CN116837370A - 一种梯度钨基复合涂层的制备方法及经该方法制得的刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种梯度钨基复合涂层的制备方法及经该方法制得的刀具。利用表面机械纳米合金化工艺的技术特点，在基材表面制备了高度纳米化、高硬度且结合性能优异的梯度钨基复合涂层，并且通过添加适量钛粉、钽粉和铜粉，提高涂层的形成能力、高温性能以及导热性能，克服了表面机械纳米合金化难以制备出高性能脆性涂层的缺点。同时，该工艺在涂层内部引入了细晶强化和固溶强化两种强化机制，提高了涂层硬度以及耐磨性能。此外，在涂层形成过程中，采用三阶段的机制在基材表面获得了具有梯度结构的钨基复合涂层，并且通过调控各阶段混合粉末的成分，提高了涂层各项性能匹配度。

Description

一种梯度钨基复合涂层的制备方法及经该方法制得的刀具

技术领域

本发明涉及梯度钨基合金涂层制备技术，具体为一种制备高性能脆性的梯度钨基复合涂层的方法及刀具。

背景技术

在切削加工过程中，刀具的使用寿命会受到切削温度和加工力的影响，其中刀尖会因为承受更高的切削温度，发生扩散与氧化，造成刀具失效。在提高加工速度和切削量后，工件的切削效率可以显著提高，但是刀具的使用寿命会因为温度过高和磨损而降低。由于硬质合金涂层具有更好的摩擦学现象，因此，为了提高工件加工效率和延长刀具寿命，在刀具表面制备硬质合金涂层成为一种有效的改进技术。钨基合金涂层具有高硬度、抗压强度以及良好的耐磨性能，在较高温度范围内几乎能够保存所有物理性质，且与金属基材粘合稳定，是一种有效应对上述问题的耐高温硬质复合涂层。

目前，钨基复合涂层的制备工艺有很多，广泛用于刀具表面涂层制备的主要有CVD、PVD以及热喷涂、真空烧结等工艺方法。而上述钨基复合涂层的制备方法均存在一些不足之处，如PVD工艺获得的涂层厚度较薄(微米级涂层)以及界面结合能力较差；CVD工艺的沉积速率低、废气处理困难且成本高昂；热喷涂工艺获得的涂层致密性较差，且在喷涂过程中容易混入杂质；真空烧结获得的涂层成本高且不环保。

机械合金化方法具备处理工艺简单、容易控制、成本低廉等特点，但是机械合金化工艺用来做基体表面的处理，鲜有关于表面机械合金化工艺用于钨基涂层处理的文献报道，有些文献只用于粉末预合金化处理过程，例如CN115341112A、CN101880808A。

同时涂层结构设计对其综合性能也有重要影响，单层结构的涂层往往因为与基体性能差距过大，而导致涂层提前失效。因此，设计双层或多层结构的梯度涂层对于解决上述问题具有重要意义。但是，如何合理设计各层成分是制备梯度涂层的关键。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术：现有钨基涂层工艺技术成本高、致密度差、厚度小、不环保等特点，且单层结构的涂层往往因为与基体性能差距过大，而导致涂层提前失效，故此提出一种制备高性能脆性的梯度钨基复合涂层的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种梯度钨基复合涂层的制备方法，包括以下制备步骤：

2)涂层粉末预处理：将不同成分比例的钨基混合粉末装入球磨罐中，充入保护性气体，利用高能球磨机进行1h-5h的混粉处理，使粉末充分混合；

其中，钨基混合粉末成分包括钨、钛、钽、铜；

3)梯度钨基复合涂层制备：

初始阶段：需要称取一定质量混合均匀的低钨含量的混合粉末，混合粉末中钨粉的含量最低为40wt.％，选择合适的球料比，随后将其与基体和碳化钨球一同装入球磨罐内进行0.5h-2h的表面机械纳米合金化处理后，即在基材表面初步获得硬质钨基复合涂层；

