CN103334041B - 一种具有表面涂层的硬质合金及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有表面涂层的硬质合金及其制备工艺，以硬质合金为基体，在其表面烧结过渡层；制备内层涂层、中间层涂层和外层涂层。制备涂层采用CVD技术，制备过渡层采用热压烧结技术。利用本发明技术可有效解决现有技术中存在的切削工具表面涂层容易从基体剥离失效的问题，可有效提高基体与涂层之间的结合力，提高基体碳化钨的强韧性，达到强度和韧性的一体化，实现高端耐磨耐高温涂层工具的制备，可以广泛用于碳钢、低合金钢、高合金钢等材料的加工。
Description
技术领域
本发明属于硬质合金技术领域，具体涉及一种具有表面涂层的硬质合金及其制备工艺。
背景技术
硬质合金涂层工具在工具量具、硬质材料加工等领域得到了广泛地应用。涂层工具通常以氮化钛、碳化钛、氮碳化钛或氧化铝等作为涂层，利用化学气相沉积或物理气相沉积方法制备，近年与纳米技术相结合，得到了性能更加优异的涂层材料，使用温度可超过700℃。为了满足实际工业需求，增强工具使用强韧性和使用寿命，增加涂层厚度是常见的解决方案。
然而，随着涂层厚度的增加，发生晶粒粗化现象，涂层表面粗糙度增加，涂层表面的凹凸加剧会增加工件碎屑尖端的局部应力，降低刀具强韧性，加速磨损，缩短使用寿命。此外，切削过程伴随着冷焊破碎过程，其本身就是不均匀应力集中的过程，会引起涂层剥落。
为了解决这些问题，提出了很多实用技术，VeitSchier提出了一种在较高粘结相基体上制备的氧化铝和氮化物结合的PVD涂层(US20070059559)，粘结相钴的含量范围12-14%，晶粒尺寸小于1.5μm，优选晶粒尺寸小于1μm。灰铸铁切削实验证实：抗裂性能优于普通涂层。Tokukouhei（5-49750）提出的日本专利将中间的氧化铝层分解为多层，解决了较厚涂层晶粒粗化的问题，这种通过控制层厚的方式控制晶粒粗化的技术虽然减小了晶粒尺寸，同时也增加了层与层之间的界面数量，容易在界面引起剥离，特别是涂层与基体之间，较弱的结合力和脆硬的基体材料使涂层在各种应力作用下容易从基体剥离，使整个涂层失效。
发明内容
针对现有技术所存在的上述问题，本发明的目的是提供具有表面涂层的硬质合金及其制备工艺。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种具有表面涂层的硬质合金，其特征在于，包括硬质合金基体和涂层，所述涂层从外到内依次为氮碳化钛、氧化铝或氧化锆以及元素周期表中IVa、Va、VIa元素的碳化物、氮化物或硼化物的一种，涂层与硬质合金基体间为镍粉或钴粉与碳化钛粉或碳化钨粉的烧结层。
所述硬质合金基体为高粘结相硬质合金，粘结相为钴或镍中的一种，含量20-40wt%，强化相为微米级碳化钨，含量80-60wt%，优选地，所述硬质合金其成分为24.2wt%钴、75.8wt%碳化钨。
镍粉或钴粉与碳化钛或碳化钨的质量比或物质的量比为45:55～60:40。
上述具有表面涂层的硬质合金的制备工艺具体包括以下步骤：
（1）以硬质合金为基体，在其表面烧结一层0.5-1μm的过渡层：将镍粉或钴粉与碳化钛粉或碳化钨粉混合均匀，制成压坯置于基体上，然后将其置于惰性气体氛下在1350-1400℃、110-120MPa下烧结1.5-2.5h，炉冷至250-300℃，空冷至室温；
（2）制备内层涂层：采用CVD技术，在800-900℃下，在过渡层表面制备一层3-9μm的内层涂层，所述内层涂层为元素周期表中IVa、Va、VIa元素的碳化物、氮化物或硼化物的一种；
（3）制备中间层涂层：采用与步骤（2）相同的工艺在内层涂层的表面制备一层2-10μm的中间层涂层，所述中间层涂层为氧化铝或者氧化锆；
（4）制备外层涂层：采用与步骤（2）相同的工艺在内层涂层的表面制备一层0.5-3μm的外层涂层，所述外层涂层为氮碳化钛TiCN。
利用本发明技术可有效解决现有技术中存在的切削工具表面涂层容易从基体剥离失效的问题，可有效提高基体与涂层之间的结合力，提高基体碳化钨的强韧性，达到强度和韧性的一体化，实现高端耐磨耐高温涂层工具的制备，可以广泛用于碳钢、低合金钢、高合金钢等材料的加工。
附图说明
图1为利用CVD技术制备的高粘结相硬质合金表面涂层横截面微观组织及涂层组成。
