CN107130221B - 一种硬质合金多层梯度稀土复合涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硬质合金多层梯度稀土复合涂层及其制备方法，该硬质合金多层梯度稀土复合涂层,包括：硬质合金为基体材料，含有TiCrN、TiAlN、TiBN和TiSiN涂层，以及稀土复合涂层，所述涂层呈多层梯度涂层，该涂层可以显著提高硬质合金的抗氧化性能、抗冲击性能、断裂韧性和抗弯强度，改善硬质合金的耐磨性和硬度，延长刀具在正常磨损条件下的使用寿命。

Description

一种硬质合金多层梯度稀土复合涂层的制备方法
技术领域
本发明属于硬质合金材料及制造技术领域，涉及一种硬质合金多层梯度稀土复合涂层的制备方法。
背景技术
随着现代机械加工工业朝着高精度、高速切削、绿色干式切削以及降低成本等方向的发展，人们对硬质合金刀具提出了越来越高的要求。在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。为了改善硬质合金刀具的切削加工性能，通常在刀具基体上溅射一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜组成的涂层，能显著地提高切削加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。近几年来，刀具涂层已发展为添加多种功能化元素(抗磨损、低摩擦、耐氧化)，具有多种结构(纳米多层、纳米复合、梯度或多层结构等)的复合涂层。早期利用物理气相沉积技术制备的硬质涂层材料，通常是简单的TiN、TiC涂层，具有较高的抗机械磨损、抗磨粒磨损性能和较低的摩擦系数，但涂层的高温抗氧化性较低，在高速加工或干切削的条件下效果不够理想。近年来，在TiN涂层中添加Cr、Al、B、Si等元素形成多组元的多元涂层，如TiCrN、TiAlN、TiBN、TiSiN等涂层，显微硬度达到HV3000，具有比TiN、TiC涂层更高的抗机械磨损、抗磨粒磨损性能，且涂层的应用温度也可提高到800℃以上。虽然这些多元涂层有效提高了刀具的抗机械磨损性能，但仍不能满足现代高速加工对刀具更好性能的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种硬质合金多层梯度稀土复合涂层及其制备方法，可以显著提高提高硬质合金的抗氧化性能、抗冲击性能、断裂韧性和抗弯强度，改善硬质合金的耐磨性和硬度，延长刀具在正常磨损条件下的使用寿命，并且成本低廉，适合工业化生产与应用。
本发明的一种硬质合金多层梯度稀土复合涂层,包括：硬质合金为基体材料，含有TiCrN、TiAlN、TiBN和TiSiN涂层，以及稀土涂层，所述涂层呈多层梯度复合涂层，其中，稀土涂层涂于硬质合金表面以及TiCrN、TiAlN、TiBN和TiSiN涂层之间。
上述本发明的涂层，所述硬质合金为WC、WC-Co、WC-Ni等，所述涂层从内到外次序为TiCrN、TiAlN、TiBN和TiSiN，所述TiCrN、TiAlN、TiBN和TiSiN涂层的厚度分别为3-5μm、6-12μm、7-15μm、10-30μm，所述TiCrN：TiAlN：TiBN：TiSiN涂层的质量比为0.5-1.0：1.0-1.5：1.5-3.0：2.0-5.0,所述稀土复合涂层的材料为稀土元素Y、La、Ta和Sc中的任意一种，稀土涂层的质量不超过其覆盖涂层质量的5％，优选3.5％。