循环阶段：需要逐次增加混合粉末中钨粉含量、逐次降低混合粉末中钛粉含量，分多次重复进行表面机械纳米合金化处理，获得成分梯度分布且厚度较厚的钨基复合涂层；

最终阶段：利用高钨含量的混合粉末，混合粉末中钨粉的含量最低为80wt.％，进行表面机械纳米合金化处理，获得高度纳米化、致密化的钨基复合涂层。

优选地，在所述步骤2)中，钨:钛:钽:铜＝(4-9):(1-3):(0-2):(0-1)，混合粉末形状选用球形或类球型，粉末粒径分布为(15μm-25μm):(5μm-15μm):(＜5μm)＝(5-10):(0-2):(0-3)。

优选地，所述步骤3)中，在初始阶段混合粉末中钨粉的含量为40wt.％-60wt.％、钛粉的含量为20wt.％-30wt.％、钽粉的含量为0wt.％-20wt.％、铜粉的含量为0wt.％-10wt.％。

优选地，所述步骤3)中，循环阶段混合粉末中钨粉的含量为50wt.％-70wt.％、钛粉的含量为10wt.％-20wt.％、钽粉的含量为0wt.％-20wt.％、铜粉的含量为0wt.％-10wt.％。

优选地，所述步骤3)中，最终阶段混合粉末中钨粉的含量为60wt.％-90wt.％、钛粉的含量为0wt.％-10wt.％、钽粉的含量为0wt.％-20wt.％、铜粉的含量为0wt.％-10wt.％。

优选地，所述步骤2)和3)中，混粉和制备过程为高速“∞”式三维运动机制，选择高纯氩气作为保护性气氛。

优选地，所述步骤3)中，利用表面机械纳米合金化工艺制备梯度钨基复合涂层的相关工艺参数如下：以高纯氩为环境气氛，选择30-50颗Ф6mm的碳化钨球作为球磨介质，球粉比设置为(16-5):1，球磨机转速为1725转/mi n。

优选地，在所述步骤2)之前还包括：

1)基体材料表面预处理：对工件材料表面进行磨抛预处理，分别在无水乙醇、丙酮溶液中超声波清洗10mi n，吹干后得到表面粗糙度低、光洁的基材。

优选地，所述步骤1)中，基材表面经过#320、#600、#800、#1500道次砂纸打磨，再经过2.5μm、0.5μm金刚石抛光，最终获得光洁且粗糙度低的基材表面。

一种刀具，包括刀具材料和在刀具材料表面经权利要求1至9任一项所述的梯度钨基复合涂层制备方法制得的涂层。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明利用表面机械纳米合金化工艺的技术特点，在基材表面制备了高度纳米化、高硬度且结合性能优异的梯度钨基复合涂层，并且通过添加适量钛粉、钽粉和铜粉，提高涂层的形成能力、高温性能以及导热性能，克服了表面机械纳米合金化难以制备出高性能脆性涂层的缺点。同时，该工艺在涂层内部引入了细晶强化和固溶强化两种强化机制，提高了涂层硬度以及耐磨性能。此外，在涂层形成过程中，采用三阶段的机制在基材表面获得了具有梯度结构的钨基复合涂层，并且通过调控各阶段混合粉末的成分，提高了涂层各项性能匹配度。

附图说明

图1是初始阶段钨基复合涂层截面SEM图像。

图2是梯度钨基复合涂层硬度分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

实施例1

一种梯度钨基复合涂层的制备方法，按照以下步骤进行：

1)基体材料表面预处理：将工件材料表面进行#320、#600、#800、#1500等多道次砂纸打磨，再经过2.5μm、0.5μm金刚石抛光后获得粗糙度低的表面，随后在无水乙醇、丙酮溶液中超声波清洗10mi n并吹干，最终得到表面粗糙度低、洁净的基材；

2)涂层粉末预处理：称取三种不同成分的钨基混合粉末，具体成分比例如下：①60wt.％钨粉，30wt.％钛粉，5wt.％钽粉，5wt.％铜粉；②65wt.％钨粉，20wt.％钛粉，5wt.％钽粉，10wt.％铜粉；③75wt.％钨粉，5wt.％钛粉，10wt.％钽粉，10wt.％铜粉。将上述三种成分比例的钨基混合粉末分别装入球磨罐中，充入高纯氩作为保护性气体，利用高能球磨机进行2h的混粉处理，使粉末充分混合，避免在涂层形成过程中产生成分不均匀现象。其中，①用于初始阶段涂层制备，此时钨含量最低、钛含量最高，可有效提高涂层形成能力与涂层质量；②用于循环阶段涂层制备，此时逐步增加钨粉、铜粉含量，降低钛粉含量，维持钽粉含量不变，以此保证循环阶段涂层导热性能；③用于最终阶段的涂层制备，此时不断提高钨粉、钽粉含量，维持表层的高硬度、耐磨性和高温性能。

