CN102251234B - 一种基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法 - Google Patents
一种基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102251234B CN102251234B CN201110186603A CN201110186603A CN102251234B CN 102251234 B CN102251234 B CN 102251234B CN 201110186603 A CN201110186603 A CN 201110186603A CN 201110186603 A CN201110186603 A CN 201110186603A CN 102251234 B CN102251234 B CN 102251234B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coating
- green compact
- sol
- wimet
- hard alloy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法，其特征是先用粉末冶金方法制备硬质合金生坯，生坯在450～650℃下保温0.5～3h以脱除成型剂；再以AlCl3为Al源，以H2O和CH3CH2OH混合液为溶剂制备Al(OH)3溶胶，并采用浸渍提拉法在生坯表面涂覆Al(OH)3溶胶涂层；生坯涂层后在1350～1500℃下保温1～3h进行真空烧结，在烧结过程中实现基体的致密化、Al2O3涂层形成、涂层与基体之间协同收缩及表面冶金结合三方面效果，最终制备出Al2O3涂层硬质合金。本发明的Al2O3涂层硬质合金制备方法将涂层与基体制备在一次烧结中完成，涂层与硬质合金基体形成冶金结合；工序简化，成本降低且基体无需反复加热；以价格相对低廉的AlCl3为Al源，避免对昂贵的金属醇盐的使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种涂层硬质合金的制备方法，特别涉及基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法，属于粉末冶金和硬质合金领域。
背景技术
涂层硬质合金是切削刀具发展史上的一个里程碑，它将刀具基体与硬质薄膜表层相结合,由于基体保持了良好的韧性和较高的强度,硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数,从而使刀具的性能大大提高，目前70%以上的硬质合金刀具为涂层硬质合金。目前主要的涂层材料包括TiC、TiN、TiCN、Al2O3、TiAlN等,其中Al2O3涂层因具有优异的性能在高速切削领域得到了广泛的应用。国内外各大刀具制造商也推出了许多Al2O3涂层硬质合金产品，如山特维克的GC1030和GC4240、伊斯卡的“α-TEC”和“SUMO TEC”涂层刀具、山高的DurAtomicTM涂层刀具、京瓷的CA55系列以及株硬集团的第二代“黑金刚”YBC系列,都已经取得了很好的经济效益。
传统的制备Al2O3涂层硬质合金的化学气相沉积(CVD)法和物理气相沉积(PVD)法存在着设备昂贵、技术复杂、工艺繁琐、工艺水平要求高，难于控制甚至有污染环境等缺点。溶胶-凝胶法作为一种湿化学合成方法，具有设备简单，工艺易于控制、制品纯度和均匀度高的优点，在制备涂层方面有很大的优越性，目前有许多关于溶胶-凝胶法制备Al2O3涂层硬质合金的报道。
陈元春等（发表在硅酸盐学报2000年28卷第4期，352-356页，题目为“溶胶-凝胶法制作陶瓷涂层硬质合金刀具”）以异丙醇铝[Al(C3H7O)3]为前驱物,以去离子水(自制)作为溶剂,用硝酸(作为胶溶剂,将上述原料按n[Al(C3H7O)3]∶n(H2O)∶n(HNO3)=1∶(60~200)∶(0.07~0.68)的比例混合均匀,水浴恒温85℃,并施以强力搅拌,48 h后即获得勃姆石溶胶。基体材料选用YT15硬质合金，基体表面进行加工、碱洗、酸洗和超声波清洗，然后将基体全部浸入溶胶,片刻后缓缓提出,使之在基体表面形成一薄层溶胶膜，溶胶膜经60℃真空干燥就得到了与基体结合牢固的凝胶膜，这一过程可以重复多次,以得到较厚的涂层，涂层后的刀片在1200℃下保温1 h,得到α- Al2O3陶瓷涂层刀片。该法是先在硬质合金烧结体上涂覆溶胶涂层，然后在高温热处理形成Al2O3陶瓷涂层，由于预先烧结的硬质合金基体已经完成尺寸收缩和致密化，热处理过程只形成Al2O3陶瓷涂层，因此硬质合金基体与Al2O3涂层之间难以形成高强度的结合；硬质合金基体在烧结和涂层过程中经过两次高温加热，对其性能会有很大的影响；同时溶胶-凝胶使用昂贵的金属醇盐，不利于工业应用。