图2为涂层外层Ti(C,N)表面微观组织（100×）。
图3为涂层外层Ti(C,N)表面涂层XRD相分析。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细、完整地说明。
实施例1
选择尺寸为35×20×8mm的硬质合金铣刀工具作为基体，其成分为，24.2%钴、75.8%碳化钨，在基体表面烧结1μm厚的镍和碳化钛的复合过渡层，其烧结工艺为：将镍粉和碳化钛按照40:60的比例混合均匀并制成压坯置于硬质合金基体上，置于惰性气体保护的烧结炉中烧结制备过渡层，烧结温度1375℃，压力115MPa，烧结时间2h，炉冷至300℃，空冷至室温备用；利用CVD技术（加工温度850℃）在过渡层表面制备内层厚度为3-9μm的TiN涂层；采用同样的工艺步骤，分别制备中间层厚度为2-10μm的Al2O3涂层、厚度为0.5-3μm的外层Ti(C,N)。
取样，制备涂层表面试样和沿横截面剖切试样，进行宏微观及相组成分析。图1为利用CVD技术制备的高粘结相硬质合金表面涂层横截面微观组织及涂层组成；经检测：内层TiN涂层厚度为8.19μm；中间层Al2O3涂层厚度为7.59μm、外层Ti(C,N)涂层厚度为2.17μm。图2为涂层外层Ti(C,N)表面分析，图2涂层外层Ti(C,N)表面微观组织（100×）；10μm范围表面粗糙度小于0.4μm；图3为涂层外层Ti(C,N)表面涂层XRD相分析，XRD测试结果表明，涂层外层Ti(C,N)为面心立方晶格的TiC0.2N0.8，也发现少量的Al2O3，这是由于XRD测试能够探测一定厚度的范围，测试结果包含了α-Al2O3的特征。
为了检测本发明涂层（A组）的使用性能，实施例采用普通CVD涂层作为对照组（B组，普通粘结相基体的Ti(C,N)涂层）进行对比分析，加工条件为：加工工件45#碳钢，切削速度100m/min；旋转速度1600rev/min；进给速度500mm/min；切削深度50mm；持续切削寿命时间，A组89min，B组45min。A组涂层无明显开裂剥落现象，B组有部分涂层剥落。
实施例2
选择35×20×8mm厚硬质合金铣刀工具作为基体，其成分为，30%钴、70%碳化钨，在基体表面烧结1μm厚的镍和碳化钛的复合过渡层(镍、碳化钛比例40:60)；采用CVD技术（加工温度850℃）在过渡层表面制备内层厚度8.23μm的TiN涂层、厚度为7.53μm的中间层Al2O3涂层、厚度为2.21μm的外层TiC0.2N0.8。
为了检测本发明涂层（A组）的使用性能，实施例采用普通CVD涂层作为对照组（B组，普通粘结相基体的TiCN涂层）进行对比分析，尺寸35×20×8mm，共24个，加工条件为：不锈钢，工件尺寸5m×6m×50mm，切削速度200m/min；旋转速度120r/min；切削深度50mm；检测结果，A组涂层可切削数量提高16%。
最后有必要在此指出的是：以上内容只用于对本发明的技术方案作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种具有表面涂层的硬质合金的制备工艺，所述硬质合金包括硬质合金基体和涂层，所述涂层从外到内依次为氮碳化钛、氧化铝或氧化锆以及TiN，涂层与硬质合金基体间为镍粉或钴粉与碳化钛粉或碳化钨粉的烧结层；镍粉或钴粉与碳化钛或碳化钨的质量比或物质的量比为45:55～60:40，其特征在于，所述制备工艺包括以下步骤：
(1)以硬质合金为基体，在其表面烧结一层0.5-1μm的过渡层：将镍粉或钴粉与碳化钛粉或碳化钨粉混合均匀，制成压坯置于基体上，然后将其置于惰性气体氛下在1350-1400℃、110-120MPa下烧结1.5-2.5h，炉冷至250-300℃，空冷至室温；
(2)制备内层涂层：采用CVD技术，在800-900℃下，在过渡层表面制备一层3-9μm的内层涂层，所述内层涂层为TiN；
(3)制备中间层涂层：采用与步骤(2)相同的工艺在内层涂层的表面制备一层2-10μm的中间层涂层，所述中间层涂层为氧化铝或者氧化锆；
(4)制备外层涂层：采用与步骤(2)相同的工艺在内层涂层的表面制备一层0.5-3μm的外层涂层，所述外层涂层为氮碳化钛TiCN。
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