CN110106468B - 基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，包括：S1，基体准备：采用金刚石磨砂盘对粗晶硬质合金基体的表面进行研磨、抛光；表面清洗；表面纳米化：将粗晶硬质合金基体进行表面纳米化处理，表面纳米化方法为超声喷丸、超声滚压或超声冲击中的至少一种；涂层制备：将基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，以磁控溅射方法镀覆TiAlN涂层，即得。本发明提高了基体材料的力学性能和膜基结合能力，提高了涂层的综合性能，制备工艺简单，成本低，解决了现有技术中的问题。

Description

基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法
技术领域
本发明属于硬质合金涂层技术领域，涉及一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法。
背景技术
随着金属切削技术的发展，特别是高速高效切削、干式切削和硬切削等新工艺的出现，对金属切削加工刀具提出了更高的技术要求。刀具涂层处理作为提升刀具综合性能的重要途径，其重要意义在于将刀具基体和涂层的特性结合起来，既保持了金属基体良好的韧性，也具备了涂层高硬度和高耐磨性等特点，从而实现了传统刀具的综合改性，能有效提高加工效率与加工精度，延长刀具使用寿命，从而降低生产成本，适应了现代制造业对切削技术和切削刀具的高技术要求。因此，刀具涂层技术被认为是切削技术和切削刀具发展史上的一次革命。目前，发达国家在切削加工中使用涂层刀具的占比越来越大。其中，可转位硬质合金刀片的涂层比例达到70%左右；在欧洲，齿轮加工刀具中涂层刀具的比例高达近90%；在美国，新型数控机床所用涂层刀具的整体比例已达到了80%左右。
长期以来国内外涂层刀具的研究和应用主要集中在金属氧化物、氮化物、碳化物等二元涂层材料方面。然而，强共价键结合的特性导致该类涂层的韧性较差以及抗氧化物性能较差。近年来为有效解决上述缺点，具有复合结构的多元化金属涂层成为主流研究方向。TiAlN涂层是通过在传统TiN涂层的基础上固溶Al元素，由于表面Al原子在摩擦过程会发生氧化生成高硬度的Al2O3相显著提高涂层整体硬度，同时，Al原子会产生固溶强化和细晶强化作用，能显著提高涂层致密度和耐磨性，使其得到了广泛的研究和应用。相较于其他涂层制备技术，磁控溅射具有成膜温度低、膜基结合力强、膜层综合性能优异、简单易行等优点，是制备高品质TiAlN涂层的主要方法。目前TiAlN涂层的研究主要集中在涂层制备和涂层性能表征方面，而对高品质、集成功能优势涂层所需的更优异力学性能和膜基结合能力的基体材料处理的研究较少，同时涂层性能的增强效应机理研究工作也相对较少。
传统提高材料表面性能的改性技术包括渗碳、氮化、物理/化学气相沉积、表面淬火、离子注入、合金化等表面物理化学处理技术，使表层的组织结构发生变化，提高材料的耐磨性、耐蚀性，从而降低生产成本，制造出具有各种表面功能的新型复合材料。但这些传统表面改性方法存在一定的难以避免的缺陷，如氮化工艺温度高、持续时间长、工件易于变形等；离子注入则存在注入层浅，容易引起表层缺陷数量增多等问题。
纳米晶材料由于具有大量的晶界以及极细的晶粒，拥有传统粗晶材料所不具备的特殊性能以及力学行为，展现出极大的工程应用潜力。目前对纳米材料的研究主要集中在三维块状纳米材料的合成制备工艺，微观结构表征以及材料的性能等方面。近年来，尽管提出了许多制备块状纳米材料的方法，例如球磨法，非晶晶化法，电解沉积法等，但上述制备方法工艺复杂、成本高昂或受材料本身的尺寸限制，以及存在孔隙、污染等缺陷，使得目前三维块状纳米金属材料的实际工程应用仍然存在较大的困难。