Hubert.T等（发表在Surface and Coatings Technology2006年201卷第1-2期，487-491页，题目为“Wear resistant alumina coatings produced by a solgel process”）采用溶胶-凝胶法在WC-Co硬质合金基体制备了氧化铝涂层。研究以0.05 mol的丁醇铝水解于pH=2的2-甲氧基乙醇水的产物为前驱物,丁醇铝与水的比例为1:1.5，基体表面用有机溶剂清洗。采用浸渍提拉法,速度为250 mm/min,将涂覆后的试样于100℃下干燥10 min,然后在氩气或真空(小于0.15 Pa)下煅烧,在500℃时保温30 min再于900～1100℃烧结60 min(涂层、干燥和煅烧这个过程可重复几次以获得较厚的涂层)。得到厚度为3μm,晶粒尺寸为0.2～0.4μm的涂层。该法与上文报道相似，同样存在上述三方面的问题。
CN1459434公开了一种硬质合金粉末表面涂覆陶瓷涂层的材料及其加工工艺。该技术是选取异丙醇铝[Al(C3H7O)3]为前驱物，以去离子水[H2O]作为溶剂，用硝酸[HNO3]作为胶溶剂，将这些原料按Al(C3H7O)3∶H2O∶HNO3＝1∶60-200∶0.07-0.45的比例混合均匀，利用水浴装置保持恒温85℃，同时施以强力搅拌，48小时后即获得均匀稳定的勃姆石溶胶(即Al2O3溶胶)，然后将待涂层的粉末加入溶胶中，施以强烈搅拌和超声波振荡，使之混合均匀，形成悬浊液，悬浊液静置后分层，经抽滤分离，再经真空干燥，即可得到涂层粉末。用该涂层粉末制造的刀具重磨后硬度保持不变，提高了刀具的磨损寿命。该法将硬质合金粉末表面涂上一层Al2O3再进行烧结，实际上是一种Al2O3弥散在硬质合金中形成的复合材料，而不是在硬质合金块体表面形成一层耐磨Al2O3层。
由上可见目前的基于溶胶-凝胶法制备Al2O3涂层硬质合金的报道存在硬质合金基体两次承受高温、使用昂贵金属醇盐、基体与涂层结合力有限、工序太长等问题。
发明内容
本发明针对目前基于溶胶-凝胶法制备Al2O3涂层硬质合金中存在的问题，提出了先在硬质合金生坯上进行Al(OH)3溶胶涂层，然后涂层后的生坯进行真空烧结，在烧结过程中实现硬质合金生坯基体的致密化、Al2O3涂层的形成、涂层与基体之间协同收缩以及表面冶金结合三方面的效果。本发明的与现有的基于溶胶-凝胶法制备Al2O3涂层硬质合金的流程图如图1所示。
本发明的基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：
（1） 硬质合金生坯制备：准确称量粒度为0.4～3.0μm的各种原料粉末，配料后硬质合金的化学成分按重量百分比为，WC：50～97%，TiC：0～20%，TaC：0～15%, NbC：0～20%, Co：3～15%, 混合粉末经过球磨、过滤、干燥、掺成型剂与制粒、模压成型得到硬质合金生坯；
（2） 生坯脱成型剂：硬质合金生坯在真空烧结炉中升温到450～650℃，并保温0.5～3.5h,以脱除成型剂；
（3） Al(OH)3溶胶制备：以AlCl3为Al源，以H2O和CH3CH2OH混合液为溶剂配制溶液，H2O：CH3CH2OH体积比为0.05～0.2，AlCl3的浓度为0.01～0.5mol/L，并用CH3COOH调节pH值到3～6,溶液在磁力搅拌器中60～90℃下搅拌8～24h,得到Al(OH)3溶胶；
（4） 生坯的浸渍提拉涂层：将脱除成型剂的硬质合金生坯在Al(OH)3溶胶中浸渍提拉涂层，将涂层后的硬质合金试样于80～100℃下干燥5～10 min，涂层与干燥过程重复5～10次；
（5） 涂层生坯真空烧结：涂层生坯在真空炉中烧结，在1350～1500℃烧结温度下保温1～3h，制备出表面具有Al2O3薄膜的涂层硬质合金。
本发明的基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法，其进一步的特征在于：
（1） 硬质合金生坯制备所掺成型剂为丁钠橡胶，其加量按重量百分比占硬质合金粉末的50～120%；
（2） 脱除成型剂时升温速度为1～5℃/min,真空度为5～20Pa；
（3） AlCl3，CH3CH2OH，CH3COOH等试剂为分析纯，H2O为去离子水；
（4） 浸渍提拉涂层时，生坯每次在Al(OH)3溶胶中浸渍时间为1～10s；
