CN104313530B - 一种硬质合金表面纳米涂层及其制备方法 - Google Patents

一种硬质合金表面纳米涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种硬质合金表面纳米涂层及其制备方法，涉及材料技术领域，涂层为Ti‑Al‑Zr涂层，涂层厚度为0.1‑3um；在Ti‑Al‑Zr中Ti的物质的量含量为20‑35%；Al的物质的量含量为35‑55%；余量为Zr；在Ti、Al和Zr的氧化物上通过包覆有两层纳米层；第一层为镍纳米粒子层；第二层为二氧化硅非晶纳米层。一种的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，采用了化学气相沉积和热喷法相结合的方式。本发明提供的硬质合金表面纳米涂层及其制备方法，涂层具有较高的强度、韧性和热稳定性。

Description

一种硬质合金表面纳米涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种高稳定性能的硬质合金表面纳米涂层及其制备方法。
背景技术
在硬质合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiC或TiN、HfN、氧化铝等薄层，形成表面涂层硬质合金。
硬质合金涂层的优点：(1)由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性，故与未涂层硬质合金相比，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，从而提高了加工效率；或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。(2)由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故与未涂层刀片相比，涂层刀片的切削力有一定降低。(3)涂层刀片加工时，已加工表面质量较好。(4)由于综合性能好，涂层刀片有较好的通用性。
申请号为201110310618.4的专利文献“一种TiAlN涂层硬质合金刀片”，公开了一种硬质合金涂层刀片，以超细WC-Co硬质合金刀片作为涂覆TiAlN涂层的基体,采用低温物理气相沉积(PVD)法涂覆高硬度的TiAlN单层涂层,制备出高性能的TiAlN涂层刀片。该方法制备出TiAlN涂层表面生成高强度的氧化物(刚玉),涂层中的Ti含量控制在30-40％左右,Al含量控制在10％～13％之间,刃口的锋利性的锋利性得到保持。该方法不同于传统的化学气相沉积法，而是采用了物理沉积法，得到的硬质合金涂层具有硬度高、摩擦系数小等特点，但是存在氧化温度低、附着力小等缺陷，不利于长期使用。
申请号为201010192876.2的专利文献“硬质合金上的高硬度纳米复合涂层”，公开了一种纳米复合涂层，具体描述了在硬质合金切削工具或其他工件衬底上通过形成多晶金刚石涂层或包括耐火金属碳化物和多晶金刚石的复合涂层来产生粘合表面涂层的方法。通过顺序的化学气相沉积工艺沉积该涂层,首先使用特定的氢气和耐火金属卤化物的气体混合物来沉积耐火金属碳化物的基层。这一步随后是第二步,在第二步中,从包括烃和氢气的气体混合物中沉积多晶金刚石。也设想了在第二步中共沉积耐火金属碳化物和金刚石以产生强化的金刚石涂层。由此可知，该技术方案是通过化学气相沉积工艺在硬质合金表面沉积金刚石涂层，以提高硬质的硬度和耐磨性能，经过沉积以后形成的金刚石涂层具有极高的硬度和强度，能够显著提高硬质合金的切削能力。但是这种沉积可能并不能有效的保持基体和涂层之间的紧密关系，故而不利于长久使用。
发明内容
本发明解决的技术问题：针对现有技术的缺陷，克服现有技术的不足，本发明提供一种硬质合金表面纳米涂层及其制备方法。
本发明的技术方案：一种硬质合金表面纳米涂层：
涂层为Ti-Al-Zr涂层，涂层厚度为0.1-3um；
其中，在Ti-Al-Zr中Ti的物质的量含量为20-35％；Al的物质的量含量为35-55％；余量为Zr；
其中，在Ti、Al和Zr的氧化物上通过包覆有两层纳米层；
第一层为镍纳米粒子层；
第二层为二氧化硅非晶纳米层。
一种的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如下：
(1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
(2)以二氧化硅和镍的有机挥发性化合物作为气相沉积反应的前驱体；
(3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
(4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过热喷法进行喷涂，即得到硬质合金表面纳米涂层。
作为优选，二氧化硅的前驱体为正硅酸乙酯。
作为优选，镍的前驱体为二茂镍。
作为优选，粉体包覆的二氧化硅纳米非晶体的厚度为100-200nm。
作为优选，粉体包覆的金属镍纳米粒子层的厚度为50-150nm。
有益效果：本发明提供的硬质合金表面纳米涂层及其制备方法，是Ti-Al-Zr涂层，该涂层具有较高的强度、韧性和热稳定性。为制备这种涂层，本发明采用了化学气相沉积和热喷法相结合的方式。首先，以氧化钛、氧化锆和氧化铝为基体材料，以二氧化硅和镍为包覆材料，采用化学气相沉积技术，将二氧化硅和镍包覆在氧化钛、氧化锆和氧化铝之上，而后通过热喷法，等离子喷涂或高温火焰喷涂在硬质合金上形成一层涂层，这种纳米涂层与硬质合金表面通过粒子间的作用，连接紧密，能够有效的提高硬质合金的强度和热稳定性，同时具有较好的耐磨性能。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1：
根据本发明提供的制备方法制备硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如下：
(1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
其中Ti的物质的含量为20％；Al的物质的量含量为35％；Zr物质的量含量为45％；
(2)以正硅酸乙酯为二氧化硅的前驱体，以二茂镍作为镍的前驱体；
(3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
其中，控制二氧化硅纳米非晶体的厚度120nm；控制金属镍纳米粒子层的厚度为150nm；
(4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过高速火焰喷涂法进行喷涂，即得到硬质合金表面纳米涂层，涂层厚度为1um。
实施例2：