表面纳米化技术可以在金属基体表面形成梯度纳米晶粒层，成分与基体一致，结构呈梯度变化，在使用过程中不会发生剥层和分离，不仅可为涂层提供力学性能更为优良的基底材料，而且纳米晶粒基底可以通过促进膜基界面元素扩散和影响膜层的形核与早期生长而强化膜基界面，为改善膜基结合性能、提高材料使用性能提供了新途径。表面纳米化这一概念一被提出即引起国内外同行的广泛关注，并在1999年的第五次国际材料大会上被列为今后几年内纳米材料领域最有实际应用前景的技术之一。金属表面纳米化已经成为提高传统工程金属材料性能和使用寿命的重要手段，有效的克服了传统三维块体纳米金属材料的制备困难，尤其是表面机械加工处理法在金属表面形成的纳米层，而且易于实现规模化生产，极具开发应用的潜力。
经过表面纳米化处理后的表层具有很高的化学活性，会显著促进后续的表面物理化学处理进程。若将表面纳米化和涂层技术相结合，是克服传统表面改性技术缺点的一个重要途径，同时有望获得性能更加优异的材料表层。截止目前尚未发现有通过对硬质合金基体材料表面纳米化手段来改善其膜基结合能力，提高涂层综合性能的报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，提高了基体材料的力学性能和膜基结合能力，提高了涂层的综合性能，制备工艺简单，成本低，解决了现有技术中的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，具体按照以下步骤进行：
S1，基体准备：采用金刚石磨砂盘对粗晶硬质合金基体的表面进行研磨、抛光；
S2，表面清洗：将粗晶硬质合金基体在丙酮溶液中超声清洗3-30min，清洗完成后吹干；
S3，表面纳米化：将粗晶硬质合金基体进行表面纳米化处理，表面纳米化方法为超声喷丸、超声滚压或超声冲击中的至少一种；
S4，涂层制备：将基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，以磁控溅射方法镀覆TiAlN涂层，即得。
进一步的，所述步骤S3中，超声喷丸是利用超声波的高频冲击载荷对金属表面进行高速重复冲击，在金属表面产生较深的残余压应力层和硬化层；喷丸介质为不锈钢球、硬质合金球、氧化铝陶瓷球中的任意一种；喷丸介质的直径为1-5 mm；喷丸时间：15-60min；超声频率：15-20 KHz。
进一步的，所述步骤S3中，超声滚压是用超声冲击能量和静载滚压相结合，采用压头对金属零部件表面进行高速撞击处理，压头为直径14mm的硬质合金球，超声频率为28KHz，压下量：0.05-0.1mm；压力：0.1-0.6MPa。
进一步的，所述步骤S3中，超声冲击是通过超声冲击针沿表面法线方向向工件施加超声频机械振动，冲击针将压力和超声冲击振动传递给处于旋转状态被加工处理的机械零部件表面；超声冲击的冲击针的材质为模具钢，针孔的超声频率：15-20 KHz。
进一步的，所述步骤S4中，镀覆TiAlN涂层的方法，具体为：以高纯Ti靶和Al靶为靶材，工作气体为体积浓度99.99%的氮气，反应气体为体积浓度99.99%的氩气，溅射功率为100-500W，工作气压为0.3-0.8Pa，基体负偏压为100-300V，氮气流量为15-35sccm，氩气流量为20-50sccm，沉积温度为25-300℃，沉积时间30-120min。
进一步的，所述步骤S4中，Ti靶的直径为60mm、厚度为3-5mm，纯度为99.99%。
进一步的，所述步骤S4中，Al靶的直径为60mm、厚度为3-5mm，纯度为99.99%。
进一步的，所述步骤S3中，将粗晶硬质合金基体进行表面纳米化处理后，基体由表至里分别呈现出纳米晶层、过渡层、基体的多层结构，其中纳米晶层的厚度D3为0.5-2.0µm，平均晶粒尺寸大小为20-50nm，过渡层的厚度D2为0.5-2.0µm。
本发明的有益效果是，本发明通过表面纳米化手段在硬质合金基体材料表面获得梯度纳米晶/微晶变形层，该变形层具有很好的化学活性，同时改变了材料表面的结构，表面附近区域存在高体积分数的非平衡晶界，在后续磁控溅射镀覆TiAlN涂层时，高密度的位错和大量的三叉晶界，为元素扩散提供了理想的扩散通道，使得原子的扩散激活能更低，扩散系数更高，从而大幅度地提高了材料表面化学元素的渗入深度和浓度，最终全面提高涂层的综合使用性能。
