下使用，其使用壽命可比普通涂層硬質(zhì)合金刀片提高一倍左右。
[6cf$FS9 我國從20世紀(jì)70年代初開始研究ＣＶＤ涂層技術(shù)，由于該項(xiàng)技術(shù)專用性較強(qiáng)，國內(nèi)從事研究的單位不多。80年代中期，我國ＣＶＤ刀具涂層技術(shù)的開發(fā)達(dá)到實(shí)用化水平，工藝技術(shù)水平與當(dāng)時(shí)的國際水平相當(dāng)，但在隨后的十多年里發(fā)展較為緩慢。我國的低溫化學(xué)氣相沉積(ＰＣＶＤ)技術(shù)的研究始于90年代初，ＰＣＶＤ技術(shù)主要用于模具涂層，目前在切削刀具領(lǐng)域的應(yīng)用也十分有限。90年代末期，我國開始中溫化學(xué)氣相沉積(ＭＴＣＶＤ)技術(shù)的研發(fā)工作。
TDZ p1zpXb {RHa1wc 3物理氣相沉積(ＰＶＤ)技術(shù)
MKZq* m`6=6(_p 物理氣相沉積主要為蒸發(fā)鍍膜、離子鍍膜和濺射鍍膜3大類。真空蒸發(fā)鍍膜是發(fā)展較早，應(yīng)用也最廣的一種ＰＶＤ涂層技術(shù)，目前仍占有世界40%的市場，但用途范圍正在縮小。這種技術(shù)是在真空條件下采用電阻、電子束等加熱鍍膜材料，使其熔化蒸發(fā)再沉積在合金基體表面形成鍍膜。
#bmbK{