根据本发明提供的制备方法制备硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如下：
(1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
其中Ti的物质的含量为35％；Al的物质的量含量为55％；Zr的物质的量含量为10％；
(2)以正硅酸乙酯为二氧化硅的前驱体，以二茂镍作为镍的前驱体；
(3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
其中，控制二氧化硅纳米非晶体的厚度为100nm；控制金属镍纳米粒子层的厚度为120nm；
(4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过高速火焰喷涂法进行喷涂，即得到硬质合金表面纳米涂层，涂层厚度为1um。
实施例3：
根据本发明提供的制备方法制备硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如下：
(1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
其中Ti的物质的含量为30％；Al的物质的量含量40％；Zr的物质的量含量30％；
(2)以正硅酸乙酯为二氧化硅的前驱体，以二茂镍作为镍的前驱体；
(3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
其中，控制二氧化硅纳米非晶体的厚度为200nm；控制金属镍纳米粒子层的厚度为100nm；
(4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过高速火焰喷涂法进行喷涂，即得到硬质合金表面纳米涂层，涂层厚度为1um。
实施例4：
根据本发明提供的制备方法制备硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如下：
(1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
其中Ti的物质的含量为34％；Al的物质的量含量为47％；Zr的物质的量含量为19％；
(2)以正硅酸乙酯为二氧化硅的前驱体，以二茂镍作为镍的前驱体；
(3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
其中，控制二氧化硅纳米非晶体的厚度为150nm；金属镍纳米粒子层的厚度为100nm；
(4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过高速火焰喷涂法进行喷涂，即得到硬质合金表面纳米涂层，涂层厚度为0.1um。
实施例5：
根据本发明提供的制备方法制备硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如下：
(1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
其中Ti的物质的含量为25％；Al的物质的量含量为40％；Zr的物质的量含量为35％；
(2)以正硅酸乙酯为二氧化硅的前驱体，以二茂镍作为镍的前驱体；
(3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
其中，控制二氧化硅纳米非晶体的厚度为150nm；金属镍纳米粒子层的厚度为120nm；
(4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过等离子喷涂法进行喷涂，即得到硬质合金表面纳米涂层，涂层厚度为3um。
申请号为201110310618.4的专利文献“一种TiAlN涂层硬质合金刀片”公开的技术方案制备TiAlN涂层，为对照组；测定上述实施例和对照组纳米涂层的性能。
测试对实施例1-5和对照组纳米涂层的强度和摩擦系数，结果如表1所示：
表1 纳米陶瓷涂层强度和韧性测定
由上表可知，室温时，实施例1-5的强度均优于对照组，其中实施例2的强度最优；随着温度的升高，实施例组和对照组的强度都有所下降，其中，在300-500℃时，实施例1-5和对照组的强度下降并不明显；在500-700℃时，对照组下降明显，下降浮动将近30％，实施例1-5下降幅度有所增强，基本下降15％。在摩擦系数上，对照组为0.15，显著高于实施例1-5，且差异较为显著，其中实施例1和实施例5的摩擦系数最小。
综上所述，本发明硬质合金表面纳米涂层及其制备方法提供的纳米涂层具有较高的强度和较低的摩擦系数，同时具有较好的高温稳定性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
（1）称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
（2）以二氧化硅和镍的有机挥发性化合物作为气相沉积反应的前驱体；
（3）将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
（4）将包覆后的粉体材料混合均匀，通过热喷法进行喷涂，即得到硬质合金表面纳米涂层；
其中，硬质合金表面纳米涂层为Ti-Al-Zr涂层；其中，Ti-Al-Zr中Ti的物质的量含量为20-35%；Al的物质的量含量为35-55%；余量为Zr；
其中，涂层厚度为0.1-3μm。
2.根据权利要求1所述的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在于：二氧化硅的前驱体为正硅酸乙酯。
3.根据权利要求1所述的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在于：镍的前驱体为二茂镍。
4.根据权利要求1所述的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在于：粉体包覆的二氧化硅纳米非晶体的厚度为100-200nm。
5.根据权利要求1所述的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在于：粉体包覆的金属镍纳米粒子层的厚度为50-150nm。
6.根据权利要求1所述的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在于：步骤（4）中Ti的物质的量含量为25-30%。
7.根据权利要求1所述的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在于：步骤（4）中Ti、Al和Zr的物质的量比为1-2：0.5-1.5：1。
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