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轮箍刀具金相组织结构剖析研究
胡希川1李仁琼2
（1.成都工具研究所，四川成都610051；2.株洲硬质合金集团有限公司，湖南株洲412000）
摘 要：本文通过对国内大型企业的工业生产过程中实际使用效果最好的进口火车轮毂加工涂层硬质合金刀片进行了分析。采用日本奥林巴斯GX71金相显微镜和川大智胜公司专用分析软件，观察剖析刀片合金基体与表面薄膜的特点和显微组织结构及形貌特征。
关键词：火车轮箍；刀具；金相组织；剖析；涂层；硬质合金
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引言
刀具技术是一项十分重要的基础技术，先进的高效刀具为多快好省地制造各种机械产品创造了良好的条件。实现高速切削的一大技术关键就是先进的刀具。当今，干式切削和高速硬切削已成为切削刀具技术的发展方向。特别是干式切削要求刀具材料具有很高的高温硬度（红硬性）、耐磨性和化学稳定性及抗粘结性等高温性能。刀具的这些性能要求可以通过表面涂层处理技术来实现[1]。我国机械行业中普遍存在着只重视主机和主导产品，忽视工艺和工具的倾向，加上工具生产与管理体制上的种种原因，造成整个行业的质量和效率提不上去。国内重型机械行业生产技术水平不高，生产效率偏低，不能适应新形势的要求，与国外相差了约二十年[2]。从92年～96年国内先后从德国、美国、加拿大引进三种类型具有世界先进水平的数控加工火车车轮生产线，原设计线上使用涂层硬质合金刀具全是进口。
本文试图通过对进口车轮刀具组织结构（包括：基体、表面涂层）的剖析，对比分析和研究进口刀具的主要组织特征。以供刀具研发专家们参考。
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分析方法
2.1
试样准备
采集使用效果好的多种进口火车轮箍加工刀片。如表1所示。
2.2
分析仪器
采用日本奥林巴斯G×71型金相显微镜和川大智胜专用金相分析软件，通过计算机图象采集分析系统，分别对组织结构、晶粒尺寸、涂层结构形貌进行测试分析，拍摄组织形貌图谱。
2.3
分析步骤
首先测定四种牌号的密度和矫顽磁力，结果见表2。
采用硬质合金涂层金相分析制样方法，分别制取金相样品。分别经低倍（×100）、高倍（×1500）进行基体、涂层分段检测对比。结果列于表3～表5。
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剖析结果与讨论
3.1 TP1000基体组织与涂层结构
图1中TP1000基体显微组织结构主要由三相组成，即：α相（WC相）、β相（粘结相或Co相）、γ相（复式碳化物）。从图中非常直观地显示出其晶粒较细，三个组成相分布非常均匀，整体组织致密，孔隙率很低，无游离石墨相（见表3）。图2显示出了TP1000涂层结构为多层复合涂层。涂层分为6层，其总厚度前刀面16.5μm，后刀面20μm左右。主要结构为TiN-TiCN-Al2O3-TiN-TiCN-TiN。TiN层为金黄色，极薄<1.0μm；TiCN为青灰色，Al2O3为黑色，相对较厚。各层厚薄均匀，涂层颜色纯正，界面结合很好，虽使用过涂层保留仍然完好，每层组织致密细致。
图1
基体组织结构形貌 ×1500
图2
TP1000涂层结构形貌
×1500
从图2中不难看出，为使基体与涂层结合更好，增加刀具的韧性和强度，该基体表面经过特殊处理形成有32μm左右厚度的富Co梯度层，该层中无β相。并且在基体与涂层界面上，无η相（脆性相）生成。由于基体材质选用了细晶三相合金，采用表面梯度处理增加韧性和优化组合的表面涂层，使TP1000在车轮箍加工中显现出最佳的切削效果。
3.2 TP100基体组织与涂层结构
该牌号与TP1000组织结构非常相似，密度也极相近（见表2）。主要由三相组成，α相、β相、γ相。从图3清晰显示出基体的三相分布均匀，晶粒很细且均匀，没有异常大晶粒，整体组织结构致密均匀。无游离石墨相（表3）。
图4显示出TP100的涂层形貌。该牌号为多层复合涂层结构。涂层总层为11层。涂层总厚：15.4μm。涂层结构：TiC-TiCN-Al2O3-(TiC-TiN-TiCTiN......复合相间)。TiC为浅灰色，TiN为金黄色，TiCN为灰色，Al2O3为黑色。表层由极薄的浅灰TiC和金黄的TiN交替复合相间。各层厚薄均匀，颜色纯正。界面结合很好。每层组织致密细致，与TP1000不同的是，基体表面无富Co层。采用的涂层结构也不相同。界面无η相（脆性相），加工性能也好。
图3
TP100基体组织结构形貌
×1500
图4
TP100涂层结构形貌
×1500
3.3 TP200基体组织与涂层结构