本发明所制备的硬质合金基体表面纳米化涂层，较传统未表面纳米化处理的涂层而言，不仅节省成本，简化制备工艺，更为重要的是，它可大幅的提高合金表面硬度和强度；对改善刀具的耐磨性和切削性能起到关键作用，使其更适合于高速切削，进而大幅提高刀具的使用寿命，扩大硬质合金的应用范围，展现出广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中梯度纳米晶/微晶变形层的SEM图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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。
本发明基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，具体按照以下步骤进行：
S1，基体材料准备：采用金刚石磨砂盘对硬质合金基体材料表面进行研磨、抛光，使其光滑平整干净；
S2，基体材料表面清洗：将步骤S1得到的基体材料在丙酮溶液中超声清洗3-30min，清洗完成后吹干；
S3，基体材料表面纳米化：将步骤S2得到的基体材料进行表面纳米化处理，表面纳米化手段为超声喷丸、超声滚压或超声冲击中的至少一种；
S4，涂层制备：将步骤S3得到的基体材料镀膜前为彻底去除试样表面的氧化膜、油污，超声清洗30min后，经吹风机吹干后立即放进镀膜真空室内避免再次污染，采用磁控溅射方法镀覆TiAlN涂层，得到最终材料；
磁控溅射方法镀覆TiAlN涂层：靶材为高纯Ti靶（φ60mm×5mm，99.95%）和Al靶（φ60mm×5mm，99.95%），工作气体为氮气（99.99%），反应气体为氩气（99.99%），溅射功率为100-500W，工作气压为0.3-0.8Pa，基体负偏压为100-300V，氮气流量为15-35sccm，氩气流量为20-50sccm，沉积温度为25-300℃，沉积时间30-120min。
超声喷丸是利用超声波的高频冲击载荷对金属表面进行高速重复冲击，在金属表面产生较深的残余压应力层和硬化层，进而明显提高金属零件的强度、耐腐蚀性和疲劳寿命。与传统的表面机械处理法原理相比，超声喷丸处理时，大量直径为1-5 mm的喷丸介质以超声频率15-20 KHz，持续作用于粗晶硬质合金基体表面15-60 min时，粗晶硬质合金基体表层将产生大量由高密度位错列而成的剪切带；位错的湮灭以及重组将使小晶界逐步向大晶界发展，直至形成单独的小晶粒；粗晶硬质合金基体整体的取向随着相邻晶粒间的取向的改变而趋于随机；如此推演、交替反复，使得粗晶硬质合金基体表面的晶粒细化至纳米量级。
超声滚压是用超声冲击能量和静载滚压相结合，采用压头对金属零部件表面进行高速撞击处理，使零件表层材料产生较大的塑性变形，卸载后形成有益的残余压应力，从而强化被加工表面。与传统的表面机械处理法原理相比，超声滚压能够与车床结合在一起，灵活运用于普通零件的加工过程中而不需要特殊的设备。此外，超声滚压后粗晶硬质合金基体表面能实现几何纳米化即粗糙度达到纳米级；同时超声滚压能够使粗晶硬质合金基体表面的化学性能发生变化，表面附近区域高体积分数的晶界为原子扩散提供了理想的通道，有助于大幅度提高粗晶硬质合金基体表面化学元素的渗入浓度和深度，并降低化学处理温度、减少保温时间。
超声冲击是通过超声冲击针沿表面法线方向向工件施加超声频机械振动，在表面形成有益压应力，使冲击部位表层组织发生变化，得到强化，冲击针将压力和超声冲击振动传递给处于旋转状态被加工处理的机械零部件表面；利用金属在常温状态下的冷缩性特点，使材料产生较大的塑性变形，从而强化材料表面；与传统的表面机械处理法原理相比，超声冲击处理时，针孔在频率为15-20 KHz的超声振动下作用于粗晶硬质合金基体表面，会在粗晶硬质合金基体的表面附近形成应力场，由于应变量和应变速率均随冲击深度的增加而减小．因此在材料内部就会形成表面为纳米晶，晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度结构。