（5） 涂层生坯烧结时，先以5～10℃/min升温到500～600℃并保温1～3h；然后以5～10℃/min升温到1100～1250℃并保温1～3h；再以5～10℃/min升温到1350～1500℃并保温1～3h；烧结真空度为1～5Pa。
本发明的优点在于：（1）通过在脱成型剂的生坯上进行涂层再进行烧结的方法，将涂层与基体制备在一次烧结中完成，使工序简化，成本降低，且基体不会受到反复加热的影响。（2）以价格相对低廉的AlCl3为Al源，避免了传统的溶胶-凝胶法采用昂贵的金属醇盐的缺点。（3）由于涂层形成与基体烧结一起完成，烧结过程中Al2O3涂层与硬质合金基体形成冶金结合。
附图说明
图1 基于溶胶-凝胶法制备Al2O3涂层硬质合金的流程图
具体实施方式
实例1：采用粒度1.0μm的WC，1.1μm的Co粉、1.5μm的TaC粉末配制硬质合金混合粉末，按重量百分比，硬质合金的化学成分为WC：93%, Co:6%，TaC:1%;将粉末在无水乙醇中球磨72h,经过干燥，按粉末重量的80wt%掺丁钠橡胶,制粒后模具压制成ISO CNMG120408-ZM形状的刀片生坯；生坯在500℃下保温2h脱除成型剂，升温速度为3℃/min,真空度为15Pa；然后将体积比为0.06：1的去离子水与CH3CH2OH混合作为溶剂，配制成浓度为0.1mol/L的AlCl3溶液，用CH3COOH调节pH值到3.5，所有试剂均为分析纯，溶液在磁力搅拌器中80℃下搅拌12h,得到Al(OH)3溶胶；将脱除成型剂的硬质合金生坯在Al(OH)3溶胶中浸渍3s，将涂层后的硬质合金试样于85℃下干燥10 min，涂层与干燥过程重复5次；最后将涂层后的生坯进行烧结，先以5℃/min升温到500℃并保温2h；然后以5℃/min升温到1200℃并保温1h；再以5℃/min升温到1420℃并保温1h；烧结真空度为2Pa。最终制备出表面具有Al2O3薄膜的涂层硬质合金。
实例2：采用粒度2.0μm的WC，1.8μm的（W，Ti）C 粉末（按重量百分比WC:TiC=50:50），1.2μm的Co粉、1.5μm的(Ta,Nb)C（按重量百分比TaC:NbC=80:20）粉末配制硬质合金混合粉末，按重量百分比，硬质合金的化学成分为WC：82%, TiC:5%, Co:8%，TaC:4%，NbC:1%;将粉末在无水乙醇中球磨48h,经过干燥，按粉末重量的85wt%掺丁钠橡胶,制粒后模具压制成ISO TNMG160404-ZM形状的刀片生坯；生坯在520℃下保温1.5h脱除成型剂，升温速度为4℃/min,真空度为18Pa；然后将体积比为0.1：1的去离子水与CH3CH2OH混合作为溶剂，配制成浓度为0.2mol/L的AlCl3溶液，用CH3COOH调节pH值到3.1，所有试剂均为分析纯，溶液在磁力搅拌器中90℃下搅拌24h,得到Al(OH)3溶胶；将脱除成型剂的硬质合金生坯在Al(OH)3溶胶中浸渍5s，将涂层后的硬质合金试样于95℃下干燥8 min，涂层与干燥过程重复10次；最后将涂层后的生坯进行烧结，先以10℃/min升温到500℃并保温2.5h；然后以10℃/min升温到1200℃并保温1.5h；再以5℃/min升温到1440℃并保温1.5h；烧结真空度为5Pa。最终制备出表面具有Al2O3薄膜的涂层硬质合金。
Claims (1)
1.一种基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：
（1）硬质合金生坯制备：准确称量粒度为0.4～3.0μm的各种原料粉末，配料后硬质合金的化学成分按重量百分比为，WC：50～97%，TiC：0～20%，TaC：0～15%, NbC：0～20%,Co：3～15%, 混合粉末经过球磨、过滤、干燥、掺成型剂与制粒、模压成型得到硬质合金生坯；
（2）生坯脱成型剂：硬质合金生坯在真空烧结炉中升温到450～650℃，并保温0.5～3.5h,以脱除成型剂；
（3）Al(OH)3溶胶制备：以AlCl3为Al源，以H2O和CH3CH2OH混合液为溶剂配制溶液，H2O：CH3CH2OH体积比为0.05～0.2，AlCl3的浓度为0.01～0.5mol/L，并用CH3COOH调节pH值到3～6,溶液在磁力搅拌器中60～90℃下搅拌8～24h,得到Al(OH)3溶胶；
（4）生坯的浸渍提拉涂层：将脱除成型剂的硬质合金生坯在Al(OH)3溶胶中浸渍提拉涂层，将涂层后的硬质合金试样于80～100℃下干燥5～10 min，涂层与干燥过程重复5～10次；
（5）涂层生坯真空烧结：涂层生坯在真空炉中烧结，在1350～1500℃烧结温度下保温1～3h，制备出表面具有Al2O3薄膜的涂层硬质合金。