图5和图6分别显示TP200的基体和涂层结构形貌。该牌号仍为三相合金，各相分布非常均匀。组织致密，晶形完整。与TP1000、TP100不同之处，WC晶粒稍粗，WC平均粒度：1.7481μm，Hc最低：11.0kA/m（见表2）。TP200总涂层分为7层，涂层总厚度为8.0μm，界面无η相（脆性相）。TiN呈金黄色，TiCN为青灰色，Al2O3为黑色。涂层结构：TiN-TiCN-TiN-TiCNTiN-Al2O3-TiN。界面结合非常好，各层厚薄均匀一致，颜色纯正。基体表层与TP1000相似，特殊处理形成32μm左右的富Co层，该区域无β相。该牌号整体组织中的WC晶粒稍粗，以提高韧性和强度，并采用不同的涂层组合和不同厚度，充分发挥材料与薄膜优化匹配的综合特性。
图5
TP200基体组织与形貌
×1500
图6
TP200涂层结构形貌
×1500
3.4 TN200基体组织与涂层结构
TN200也是三相合金。从β相的颜色和密度值初步判定与前三种成分有一定差异，（具体有待下一步成分分析确定）。三相分布均匀、晶形完整、组织均匀致密、孔隙率低。
TN200采用了多层复合涂层结构，总涂层为11层，涂层总厚度：13.2μm。界面上无η脆性相，有富Co层，其厚25～35μm（刀片部位不同，富Co厚薄不同），富Co区无β相。涂层组分：TiN-TiCN-（TiN
Al2O3-TiN- Al2O3-....TiN）复合相间涂层。从图8中明显看出，这种涂层非常漂亮，每层结合非常好，特别是表面TiN-Al2O3薄复合相间层，各层厚薄非常均匀致密，见图7、图8。该刀片虽进行过切削加工，涂层整体保留非常完整。
图7
TN200基体组织形貌
×1500
图8
TN200涂层结构形貌
×1500
3.5
探讨
通过四种牌号刀具的组织形貌剖析得知，从表2密度和金相组织结构初步判定，其成分相近（TN200除外）。由于应用于干式切削火车轮箍刀具的基体应具备很高的高温硬度（红硬性）、耐磨性和抗黏性等高温性能，因此，合金基材的晶粒应偏细。根据Hall-Petch关系式，材料的屈服强度与其晶粒度的平方根成反比[3]，材料晶粒度的减小会导致其屈服强度的提高。对于脆性材料而言，其断裂强度随晶粒度的减小而提高，而且多相微晶材料在适当的温度—应变速度范围内变形时往往会呈现出超塑性[4]。剖析的四种牌号全都选用了多相微晶组织结构，其中三种采用了功能梯度合金基体，其特点是进一步提高合金的耐磨性和韧性。通过一定的工艺手段来改变合金中粘结相和硬质相的分布，使其呈梯度变化，借以赋予材料不同部位以不同的性能，达到提高其使用性能的目的，解决合金耐磨性和韧性之间的矛盾[5]，是目前广泛采用的方法之一。由于表层富钴，使韧性提高，基体的硬度和化学稳定性得到强化。有资料报导，含富钴层的合金基体与特定的多层涂层配合可以明显地提高切削刃的使用性能并能在大进给量的断续切削时增强抗断裂的能力。钴的富集由于富钴区内韧性增大而提高刀具的强度，而涂层则可提供切削刃上所需要的耐磨料磨损性和抗月牙洼磨损性[4]，同时也改善涂层表面与基体的结合力。也许这正是TP1000、TP200、TN200选择表面富钴的原因之一。
四种牌号的刀具采用了CVD化学涂层工艺。众所周知，在硬质合金基体上用CVD气相沉积法涂层时，在涂层内部以及涂层—基体界面上易形成η相。这是一种脆性相，在η相中通常产生微裂纹，而裂纹的应力集中则导致涂层硬质合金的强度明显下降，在使用过程中会造成刀具的脆性断裂。对四种刀具的剖析发现，国外厂家对涂层工艺控制非常好，每种刀具中都未发现η相的出现（包扩基体、界面）。这也许是TP1000等刀具在车轮箍干式强力切削中表现出好的加工性能的另一个重要原因。四种牌号同时采用了涂层组分相似、组成工艺不同的多层复合涂层结构。尽管组合工艺不同，根据基材特性充分利用了各组分的优势：TiC的高耐磨性、Al2O3的化学稳定性和抗氧化特性、TiN的耐冲击性和高硬度、TiCN的高硬度、高耐磨的特点[7]，有机地使涂层与基体优化匹配。另则，由TiN、Al2O3或TiC层交替组成的一个重要特点是不管涂层的总厚度如何，均具有极细的粒度。细晶粒涂层就其寿命而言特别有利于某些金属切削应用领域[8]。实验证明了在多层涂层是由许多极薄层组成的情况下，根据每层的相对厚度和性能不同，可产生一些附加性能。如：TiCN和TiN交替的多层可以抑制涂层中微裂纹的扩展，并且还可产生较细的粒度，因而显示出较高的硬度[4]。TP100、TP200、TN200都选择了极薄的多层组合而显现出它在重力干式切削中的加工优越性。
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结语
通过剖析火车轮箍刀的显微组织结构和表面涂层结构，得出结论如下：
（1）应用于干式重力切削的该类刀具，基体材质最好选用细晶三相结构，组织均匀致密，孔隙率应严格控制。
（2）为增强韧性和涂层的结合力，基体表面特殊的富钴层厚度应在20μm以上。
（3）涂层结构宜采用多层复合膜，涂层总厚度多控制在8.0μm以上（厚膜）。每层厚薄应均匀一致、界面清晰，每层颜色均匀纯正。
（4）该类刀具应严格控制基体与涂层界面的结合，不允许脆性η相出现。
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