本发明的一种制备硬质合金多层梯度稀土复合涂层的方法，包括：a)以硬质合金作为基材b)以TiN、TiC、Cr、Al、B和Si以及选自Y、La、Ta和Sc的稀土元素作为涂层材料，c)采用磁控溅射方法，以梯度涂层方式，在合金表面依次沉积纳米稀土涂层、TiCrN涂层、稀土涂层、TiAlN涂层、稀土涂层、TiBN涂层、稀土涂层、TiSiN涂层，其中，所述TiCrN、TiAlN、TiBN、TiSiN涂层的厚度为3-5μm、6-12μm、7-15μm、10-30μm，所述TiCrN：TiAlN：TiBN：TiSiN的质量比为0.5-1.0：1.0-1.5：1.5-3.0：2.0-5.0,所述稀土复合涂层的材料为稀土元素Y、La、Ta和Sc中的任意一种，稀土涂层的质量不超过其覆盖涂层质量的5％，优选3.5％。
上述本发明的方法，所述磁控溅射的工作气压1.5-2.0Pa，氩气流量35-50ml/min，氮气流量2.5-3.5ml/min，靶基距50±5mm，溅射温度500-600℃，真空度高于2.0×10-3Pa，溅射功率120-200W，时间15-45min或根据实际需要涂层的面积大小和厚度确定实际所需时间。稀土靶材中稀土元素Y、La、Ta、Sc选取任意一种，质量百分比不超过5％，优选3.5％。
在硬质合金基体上利用磁控溅射的方法沉积TiCrN、TiAlN、TiBN、TiSiN和稀土材料的梯度复合涂层，通过合理控制TiCrN、TiAlN、TiBN、TiSiN涂层的厚度和稀土涂层质量的配比,涂层最佳厚度分别是3.5μm、8μm、10μm、20μm，稀土材料涂层的优选质量百分比为3.5％、优选磁控溅射工艺参数：溅射功率150W，工作气压1.5Pa，氩气流量40ml/min，氮气流量3.0ml/min，溅射温度580℃等，成功制备一种多层梯度稀土复合硬质合金涂层。
表中对比了单一涂层，TiCrN、TiAlN、TiBN和TiSiN多层复合涂层，TiCrN、TiAlN、TiBN和TiSiN多层梯度稀土复合涂层，三种类型涂层的硬度和耐磨性能。对比结果表明本发明的多层梯度稀土复合涂层的硬度显著提高，耐磨性能更优。
表 单一涂层，非稀土多层复合涂层和多层梯度稀土复合涂层性能对比
附图说明
图1是技术方案流程图即硬质合金多层梯度稀土复合涂层示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，而且通过以下实施例本领域技术人员即可以实现本发明，但不以任何形式限制本发明的范围。
实施例1WC硬质合金多层梯度稀土复合涂层的制备
制备工艺如下：
a)以硬质合金WC作为基体材料；
b)以TiN、TiC、Cr、Al、B和Si以及稀土元素Y作为涂层材料；
c)采用磁控溅射方法，磁控溅射工艺参数：溅射功率150W，工作气压1.5Pa，氩气流量40ml/min，氮气流量3.0ml/min，溅射温度580℃真空度高于2.0×10-3Pa，靶基距50±5mm；
d)启动相应涂层材料按钮，梯度涂层方式，依次在合金表面沉积纳米稀土Y涂层(为TiCrN涂层质量的3.5％)、TiCrN涂层3.5μm、稀土Y涂层(为TiAlN涂层质量的3.3％)、TiAlN涂层8μm、稀土Y涂层(为TiBN涂层质量的3.2％)TiBN涂层10μm、稀土Y涂层(为TiSiN涂层质量的3.5％)TiSiN涂层20μm。
实施例2WC-Co硬质合金多层梯度稀土复合涂层的制备
制备工艺如下：
a)以硬质合金WC-Co作为基材；
b)以TiN、TiC、Cr、Al、B和Si以及稀土元素La作为涂层材料；
c)采用磁控溅射方法，磁控溅射工艺参数：溅射功率150W，工作气压1.5Pa，氩气流量40ml/min，氮气流量3.0ml/min，溅射温度580℃，真空度高于2.0×10-3Pa，靶基距50±5mm；
