高速钢表面WC-TiAlN双层硬质合金覆层的制备与性能研究

高速钢表面WC-TiAlN双层硬质合金覆层的制备与性能研究

程婧璠彭潜

摘要：采用真空粉末烧结法在高速钢表面上复合了WC硬质合金覆层，进一步采用多弧离子镀技术沉积了TiAlN覆层，得到了新型的双层硬质合金覆层。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪等测试了覆层的表面形貌和组织结构，通过销盘式摩擦磨损试验研究了覆层的抗磨性能。结果表明，覆层的常温硬度为1251HV，具有优良的耐磨性能。

关键词：高速钢；硬质合金；多弧离子镀

中图分类号：TF125.2文献标志码：A文章编号：1001-7836(2008)12-0117-02

作者简介：程婧璠(1983-)，女，湖北武汉人，助教；彭潜(1984-)，男，硕士研究生。

高速钢具有高硬度，尤其是具有很高的红硬性、耐磨性和淬透性，越来越多地用于冷作模具[1]。但随着目前冲压和冷挤压向高效、高速、高精度和自动化方向发展，对模具性能提出了越来越高的要求。磨损是这类模具的主要失效形式之一，制备表面硬质覆层是提高模具耐磨性的有效方法。周小平等人[2]采用热喷涂－真空粉末烧结方法在高速钢表面制备了WC硬质合金覆层，并研究了其组织及性能，但WC硬质合金覆层的耐磨性能在磨损试验的起始阶段并不优于高速钢。TiAlN是近几年来开发的新覆层材料[3]，表面硬度为2800HV，开始氧化温度为800℃，它的附着力大，耐热性能优越，特别适合于高速加工及高硬度钢加工。本文采用多弧离子镀技术，进一步在WC硬质合金覆层上沉积了TiAlN覆层，得到了一种新型的WC-TiAlN双层覆层。同时本文进行了覆层的室温干摩擦实验，结果表明，双层覆层表现出黏着磨损的特征，TiAlN覆层通过提高表面硬度改善了黏着磨损状况，磨损的主要破坏形式是颗粒的逐建剥落。

1实验方法

1.1WC-TiAlN覆层的制备

基底材料为φ40mm×10mm的高速钢(成分为C=0.78%，W=18.0%，Cr=4.0%，V=1.1%，Mo=0.2%，Mn=0.15%，P=0.02%，S=0.015%)。WC硬质合金粉末的组成为：80%WC和20%Fe-Ni-Co(质量分数)。硬质合金粉末经过KQM-X4球磨机球磨30小时左右，用松节油均匀混合，涂覆在高速钢试样的表面，厚度3mm～5mm，经过85℃真空干燥处理，在真空炉中进行烧结，烧结温度为1200℃，时间20分钟，真空度为5.0Pa。TiAlN覆层的沉积实验在DHD-8型多弧离子镀设备上进行。采用独立的纯度均为99.99%的Al靶和Ti靶作为离子源。实验设计如下：将纯Al靶置于炉上部靶位，而将纯Ti靶置于炉下部靶位。WC覆层试样经晶面抛光、超声波清洗、烘干等前处理工艺后装炉沉积。沉积工艺设计如下：烘烤温度约300℃，底真空度0.0012Pa，沉积TiAlN覆层时间60min，偏压50V，气压0.9Pa，Ti靶电流75A，Al靶电流60A。

1.2覆层的性能测试

覆层的硬度采用HX-500型显微硬度计测定，加载砝码50g。磨损实验在MPX-2000型销盘式摩擦磨损试验机上进行。销试样为YG6硬质合金(92HRA)，载荷60N，转速为1102r/min，无润滑干摩擦，试样温度为常温，每隔两小时将试样取下，清洗干净后在TG328A分析天平上称重(精度0.00001g)，计算试样的磨损量，试验进行12小时。用PhilipsXXPertMPDX衍射衍射仪对覆层的物相进行分析。试样的表面形貌在PhilipsXL30扫描电镜上进行。试样的截面金相照片用XJZ-1型金相显微镜观察。

2结果与讨论

2.1WC-TiAlN覆层的组织形貌

实验中所得WC-TiAlN双层覆层的典型表面扫描电镜形貌图以及截面金相照片。从图1(a)的覆层表面形貌可见，TiAlN覆层的表面存在着大量的宏观颗粒，这些颗粒主要是熔滴，它的产生并不是由于WC覆层表面污染所致，而是由于真空电弧阴极斑点局部温度较高，阴极表面的微小熔池产生喷射喷射，近似球形的液滴从阴极斑点发射后，被阴极等离子体流携裹进入弧柱区，在飞行过程中，被等离子体中的电子和离子加热，同时又通过蒸发及辐射散热，等离子体中的离子流在熔滴表面沉积，使熔滴增大，但熔滴的蒸发又会使之减小。因此在沉积到基体之前。熔滴的总体温度和尺寸都会不断变化，最终形成了这些宏观颗粒[4]。从图1中可以看出绝大部分宏观颗粒直径都在1μm左右，少部分较大的宏观颗粒直径大约在10μ左右。从图1中还可以看出，比较大的宏观颗粒形状为椭球和团絮状，这说明这些颗粒在到达基底后仍然处于熔融状态，仍具有一定的流动性，所以当其受到基底阻挡时将产生形变，呈椭球和团絮状附着在膜层表面。半径较小的液滴则在空间就已经固化，所以在膜层中呈球状[5]。