本发明中，硬质合金涂层的形成过程大致可以分为三个阶段，一是各种离子在试件表面的吸附，二是沉积到试件表面的离子间相互结合，形成原子核并逐渐长大，三是晶粒的生长和原子的扩散形成覆盖试件表面的薄膜。磁控溅射具有成膜温度低、膜基结合力强、膜层综合性能优异、简单易行等优点，在薄膜形成过程中，薄膜生长受到基体表面各种条件的影响，如基体负偏压、氮气分压和沉积温度等。
磁控溅射方法镀覆TiAlN涂层时，基体负偏压，氮气分压和沉积温度参数对涂层的表面形貌和涂层厚度有以下影响：
1、基体负偏压过低时，熔滴密度大，表面粗糙；当负偏压增大，由于沉积到镀层上的粒子能量增加，其扩散深度和扩散迁移率都得到增强，界面更宽，界面梯度更平缓，可以缓冲镀层与基体间的应力；但过高时由于反溅射的缘故也会增加表面的粗糙度。当负偏压低于临界值时，随着基体负偏压增大，膜层厚度减小明显，膜层结构越致密，高于临界值时，膜层厚度变化不大，这是由于离子沉积到表面的速度和由于自己的轰击反溅射回真空室的速度相等。
2、N2分压过低时，膜层表面的熔滴数量会增多增大，过高时又使液滴的密度降低，增加粗糙度，但整体而言N2分压的影响不是很强烈。随N2分压增加，膜层厚度减小，这是由于溅射力较强的Ar分压下降导致气氛中金属离子减少，沉积速率下降。
3、沉积温度的不同主要影响表面膜层的晶粒形状，分布及粗糙度，当沉积温度较低时，由于离子得不到足够的能量反应，只是凌乱堆积，且呈柱状晶生长，尺寸较大，随着沉积温度的增加，晶粒尺寸减小，排列紧密，表面的粗糙度降低。
对比例1
基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，具体按照以下步骤进行：
S1，基体材料准备：采用金刚石磨砂盘对YG8硬质合金基体材料表面按80 #，180#，400 #，600 #，800 #，1000 #，1200 #，1500 #进行研磨，然后进行抛光，使其光滑平整干净；
S2，基体材料表面清洗：将步骤S1得到的基体材料在丙酮溶液中超声清洗30min，清洗完成后用吹风机吹干；
S3、涂层制备：将步骤S2得到的基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，磁控溅射制备TiAlN涂层的方法与实施例1相同，得到最终材料。
对比例1制备的YG8硬质合金基体材料的硬度为1214.8 HV，摩擦系数为1.0，溅射TiAlN涂层后硬度为1356.4 HV，摩擦系数为0.58，膜/基结合力为35.5N。
实施例1
基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，具体按照以下步骤进行：
S1，基体材料准备：采用金刚石磨砂盘对YG8硬质合金基体材料表面按80 #，180#，400 #，600 #，800 #，1000 #，1200 #，1500 #进行研磨，然后进行抛光，使其光滑平整干净；
S2，基体材料表面清洗：将步骤S1得到的基体材料在丙酮溶液中超声清洗30min，清洗完成后用吹风机吹干；
S3，基体材料表面纳米化：将步骤S2得到的基体材料进行超声喷丸表面纳米化处理得到梯度纳米晶/微晶变形层；喷丸介质为不锈钢球、硬质合金球、氧化铝陶瓷球中的至少一种；喷丸介质直径1-5 mm；喷丸时间：15-60 min；超声频率：15-20 KHz；
步骤S4、涂层制备：将步骤S3得到的基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，溅射室内气压抽至2.0×10-3 Pa时通入氩气，调节G阀使工作气压为3Pa时起辉，调节功率清洗靶材15-30min，溅射功率为150W，氮气流量为20sccm，氩气流量为40sccm，工作气压为0.5Pa，基体负偏压为300V，沉积温度为200℃，沉积时间为120min，得到TiAlN涂层，获得最终材料。