2. 根据权利要求1所述的基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法，其进一步的特征在于：
（1）硬质合金生坯制备所掺成型剂为丁钠橡胶，其加量按重量百分比占硬质合金粉末的50～120%；
（2）脱除成型剂时升温速度为1～5℃/min,真空度为5～20Pa；
（3）AlCl3，CH3CH2OH，CH3COOH为分析纯，H2O为去离子水；
（4）浸渍提拉涂层时，生坯每次在Al(OH)3溶胶中浸渍时间为1～10s；
（5）涂层生坯烧结时，先以5～10℃/min升温到500～600℃并保温1～3h；然后以5～10℃/min升温到1100～1250℃并保温1～3h；再以5～10℃/min升温到1350～1500℃并保温1～3h；烧结真空度为1～5Pa。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110186603A CN102251234B (zh) | 2011-07-04 | 2011-07-04 | 一种基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110186603A CN102251234B (zh) | 2011-07-04 | 2011-07-04 | 一种基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102251234A CN102251234A (zh) | 2011-11-23 |
| CN102251234B true CN102251234B (zh) | 2012-10-24 |
Family
ID=44978792
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110186603A Expired - Fee Related CN102251234B (zh) | 2011-07-04 | 2011-07-04 | 一种基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102251234B (zh) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102517573B (zh) * | 2011-12-30 | 2013-10-23 | 山东理工大学 | 金属表面防护用Al2O3陶瓷涂层及其制备方法 |
| CN102618186B (zh) * | 2012-03-14 | 2013-12-18 | 无锡东精重型机床有限公司 | 机床注胶导轨复合材料 |
| CN102873015B (zh) * | 2012-10-29 | 2014-04-09 | 南京信息工程大学 | 一种金属表面处理方法 |
| CN103223578A (zh) * | 2013-04-16 | 2013-07-31 | 常熟市三骏精密刃具制造厂 | 带涂层铣刀的加工工艺 |
| CN103614713B (zh) * | 2013-12-05 | 2015-07-22 | 广西大学 | 一种铌基表面溶胶凝胶法制备复合高温涂层的方法 |
| CN105130282A (zh) * | 2015-08-07 | 2015-12-09 | 江苏塞维斯数控科技有限公司 | 用于金属激光切割机的刀具 |
| CN105177541A (zh) * | 2015-10-15 | 2015-12-23 | 四川大学 | MOD法制备Al2O3阻氚涂层的方法 |
| CN105382505A (zh) * | 2015-12-25 | 2016-03-09 | 苏州三骏工具科技有限公司 | 一种铣刀的加工工艺 |
| WO2017200021A1 (ja) * | 2016-05-17 | 2017-11-23 | 国立大学法人北海道大学 | 潜熱蓄熱体マイクロカプセルおよび潜熱蓄熱体マイクロカプセルの製造方法 |
| CN107326330B (zh) * | 2017-06-30 | 2019-03-12 | 福州大学 | 一种具有氧化铝多孔结构缓冲层的内热式一体化蒸发舟 |
-
2011
- 2011-07-04 CN CN201110186603A patent/CN102251234B/zh not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| Coatings Technology》.2006,第201卷487-491. * |