d)启动相应涂层材料按钮，梯度涂层方式，依次在合金表面沉积纳米稀土La涂层(为TiCrN涂层质量的3.2％)、TiCrN涂层3.5μm、稀土La涂层(为TiAlN涂层质量的3.1％)、TiAlN涂层8μm、稀土La涂层(为TiBN涂层质量的2.8％)TiBN涂层10μm、稀土La涂层(为TiSiN涂层质量的3.3％)TiSiN涂层20μm。
实施例3WC-Ni硬质合金多层梯度稀土复合涂层的制备
制备工艺如下：
a)以硬质合金WC-Ni作为基材；
b)以TiN、TiC、Cr、Al、B和Si以及稀土元素Ta作为涂层材料；
c)采用磁控溅射方法，磁控溅射工艺参数：溅射功率200W，工作气压2Pa，氩气流量50ml/min，氮气流量3.5ml/min，溅射温度600℃，真空度高于2.0×10-3Pa，靶基距50±5mm；
d)启动相应涂层材料按钮，梯度涂层方式，依次在合金表面沉积纳米稀土Ta涂层(为TiCrN涂层质量的3.5％)、TiCrN涂层5μm、稀土Ta涂层(为TiAlN涂层质量的3.4％)、TiAlN涂层6μm、稀土Ta涂层(为TiBN涂层质量的3.5％)TiBN涂层15μm、稀土Ta涂层(为TiSiN涂层质量的3.5％)TiSiN涂层30μm。
实施例4WC硬质合金多层梯度稀土复合涂层的制备
制备工艺如下：
a)以硬质合金WC作为基材；
b)以TiN、TiC、Cr、Al、B和Si以及稀土元素Sc作为涂层材料；
c)采用磁控溅射方法，磁控溅射工艺参数：溅射功率120W，工作气压2Pa，氩气流量35ml/min，氮气流量2.5ml/min，溅射温度500℃，真空度高于2.0×10-3Pa，靶基距50±5mm；
d)启动相应涂层材料按钮，梯度涂层方式，依次在合金表面沉积纳米稀土Sc涂层(为TiCrN涂层质量的3.2％)、TiCrN涂层3μm、稀土Sc涂层(为TiAlN涂层质量的3.5％)、TiAlN涂层12μm、稀土Sc涂层(为TiBN涂层质量的4.5％)TiBN涂层7μm、稀土Sc涂层(为TiSiN涂层质量的5％)TiSiN涂层10μm。
当稀土元素的添加量足以生成金属间化合物、共晶复合物的金属纤维组织以及固溶强化相时,可以显著提高硬质合金基体的抗高温氧化性能。此外，稀土原子倾向于在界面处聚集，与界面反应产物形成新的稀土相，从而抑制了有害界面反应的影响。上述研究结果为一种制备高强高硬WC-Ni硬质合金的方法提供了科学依据。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (4)

1.一种多层梯度稀土复合硬质合金涂层，包括：以硬质合金作为基体材料，含有TiCrN、TiAlN、TiBN和TiSiN涂层，以及稀土涂层，所述TiCrN、TiAlN、TiBN和TiSiN涂层呈多层梯度复合,从内到外次序为TiCrN、TiAlN、TiBN和TiSiN，其厚度分别为3-5μm、6-12μm、7-15μm和10-30μm，所述稀土涂层，其材料选自稀土元素Y、La和Sc，其质量不超过其覆盖涂层质量的5％，涂于硬质合金表面以及TiCrN、TiAlN、TiBN和TiSiN涂层之间。
2.如权利要求1所述的涂层，所述硬质合金为WC、WC-Co或WC-Ni。
3.如权利要求1所述的涂层，TiCrN：TiAlN：TiBN：TiSiN涂层的质量比为0.5-1.0：1.0-1.5：1.5-3.0：2.0-5.0。
4.一种制备权利要求1-3任一所述的硬质合金涂层的方法，包括：a)以硬质合金作为基材，b)以TiN、Cr、Al、B和Si以及选自Y、La和Sc的稀土元素作为涂层材料，c)采用磁控溅射方法，以梯度涂层方式，在硬质合金表面依次沉积纳米稀土涂层、TiCrN涂层、稀土涂层、TiAlN涂层、稀土涂层、TiBN涂层、稀土涂层、TiSiN涂层即得。
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