实施例1中YG8硬质合金基体的内部结构如图1所示，由图1可知，经超声喷丸表面纳米化处理后，基体材料由表至里呈现出纳米晶层（nanostructured layer）、过渡层（transitioned layer）和基体层的多层结构，梯度纳米晶/微晶的变形层（deformedlayer）由纳米晶层和过渡层构成，变形层的晶粒尺寸由外及里从纳米向微米过渡；其中纳米晶层的厚度D3为0.94µm，平均晶粒尺寸大小为20-50nm，过渡层的厚度D2为0.88µm，变形层的厚度D1为2.64µm。
超声喷丸处理后的YG8硬质合金基体材料的硬度为1632.9 HV，摩擦系数为0.6，溅射TiAlN涂层后硬度为1852.4 HV，摩擦系数为0.5，膜/基结合力为39.8N。试验数据说明，与对比例1相比，实施例1制得的YG8硬质合金基体及表面纳米涂层的硬度、耐磨性能均有较大提升。
实施例2
基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，具体按照以下步骤进行：
S1，基体材料准备：采用金刚石磨砂盘对YG8硬质合金基体材料表面按80 #，180#，400 #，600 #，800 #，1000 #，1200 #，1500 #进行研磨，然后进行抛光，使其光滑平整干净；
S2，基体材料表面清洗：将步骤S1得到的基体材料在丙酮溶液中超声清洗30min，清洗完成后用吹风机吹干；
S3，基体材料表面纳米化：将步骤S2得到的基体材料进行超声滚压表面纳米化处理，压头为直径14mm的硬质合金球，超声频率为28KHz，压下量：0.05-0.1mm；压力：0.1-0.6MPa；
S4，涂层制备：将步骤S3得到的基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，磁控溅射制备TiAlN涂层的方法与实施例1相同，得到最终材料。
实施例2制备的YG8硬质合金基体的内部结构与实施例1比较接近，其中纳米晶层的厚度D3为0.5µm，平均晶粒尺寸大小为50nm，过渡层的厚度D2为0.5µm。
实施例2制备的YG8硬质合金基体材料的硬度为1495.1 HV，摩擦系数为0.65，溅射TiAlN涂层后硬度为1830.2 HV，摩擦系数为0.53，膜/基结合力为39.1N；试验数据说明，与对比例1相比，实施例2制得的YG8硬质合金基体及表面纳米涂层的硬度、耐磨性能均有较大提升，且与实施例1的性能比较接近。
实施例3
基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，具体按照以下步骤进行：
S1，基体材料准备：采用金刚石磨砂盘对YG8硬质合金基体材料表面按80 #，180#，400 #，600 #，800 #，1000 #，1200 #，1500 #进行研磨，然后进行抛光，使其光滑平整干净；
S2，基体材料表面清洗：将步骤S1得到的基体材料在丙酮溶液中超声清洗30min，清洗完成后用吹风机吹干；
S3，基体材料表面纳米化：将步骤S2得到的基体材料进行超声冲击表面纳米化处理，冲击针材质为模具钢；频率：15-20 KHz；
步骤S4、涂层制备：将步骤S3得到的基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，磁控溅射制备TiAlN涂层的方法与实施例1相同，得到最终材料。
实施例3制备的YG8硬质合金基体的内部结构与实施例1比较接近，其中纳米晶层的厚度D3为2.0µm，平均晶粒尺寸大小为20nm，过渡层的厚度D2为2.0µm。
实施例3制备的YG8硬质合金基体材料的硬度为1558.6 HV，摩擦系数为0.70，溅射TiAlN涂层后硬度为1753.9 HV，摩擦系数为0.55，膜/基结合力为38.8N。试验数据说明，与对比例1相比，实施例3制得的YG8硬质合金基体及表面纳米涂层的硬度、耐磨性能均有较大提升，且与实施例1的性能比较接近。
实施例4
基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，具体按照以下步骤进行：