| Thomas Hubert et al..Wear resistant alumina coatings produced by a sol-gel process.《Surface & Coatings Technology》.2006,第201卷487-491. |
| Thomas Hubert et al..Wear resistant alumina coatings produced by a sol-gel process.《Surface & * |
| 陈元春等.新型陶瓷涂层硬质合金刀具的涂层机理和切削性能.《机械工程学报》.2000,第36卷(第11期),44-49. * |
| 陈元春等.溶胶-凝胶法制作陶瓷涂层硬质合金刀具.《硅酸盐学报》.2000,第28卷(第4期),352-356. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102251234A (zh) | 2011-11-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102251234B (zh) | 一种基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法 | |
| CN102268661B (zh) | 一种Al2O3/TiC复合涂层硬质合金的制备方法 | |
| CN114149260B (zh) | 一种低热导率高熵陶瓷热障涂层材料 | |
| CN103409732B (zh) | 一种金刚石表面金属化的复合处理方法 | |
| CN100551879C (zh) | 立方氮化硼表面溶胶凝胶法镀覆TiO2/Al2O3复合薄膜工艺 | |
| CN101805126B (zh) | 一种钢基体表面热障涂层及制备方法 | |
| AU2022224725B2 (en) | Preparation method of in-situ synthesized zirconia toughened alumina (ZTA) ceramic particles-reinforced steel matrix structural composite | |
| CN106735249B (zh) | 一种铌基复合材料及制备方法 | |
| CN103276389B (zh) | 氧化铝与二硼化锆增强铝基原位复合材料及其制备方法 | |
| CN101748357B (zh) | 镁合金表面的处理方法 | |
| CN107338432A (zh) | 采用气体动力喷涂制备高硅钢薄板的方法 | |
| CN112062558B (zh) | 氧化锆陶瓷的制备方法 | |
| CN102080197B (zh) | 复合材料中增强体表面涂覆的方法 | |
| CN101037333A (zh) | 一种制备氮化铝/石墨叠层复合陶瓷材料的方法 | |
| CN104987134B (zh) | 一种在陶瓷表面利用原位还原法制备镍涂层的方法 | |
| CN112299882B (zh) | 一种碳材料表面HfC基三元碳化物梯度涂层的原位制备方法 | |
| CN109231990A (zh) | 一种碳化钨-金刚石复合材料的制备方法 | |
| CN108409331A (zh) | 一种层状多孔陶瓷骨架材料的制备方法 | |
| CN115627407B (zh) | 一种zta陶瓷增强铁基复合材料的制备方法 | |
| CN102560291B (zh) | 一种金属基复合材料增强体表面纳米涂层的制备方法 | |
| CN103831222A (zh) | 一种硬质合金表面非层状氧化铝/碳化钛涂层的制备 | |
| CN102976755B (zh) | Ti(C,N)陶瓷的激光熔覆制备工艺 | |
| CN103820695A (zh) | 基于液相烧结过程的Al2O3/TiC涂层硬质合金制备方法 | |
| CN107190261A (zh) | 一种高温抗氧化铌合金表面复合硅化物涂层及制备方法 | |
| CN108085526A (zh) | 一种低密度铌基复合材料及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121024 Termination date: 20140704 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |