CN106637130A - 一种硬质合金刀片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硬质合金刀片，所述硬质合金刀片的表面涂有TiN‑Ti(C,N)过渡层，在TiN‑Ti(C,N)过渡层上镀有金刚石涂层。该TiN‑Ti(C,N)过渡层和金刚石涂层通过化学气象沉积法沉积得到。制备得到的硬质合金刀具通过涂有过渡层和金刚石层，保证了硬质合金刀具的硬度及抗磨损能力，具有极大的应用性能。且涂层之间的结合力高，不易发生爆裂或脱落现象，涂层与基体之间也具有很好的附着力，为提高硬质合金刀具的性能提供了工艺保证。

Description

一种硬质合金刀片及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，具体地说，涉及一种硬质合金刀片及其制备方法。
背景技术
理想的刀片涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定(不与工件材料发生化学反应)、耐热耐氧化、摩擦系数低，以及与基体附着牢固等要求。显然，单一的二元涂层材料的涂层很难满足上述要求。目前正在不断在寻求新型涂层以及增强涂层性能的方法，以满足实际需要。所以硬质合金涂层材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。
涂层刀片作为刀具材料的一个重要的发展方向，应用日益广泛。它在拥有与硬质合金材料相近的强韧性的同时，耐磨性是未涂层刀具的几倍至十几倍，并且使加工效率显著提高。理想的硬质合金涂层材料要求有高的硬度、韧性、红硬性，良好的化学稳定性及低的摩擦系数。而目前的硬质合金涂层材料在硬度、韧性和耐磨性的综合性能方面不能满足现在的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种硬质合金刀片及其制备方法。该刀片通过涂有的涂层材料，达到高硬度、高耐磨性的效果。
本发明具体的技术方案如下：
本发明提供了一种硬质合金刀片，所述硬质合金刀片的表面涂有TiN-Ti(C,N)过渡层，在TiN-Ti(C,N)过渡层上镀有金刚石涂层。
优选的，所述TiN的厚度为0.2～0.7μm，所述Ti(C,N)的厚度为3～5μm。
优选的，所述金刚石的涂层厚度为10～20μm。
本发明还提供上述硬质合金刀片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用化学气象沉积法在基体表面涂TiN-Ti(C,N)过渡层；
(2)上述硬质合金刀具经丙酮清洗脱水后，放入化学气相沉积金刚石生长设备中进行金
刚石涂层。
其中，步骤(1)中，所述化学气象沉积法在基体表面涂TiN-Ti(C,N)过渡层的具体方法为：
(1.1)釆用N2、H2、TiCl4反应气体体系制备TiN涂层，沉积温度为900～1000℃，沉积室压力为5～20MPa，1～2h后完成TiN涂层的沉积；
(1.2)釆用TiCl4、CH3CN为Ti源和C、N源，采用H2为载气在TiN涂层表面制备Ti(C,N)涂层，具体参数为：沉积温度800～900℃，沉积时间1～4h，沉积室压力5～20MPa；CH3CN、TiCl4和H2的体积比为1～2:2～3:100。
其中，步骤(2)中，所述金刚石涂层的具体步骤包括：
(2.1)把涂有TiN-Ti(C,N)过渡层的硬质合金刀片放入化学气相沉积金刚石生长设备的真空室，使刀具顶端距离电阻丝3mm-4mm；
(2.2)打开冷却水系统，先抽真空到10托，然后打开热丝电源，加电流达到600A时，打开氢气质量流量计，流量为900～1000SDDM；打开甲烷质量流量计，流量为250～300SDDM；
(2.3)3～4小时后减小电流，关闭甲烷流量计，20分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，1-1.5小时后关闭冷却系统，完成在TiN-Ti(C,N)过渡层表面镀制一层厚度为10～20um的金刚石膜。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明中采用化学气象沉积法在硬质合金刀片的表面涂有TiN-Ti(C,N)过渡层和金刚石涂层。通过确定载气源和碳源、氮源及钛原，确定了化学气象沉积法的工艺参数。制备得到的硬质合金刀具通过涂有过渡层和金刚石层，保证了硬质合金刀具的硬度及抗磨损能力，具有极大的应用性能。且涂层之间的结合力高，不易发生爆裂或脱落现象，涂层与基体之间也具有很好的附着力，为提高硬质合金刀具的性能提供了工艺保证。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明在硬质合金刀片上采用化学气象沉积法先在基体表面涂TiN-Ti(C,N)过渡层，再在TiN-Ti(C,N)过渡层上涂金刚石涂层。采用TiN涂层做为基底层可有效减小涂层刀具抗弯强度的下降幅度，从而增大涂层刀具的抗冲击初性，提高涂层刀具的使用性能。采用Ti(C,N)作为主涂层时得到的复合涂层的耐磨性能好，軔性高，抗热震性能也好。在使用时，即使刀具刃口部分温度很高，也不容易产生热裂纹，有效地延长了刀具的使用寿命。在这样的过渡层上再进行化学气象沉积金刚石涂层，既能保证硬质合金刀具原有的强度和锋利度，又可以通过金刚石涂层，大幅度提高刀具的耐磨性，加工效率和使用寿命。
实施例1
通过供气系统将H2和N2输送至CVD反应器中，由气体质量流量计测量调节其流速。也太的TiCl4由液体质量流量计测量和调节，导入蒸发器中加热蒸发，并由H2或Ar作为载气将其送到反应器中。蒸发器的压力设定为10MPa，并由压力仪表测量控制。调整N2、TiCl4、H2的体积比为2.5:2.9:100。将硬质合金刀片基体放入CVD反应器中，调整反应器的温度为920℃，1h后完成TiN涂层的沉积，其厚度为0.5μm。
将供气系统更改为H2，蒸发器中流入TiCl4、CH3CN加热蒸发，保持蒸发器的压力不变，由H2或Ar作为载气将其送到反应器中。调整CH3CN、TiCl4和H2的体积比为1:2:100，3h后完成Ti(C,N)涂层的沉积，其厚度为3μm。
上述硬质合金刀片经丙酮清洗脱水后再放入化学气相沉积金刚石生长设备中进行金刚石涂层，即可得到具有TiN-Ti(C,N)过渡层的硬质合金刀具。
实施例2
通过供气系统将H2和N2输送至CVD反应器中，由气体质量流量计测量调节其流速。也太的TiCl4由液体质量流量计测量和调节，导入蒸发器中加热蒸发，并由H2或Ar作为载气将其送到反应器中。蒸发器的压力设定为5MPa，并由压力仪表测量控制。调整N2、TiCl4、H2的体积比为2.1:2.2:100。将硬质合金刀片基体放入CVD反应器中，调整反应器的温度为980℃，2h后完成TiN涂层的沉积，其厚度为0.7μm。
将供气系统更改为H2，蒸发器中流入TiCl4、CH3CN加热蒸发，保持蒸发器的压力不变，由H2或Ar作为载气将其送到反应器中。调整CH3CN、TiCl4和H2的体积比为1.7:2.5:100，5h后完成Ti(C,N)涂层的沉积，其厚度为5μm。
上述硬质合金刀片经丙酮清洗脱水后再放入化学气相沉积金刚石生长设备中进行金刚石涂层，即可得到具有TiN-Ti(C,N)过渡层的硬质合金刀具。
实施例3
通过供气系统将H2和N2输送至CVD反应器中，由气体质量流量计测量调节其流速。也太的TiCl4由液体质量流量计测量和调节，导入蒸发器中加热蒸发，并由H2作为载气将其送到反应器中。蒸发器的压力设定为20MPa，并由压力仪表测量控制。调整N2、TiCl4、H2的体积比为2.7:2.0:100。将硬质合金刀片基体放入CVD反应器中，调整反应器的温度为950℃，1.5h后完成TiN涂层的沉积，其厚度为0.4μm。
将供气系统更改为H2，蒸发器中流入TiCl4、CH3CN加热蒸发，保持蒸发器的压力不变，由H2作为载气将其送到反应器中。调整CH3CN、TiCl4和H2的体积比为1.7:2.4:100，4h后完成Ti(C,N)涂层的沉积，其厚度为4μm。
上述硬质合金刀片经丙酮清洗脱水后再放入化学气相沉积金刚石生长设备中进行金刚石涂层，即可得到具有TiN-Ti(C,N)过渡层的硬质合金刀具。
上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种硬质合金刀片，其特征在于，所述硬质合金刀片的表面涂有TiN-Ti(C,N)过渡层，在TiN-Ti(C,N)过渡层上镀有金刚石涂层。
2.根据权利要求1所述的硬质合金刀片，其特征在于，所述TiN的厚度为0.2～0.7μm，所述Ti(C,N)的厚度为3～5μm。
3.根据权利要求1所述的硬质合金刀片，其特征在于，所述金刚石的涂层厚度为10～20μm。
4.一种硬质合金刀片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用化学气象沉积法在基体表面涂TiN-Ti(C,N)过渡层；
(2)上述硬质合金刀具经丙酮清洗脱水后，放入化学气相沉积金刚石生长设备中进行金刚石涂层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述化学气象沉积法在基体表面涂TiN-Ti(C,N)过渡层的具体方法为：
(1.1)釆用N2、TiCl4、H2反应气体体系制备TiN涂层，其体积比为2～3:2～3:100沉积温度为900～1000℃，沉积室压力为5～20MPa，1～2h后完成TiN涂层的沉积；
(1.2)釆用TiCl4、CH3CN为Ti源和C、N源，采用H2为载气在TiN涂层表面制备Ti(C,N)涂层，具体参数为：沉积温度800～900℃，沉积时间1～4h，沉积室压力5～20MPa；CH3CN、TiCl4和H2的体积比为1～2:2～3:100。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述金刚石涂层的具体步骤包括：
(2.1)把涂有TiN-Ti(C,N)过渡层的硬质合金刀片放入化学气相沉积金刚石生长设备的真空室，使刀具顶端距离电阻丝3mm-4mm；
(2.2)打开冷却水系统，先抽真空到10托，然后打开热丝电源，加电流达到600A时，打开氢气质量流量计，流量为900～1000SDDM；打开甲烷质量流量计，流量为250～300SDDM；
(2.3)3～4小时后减小电流，关闭甲烷流量计，20分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，1-1.5小时后关闭冷却系统，完成在TiN-Ti(C,N)过渡层表面镀制一层厚度为10～20um的金刚石膜。
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