刀具涂层冷却防松（深冷处理对TiAlN涂层刀具的性能有什么影响你都知道吗）

刀具涂层冷却防松（深冷处理对TiAlN涂层刀具的性能有什么影响你都知道吗）结果与分析为分析深冷处理前后刀具硬质合金基体微观组织的变化，对涂层刀具进行磨制及抛光，以去除TiAlN涂层并露出基体组织。利用ZEISS EVOMA 10型扫描电子显微镜和布鲁克D8 Advance X射线衍射仪分别对硬质合金基体的微观组织和物相结构进行观测分析。选用HVS-1000维氏硬度仪检测基体硬度，加载力为5kgf，加载时间为10s，每组试样测量5次并取平均值。采用NanoTest TM Vantage纳米力学测试系统测量TiAlN涂层硬度。为避免基体硬度对涂层硬度的影响，将压入深度控制在涂层厚度的10%之内，最大压入深度为150nm，压入载荷为10mN，加载和卸载速度为0.25mN/s，保压时间为10s，每组试样测量8次并取平均值。采用MFT-4000多功能材料表面性能测试仪测定涂层-基体结合强度，划痕速度为6mm/min，加载速度为300N/min，终止载荷为150N，对每组试

刀具技术的不断进步促进切削加工工艺的发展。为了获得更高的刀具寿命，刀具涂层技术日益受到工业界的重视。TiAlN涂层因具有较高的表面硬度、良好的化学稳定性、耐磨性和耐热性，能够显著提高刀具寿命，已开始广泛应用于难加工材料的切削加工。面对难加工材料切削加工时切削力大、切削温度高和加工硬化严重等难题，为保证刀具拥有足够寿命，TiAlN涂层刀具仍需进行进一步强化处理。深冷处理工艺作为一种非破坏性的材料改性技术，可应用于刀具强化后处理工艺，提高刀具材料的力学及切削性能。

深冷处理以液氮等为制冷剂将材料在低温下进行处理。一般将试样在深冷箱（www.szdjl.com）内以一定冷却速度从室温冷却到低于-196℃的环境。在此温度下保温一段时间，再以一定升温速度恢复到室温，最后进行回火处理。

目前，深冷处理已被应用于高速钢和硬质合金等刀具材料的后处理强化工艺。Firouzdor V.等对M2高速钢刀具进行深冷处理，发现深冷处理后马氏体中析出弥散分布的超细碳化物，使刀具的硬度得到提高。Silva F.J.等研究了深冷处理对高速钢刀具寿命的影响，发现深冷处理过程中残余奥氏体向马氏体转变，提高了高速钢的强度和硬度，结果表明，深冷处理可提高高速钢刀具寿命65%~343%。此外，

N.A.等对硬质合金刀具的深冷处理工艺进行了研究，发现深冷处理促进了硬质合金中η相碳化物的生成，这些细小的碳化物颗粒均匀分布在硬质合金基体中，使刀具基体变得更加致密，从而可提高刀具的硬度和耐磨性。刘亚俊等研究发现，深冷处理后α-Co向ε-Co的转变可以减小刀具在切削过程中的磨料磨损、扩散磨损和粘着磨损，使刀具寿命提高。

深冷处理对涂层刀具性能影响的研究较少且研究结果相互矛盾。为此，本文以TiAlN涂层硬质合金刀具深冷处理工艺为研究对象，对深冷处理对TiAlN涂层刀具力学性能的影响进行研究，并阐释其作用机理。

试验材料及方法

试验采用Sandvik的TiAlN涂层刀具，型号为CNMG120404-1105，基体材料为WC-6%Co，涂层厚度为1.5μm。将涂层刀具分为4组，在SLX-433H深冷回火一体炉中进行深冷处理。深冷温度分别为-110℃，-150℃，-190℃，并以未深冷刀具为对照组。升、降温速率均为1℃/min，保温时间为24h。深冷处理后升温至200℃并保持2h进行回火处理，以消除材料的内应力。

为分析深冷处理前后刀具硬质合金基体微观组织的变化，对涂层刀具进行磨制及抛光，以去除TiAlN涂层并露出基体组织。利用ZEISS EVOMA 10型扫描电子显微镜和布鲁克D8 Advance X射线衍射仪分别对硬质合金基体的微观组织和物相结构进行观测分析。选用HVS-1000维氏硬度仪检测基体硬度，加载力为5kgf，加载时间为10s，每组试样测量5次并取平均值。采用NanoTest TM Vantage纳米力学测试系统测量TiAlN涂层硬度。为避免基体硬度对涂层硬度的影响，将压入深度控制在涂层厚度的10%之内，最大压入深度为150nm，压入载荷为10mN，加载和卸载速度为0.25mN/s，保压时间为10s，每组试样测量8次并取平均值。采用MFT-4000多功能材料表面性能测试仪测定涂层-基体结合强度，划痕速度为6mm/min，加载速度为300N/min，终止载荷为150N，对每组试样测量3次并取平均值。