S1，基体材料准备：采用金刚石磨砂盘对YG8硬质合金基体材料表面按80 #，180#，400 #，600 #，800 #，1000 #，1200 #，1500 #进行研磨，然后进行抛光，使其光滑平整干净；
S2，基体材料表面清洗：将步骤S1得到的基体材料在丙酮溶液中超声清洗3min，清洗完成后用吹风机吹干；
S3，基体材料表面纳米化：将步骤S2得到的基体材料进行超声滚压表面纳米化处理；
S4，涂层制备：将步骤S3得到的基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，溅射室内气压抽至2.0×10-3 Pa时通入氩气，调节G阀使工作气压为3Pa时起辉，调节功率清洗靶材15-30min，溅射功率为100W，氮气流量为35sccm，氩气流量为20sccm，工作气压为0.3Pa，基体负偏压为100V，沉积温度为300℃，沉积时间为120min，得到TiAlN涂层，获得最终材料。
实施例4制备的YG8硬质合金基体材料的硬度为1479.3 HV，摩擦系数为0.63，溅射TiAlN涂层后硬度为1765.8 HV，摩擦系数为0.6，膜/基结合力为38.5N。试验数据说明，与对比例1相比，实施例4制得的YG8硬质合金基体及表面纳米涂层的硬度、耐磨性能均有较大提升，且与实施例1的性能比较接近。
实施例5
基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，具体按照以下步骤进行：S4，涂层制备：将步骤S3得到的基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，溅射室内气压抽至2.0×10-3 Pa时通入氩气，调节G阀使工作气压为3Pa时起辉，调节功率清洗靶材15-30min，溅射功率为500W，氮气流量为15sccm，氩气流量为50sccm，工作气压为0.5Pa，基体负偏压为300V，沉积温度为25℃，沉积时间为120min，得到TiAlN涂层，获得最终涂层；其它步骤与实施例4相同。
实施例5制备的YG8硬质合金基体材料的硬度为1483.6 HV，摩擦系数为0.72，溅射TiAlN涂层后硬度为1697.4 HV，摩擦系数为0.52，膜/基结合力为37.6N。试验数据说明，与对比例1相比，实施例5制得的YG8硬质合金基体及表面纳米涂层的硬度、耐磨性能均有较大提升，且与实施例1的性能比较接近。
实施例6
基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，具体按照以下步骤进行：S4，涂层制备：将步骤S3得到的基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，溅射室内气压抽至2.0×10-3 Pa时通入氩气，调节G阀使工作气压为3Pa时起辉，调节功率清洗靶材15-30min，溅射功率为200W，氮气流量为25sccm，氩气流量为30sccm，工作气压为0.8Pa，基体负偏压为250V，沉积温度为50℃，沉积时间为110min，得到TiAlN涂层，获得最终涂层；其它步骤与实施例4相同。
实施例6制备的YG8硬质合金基体材料的硬度为1490.7 HV，摩擦系数为0.69，溅射TiAlN涂层后硬度为1724.9 HV，摩擦系数为0.59，膜/基结合力为38N。试验数据说明，与对比例1相比，实施例6制得的YG8硬质合金基体及表面纳米涂层的硬度、耐磨性能均有较大提升，且与实施例1的性能比较接近。
涂层刀具对其硬度和耐摩擦、耐磨损性能的要求很高，根据实施例1-6的试验数据可知，本发明采用超声喷丸、超声滚压或超声冲击实现表面自纳米化，将上述表面自纳米化与磁控溅射制备TiAlN涂层相结合获得的涂层材料在硬度和耐摩擦、耐磨损性能方面均有较大提升；操作简单，试验设备投资少，适应材料范围广，容易实现纳米材料的大批量生产，具有更优异的实际应用推广价值。