WC-TiAlN双层覆层均匀、平整，与基体高速钢界面结合良好。其中WC硬质层厚度约3μm，TiAlN覆层的厚度约7μm。

2.2WC-TiAlN覆层的X射线衍射结果

WC-TiAlN覆层的XRD衍射谱。衍射结果表明，在本试样条件下，覆层的主要相结构为面心立方TiAlN，其晶体结构与面心立方TiAl基本相同[4]。其中2θ＝42?和61?附近的衍射峰为TiAlN晶体的特征吸收峰。但由于TiAlN的晶体结构中Al原子取代了TiN晶格中部分Ti原子并保持了TiN的晶格类型。由于Al的原子半径略微小于Ti的原子半径，因而导致了TiAlN晶体晶格发生畸变，晶格常数变小。又因为在TiN中添加Al只是部分取代了Ti原子的位置，因而该衍射峰的数量和位置变化很小，峰宽变窄。以上所述的晶格畸变作用，使TiAlN的结构比TiN更加紧凑，因此TiAlN覆层在硬度和耐磨性能等许多方面上表现得非常优异。

2.3WC-TiAlN覆层的硬度及耐磨性

通过上述试验制备的WC-TiAlN双层覆层材料的常温硬度为1251HV，远高于高速钢的常温硬度758HV。另外双层覆层在600℃时的高温硬度为1178HV左右，而高速钢在同样的试验条件下硬度下降到447HV左右。可见双层覆层具有在高温下保持较高硬度值的优良性能。WC-TiAlN覆层试样以及对比试样的摩擦磨损试验结果如图3所示。

在磨损的起始阶段，WC硬质合金覆层与高速钢的磨损差别较小，没有表现出优越的磨损性能来，而随着磨损时间的延长，WC硬质合金覆层的磨损量才表现出小于高速钢的优势来。而本文制备的WC-TiAlN双层覆层则在整个磨损的试验阶段，其磨损量均明显小于高速钢以及WC覆层，而且在试验过程中，磨损量的增加幅度很小，这表明该双层覆层具有十分优异的耐磨性能。

WC-TiAlN双层硬质合金层具有的较高的耐磨性是由于大量的硬质相的存在，大幅度提高了材料的硬度和耐磨性；烧结过程中产生的共晶液相通过毛细管力的作用使粉末材料充分致密化。还有TiAlN硬质相具有良好的黏着性，与WC覆层结合紧密，因此覆层能够牢固地镶嵌在基体相中。在这些因素综合作用下，摩擦磨损过程中硬质相在基体的支撑下，有效地抵卸着外来磨粒的磨损，磨损时产生磨损微裂纹的裂纹源与裂纹扩展的路径受到了极大地限制，能够有效地抵抗外力的摩擦作用，在承受摩擦时，能使部分磨粒由滑动摩擦与凿削变为滚动，减轻磨粒对覆层的磨损，因而具有较高的耐磨性能。

为了研究磨损的机理，进行了磨损表面的形貌观察。WC-TiAlN硬质合金层的摩擦磨损形貌如图4所示。从图中可以看出，由于双层覆层中分布着大量的宏观颗粒，能够有效地抵卸着外来磨粒的磨损，因此犁沟较少，而且犁沟深度较浅。当硬质相逐渐磨损后，基体没有受到保护，将很快被磨损掉。当磨损进行较长一段时间后，硬质相颗粒在反复挤压擦划下，最终被刨离，磨损的主要破坏形式是颗粒的逐建剥落。

3结论

(1)采用热喷涂—真空粉末烧结方法在高速钢表面制备了WC硬质合金覆层，进一步采用多弧离子镀技术在WC表面沉积了TiAlN覆层，所得到的双层覆层与基体结合良好，厚度均匀。

(2)双层覆层的硬度较高，具有一定的高温保持能力。销盘式摩擦磨损试验结果表明该抗磨性能良好。磨损的主要形式是TiAlN颗粒逐渐剥落。

参考文献：

[1]王贵明.铸造复合轧辊的几种新方法[J].特种铸造及有色合金，1999，(4)：14-16.

[2]周小平，华林.高速钢表面真空粉末烧结硬质合金层的组织及性能[J].铸造设备研究，2006，(2)：9-11.

[3]魏莎莎，吴春笃.涂层(TiAlN)硬质合金刀具的研究[J].燕山大学学报，2005，29(6)：485-488.

[4]金犁，潘应君.高速钢表面多弧离子镀(Ti，Al)N薄膜及性能研究[J].材料热处理，2006，35(16).

[5]张皓扬，周兰英，田建朝.基体偏压对TiAlN涂层性能的影响[J].表面技术，2006，35(6)：15-17.