结果与分析

3.1 深冷处理对硬质合金基体微观组织的影响

（1）硬质合金基体微观组织

图1为-110℃下深冷处理24h后刀具硬质合金基体的微观组织。由图可知，硬质合金基体由3种颗粒组成，包括灰白色的棱角形颗粒、两种黑色颗粒物质以及少量的深灰色物质。

图1 -110℃深冷处理24 h的硬质合金基体微观组织

分别通过X射线衍射（XRD）和能谱分析（EDS）检测硬质合金基体中的物相组成和各颗粒的元素组成。X射线衍射图谱见图2。由图可知，硬质合金基体中含有3种物相，分别是含量最多的硬质α相（WC）、粘结β相（Co）和脱碳η相（Co6W6C）。

图2 硬质合金基体X射线衍射图谱

为了进一步鉴别图1中三种颗粒分别对应的物相成分，采用带能谱仪的扫描电子显微镜检测各颗粒的化学元素组成。分别对图1中代表各种物相的1，2，3三点进行能谱分析，分析结果见图3。由图可知，1，2，3三点的元素组成主要为W，Co和C，三种元素在1，2，3点的含量占比见表1。

图3 硬质合金基体能谱分析

表1 各点的元素含量占比（wt.%）

结合图2中扫描得到的各物相化学元素组成可得出：含量最多的灰白色颗粒为α相（WC），黑色颗粒为β相（Co），深灰色颗粒为η相（Co6W6C）。

对比未深冷处理刀具和在-110℃，-150℃，-190℃下深冷处理刀具的硬质合金基体微观组织，见图4。从图可以看出，深冷处理前后硬质合金基体中硬质相WC颗粒和粘结相Co的形状和尺寸均无明显变化，而深冷处理的硬质合金基体中深灰色脱碳相η相的数量比未经深冷处理的基体明显增多，这表明深冷处理促进了硬质合金基体中η相的形成。

图4 硬质合金基体微观组织

η相晶胚一般以WC晶粒表面为异质核心而成核。深冷处理导致组织结构收缩使WC晶粒产生表面残缺和棱角等表面能偏高的位置，为η相的形成提供了异质生核核心。深冷处理过程中生成的η相碳化物弥散分布在硬质相WC的表面，使硬质合金基体更致密，从而提高了硬质合金的硬度及耐磨性。

通过图像识别技术，并采用MATLAB软件对硬质合金基体微观组织SEM形貌进行二值化处理，得出图4中各组刀具硬质合金基体中η相的体积分数分别为3.58%，7.58%，10.73，11.94%。这表明深冷处理后，η相体积分数显著增加，且随着深冷温度的降低而不断增加。

（2）硬质合金基体物相分析

图5为不同深冷温度处理的硬质合金基体X射线衍射图谱。可知，深冷处理后α相（WC）的衍射峰强度几乎无变化。在温度为28℃附近出现η相碳化物（Co6W6C）的衍射峰，且该衍射峰强度随着深冷温度的降低而逐渐增大，表明深冷处理后硬质合金基体中η相碳化物含量增多。

WC-Co硬质合金中粘结相Co有两种同素异形体α-Co与ε-Co，深冷处理后其晶体结构的衍射峰强度发生了变化。为了更直观地分析Co相随深冷温度的变化规律，将40℃~55℃范围内的衍射峰局部放大（见图5）。由图可知，深冷处理后面心立方结构的α-Co衍射峰强度低于深冷处理前的强度，而密排六方结构的ε-Co衍射峰强度升高，说明深冷处理过程中发生了α-Co向ε-Co的相位转变，且随着深冷温度的降低，转变量增多。

图5 不同深冷温度处理的硬质合金基体X射线衍射图谱

在WC-Co硬质合金材料中，WC的热膨胀系数为5.5×10-6/K，粘结相Co的热膨胀系数为14.2×10-6/K。Sert A.等研究指出，由于WC的热膨胀系数小于Co，在深冷处理过程中，WC受到压应力，粘结相Co受到拉应力。材料相邻颗粒间由于应力产生的拉伸能引起晶格结构的滑移，促使粘结相Co从面心立方α-Co转变成密排六方ε-Co。ε-Co的滑移系比α-Co少，且不易变形，具有摩擦系数低、硬度和强度高的特点。

3.2 深冷处理对TiAlN涂层刀具力学性能的影响

（1）硬质合金基体硬度

图6为刀具硬质合金基体硬度随深冷温度变化的规律。从图可以看出，深冷处理后刀具硬质合金基体硬度比未深冷处理的高。深冷处理前硬质合金基体硬度为1971N/mm2。随着深冷温度的降低，硬度值逐渐增大，深冷温度为-190℃时，达到最大硬度值2169N/mm2。