此外，经进一步研究发现，当实施例1-3的其它工艺条件确定时，对涂层显微硬度的影响程度从大至小依次为：基体负偏压、沉积温度、氮气分压，对涂层膜基结合力的影响程度从大至小依次为：沉积温度、基体负偏压、氮气分压；经过大量试验得到，只要基体负偏压稳定为250V，较宽范围的沉积温度和氮气分压均能获得较好的涂层显微硬度和膜基结合力。
如何能够降低磁控溅射方法镀覆TiAlN涂层中对沉积温度和氮气分压的要求，减弱沉积温度和氮气分压对涂层显微硬度和膜基结合力的影响，降低制备难度的同时保证较好的涂层显微硬度和膜基结合力，在实际生产中具有重要的实用价值。
本发明采用粗晶硬质合金作为基体所制备的表层亚微米/纳米晶梯度硬质合金材料成分稳定，形状多样，实用性高；且金属基体具备优良的韧性和加工性，而表层金属具有极高的强度、硬度和耐磨性能，更为突出的是表层金属所显示出的强化学活性和高密度三叉晶界等为后续涂层元素的扩散沉积和结合提供了便利，从而实现了对传统刀具的综合改性，有效提高刀具的切削效率与精度，延长刀具的使用寿命，降低生产成本，更加适应了现代制造业对切削技术和切削刀具的高技术要求；同时也克服了传统通过纳米粉体制备纳米块体材料所存在的孔隙、污染、致密度不高和难度大等缺点，以及通过非晶晶化法制备纳米块体材料存在的尺寸受限制等缺点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
S1，基体准备：采用金刚石磨砂盘对粗晶硬质合金基体的表面进行研磨、抛光；
S2，表面清洗：将粗晶硬质合金基体在丙酮溶液中超声清洗3-30min，清洗完成后吹干；
S3，表面纳米化：将粗晶硬质合金基体进行表面纳米化处理，表面纳米化方法为超声喷丸、超声滚压或超声冲击中的至少一种；
S4，涂层制备：将基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，以磁控溅射方法镀覆TiAlN涂层，即得；
所述步骤S3中，将粗晶硬质合金基体进行表面纳米化处理后，基体由表至里分别呈现出纳米晶层、过渡层、基体的多层结构，其中纳米晶层的厚度D3为0.5-2.0μm，平均晶粒尺寸大小为20-50nm，过渡层的厚度D2为0.5-2.0μm；
所述步骤S3中，超声喷丸是利用超声波的高频冲击载荷对金属表面进行高速重复冲击，在金属表面产生较深的残余压应力层和硬化层；喷丸介质为不锈钢球、硬质合金球、氧化铝陶瓷球中的任意一种；喷丸介质的直径为1-5mm；喷丸时间：15-60min；超声频率：15-20KHz；
所述步骤S3中，超声滚压是用超声冲击能量和静载滚压相结合，采用压头对金属零部件表面进行高速撞击处理，压头为直径14mm的硬质合金球，超声频率为28KHz，压下量：0.05-0.1mm；压力：0.1-0.6MPa；
所述步骤S3中，超声冲击是通过超声冲击针沿表面法线方向向工件施加超声频机械振动，冲击针将压力和超声冲击振动传递给处于旋转状态被加工处理的机械零部件表面；超声冲击的冲击针的材质为模具钢，针孔的超声频率：15-20KHz；
所述步骤S4中，镀覆TiAlN涂层的方法，具体为：以高纯Ti靶和Al靶为靶材，工作气体为体积浓度99.99％的氮气，反应气体为体积浓度99.99％的氩气，溅射功率为100-500W，工作气压为0.3-0.8Pa，基体负偏压为250V，氮气流量为15-35sccm，氩气流量为20-50sccm，沉积温度为25-300℃，沉积时间30-120min。
2.根据权利要求1所述的一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，Ti靶的直径为60mm、厚度为3-5mm，纯度为99.99％。
3.根据权利要求1所述的一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，Al靶的直径为60mm、厚度为3-5mm，纯度为99.99％。
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