深冷处理提高硬质合金基体硬度的原因主要有以下两点：①硬质合金基体中η相碳化物含量的增加。深冷处理后硬质合金微观结构中形成了新的η相碳化物颗粒，这些细小的碳化物颗粒均匀分布于硬质合金基体，使基体组织更加致密，从而提高其硬度；②硬质合金基体中粘结相Co的马氏体转变。随着深冷温度的降低，硬质合金基体中α-Co向ε-Co转变的程度逐渐增大。密排六方结构的ε-Co相的力学性能更优，使硬质合金基体硬度随之提高。

图6 深冷温度对硬质合金基体硬度的影响

（2）涂层纳米压痕硬度

深冷温度对刀具涂层纳米压痕硬度的影响见图7。可以看出，深冷处理前后刀具涂层纳米压痕硬度值变化不显著。深冷处理前，刀具涂层纳米压痕硬度为20.05GPa。当刀具分别在-110℃，-150℃，-190℃三种深冷温度下深冷24h后，TiAlN涂层的纳米压痕硬度值略微提高，但无较大变化。所测得硬度值的波动范围小于检测公差，表明深冷处理对TiAlN涂层的纳米压痕硬度无明显影响。

图7 深冷温度对涂层纳米压痕硬度的影响

（3）涂层-基体结合强度

涂层-基体良好的结合强度是涂层得以发挥切削作用的前提。如果涂层-基体的附着力不够大，刀具在服役应用过程中会出现涂层剥落现象，从而严重影响刀具寿命。可采用划痕法来测试涂层-基体间的结合强度。用一尖端半径约为200μm的Rockwell金刚石压头在涂层表面连续滑动，滑动过程中施加垂直于涂层表面且均匀增大的载荷。当到达临界载荷Lc时，涂层表面开始破损，产生明显异常的声信号。通过传感器获取声发射信号并进行放大处理，结合摩擦力变化拐点就可判定临界载荷Lc的值，即为涂层与基体的界面结合力。

图8为深冷温度对涂层-基体结合力的影响。可以看出，深冷处理可显著提高涂层-基体的结合强度。深冷处理前，涂层-基体结合力为66.7N。随着深冷温度的降低，涂层-基体结合力逐渐增大，深冷温度为-190℃时，达到最大值110.5N。

图8 深冷温度对涂层-基体结合力的影响

在划痕试验结束阶段载荷达到150N时，各组涂层刀具的划痕形貌见图9。由图可知：未深冷处理的刀具涂层被完全划破，露出一段较长的连续基体；经-110℃和-150℃深冷处理的刀具涂层被挤压变形，在划痕尾部露出部分不连续的硬质合金基体，其涂层-基体结合强度较经未深冷处理的刀具明显提升；经-190℃深冷处理的刀具涂层始终未被划破，未露出基体材料，表明其涂层-基体结合强度得到了显著提升。

图9 划痕形貌

深冷处理提升刀具涂层-基体结合强度的原因主要有以下两个方面：①硬质合金基体中η相含量增多。深冷处理使刀具硬质合金基体产生更多的η相（Co6W6C）碳化物。经回火处理后，η相与TiAlN涂层产生共格外延生长，在TiAlN涂层与硬质合金基体之间形成一层外延生长界面，提高了TiAlN涂层与η相的结晶度。由于外延生长界面在涂层-基体间的晶体取向一致，从而使刀具TiAlN涂层与基体的结合强度得到提升；②硬质合金基体硬度提高。TiAlN涂层均为薄而硬的涂层，基体硬度较高时，对TiAlN涂层的支撑作用较强。当涂层承受载荷时，涂层不易产生塑性变形、开裂以致剥落，从而可提高涂层-基体的结合强度。

以TiAlN涂层硬质合金刀具深冷处理工艺为研究对象，通过深冷处理试验和组织、性能测试，分析研究了深冷温度对TiAlN涂层刀具微观组织和力学性能的影响规律。得到以下结论：

（1）深冷处理可促进硬质合金基体中η相碳化物的形成。在-190℃深冷处理24h后，η相碳化物的体积分数从3.58%增至11.94%，表明深冷处理后硬质合金基体中η相碳化物的含量明显增多。同时，深冷处理的极低温度促进了α-Co向ε-Co的相位转变。随着深冷温度的降低，转变量逐渐增大；

（2）深冷处理后基体中η相含量的增加和粘结相Co的转变提高了硬质合金基体的硬度，但涂层硬度无明显变化。硬质合金基体中η相含量的增加和基体硬度的提高有利于提升涂层-基体结合强度。划痕试验结果表明，深冷温度越低，涂层-基体结合强度越高。