3)梯度钨基复合涂层制备：初始阶段需要称取4g混合均匀的粉末①，球粉比为8:1，随后将其与基体和40颗碳化钨球一同装入球磨罐内进行1h的表面机械纳米合金化处理后，采用碳化钨球能够防止引入杂质，即可在基材表面初步获得均匀、致密且厚度约为80μm的硬质钨基复合涂层，如图1所示。申请人在研究的初始采用普通钨基合金涂层技术，无非就是CVD、PVD以及热喷涂、真空烧结等工艺方法，但是无奈于成本高且厚度为微米级别，由于在刀具表层需要具备在加工速度和切削量大工况下，寿命不理想，申请人通过不断摸索和尝试后，偶然发现利用表面机械纳米合金化处理钨基合金于表面基材表面会形成一层高性能脆性涂层，同样该涂层只能得到微米级厚度，其次由于钨基合金粉末大多采用钨钽致使连续性差容易出现涂层斑块，经过不断实验最终都未获得厚度较大且均匀致密、连续性好的钨基合金涂层。本发明也是经过无数的尝试，发明人在快要放弃继续在该路线上摸索时，偶然发现以钛、铜和钨、钽复合配置钨基粉末能够得到厚度较大且均匀致密同时连续性好的钨基合金涂层，该钨基合金涂层具备优良的成能力、高温性能以及导热性能。由于钛粉相较于钨粉和钽粉为软硬度粉末，在涂层中起到疏性组分使得和涂层成分均匀同时钛粉还作为二者间的粘结剂使得涂层更为致密，同时钛粉的引入还能够克服钨铜物性差大的特性，确保能够得到致密性高、热导率高、热膨胀系数小的钨极合金涂层。循环阶段需要分别称取4g混合均匀的粉末②，依次进行1h的表面机械纳米合金化处理，可获得具有良好硬度分布且机械性能匹配度高的梯度涂层，如图2所示，能够得到梯度化层间结构但不会出现层间界面；最终阶段利用高钨含量的粉末③，进行3h的表面机械纳米合金化处理，可获得高度纳米化、高硬度以及高耐磨的梯度钨基复合涂层。

实施例2

一种梯度钨基复合涂层的制备方法，按照以下步骤进行：

1)基体材料表面预处理：将工件材料表面进行#320、#600、#800、#1500等多道次砂纸打磨，再经过2.5μm、0.5μm金刚石抛光后获得粗糙度低的表面，随后在无水乙醇、丙酮溶液中超声波清洗10mi n并吹干，最终得到表面粗糙度低、洁净的基材；

2)涂层粉末预处理：称取五种不同成分的钨基混合粉末，具体成分比例如下：①55wt.％钨粉，30wt.％钛粉，10wt.％钽粉，5wt.％铜粉；②60wt.％钨粉，25wt.％钛粉，10wt.％钽粉，5wt.％铜粉；③65wt.％钨粉，20wt.％钛粉，10wt.％钽粉，5wt.％铜粉；④70wt.％钨粉，15wt.％钛粉，10wt.％钽粉，5wt.％铜粉；⑤75wt.％钨粉，10wt.％钛粉，10wt.％钽粉，5wt.％铜粉。将上述五种成分比例的钨基混合粉末分别装入球磨罐中，充入高纯氩作为保护性气体，利用高能球磨机进行2h的混粉处理，使粉末充分混合，避免在涂层形成过程中产生成分不均匀现象。其中，将实施例1中循环阶段的一种混合粉末增加至三种，②、③、④按照5wt.％的幅度依次增加钨粉含量，同时以5wt.％的幅度降低钛粉含量，维持钽粉和铜粉含量不变，以此保证涂层具有更平缓的成分梯度，提高与前、后两阶段的涂层性能匹配度。

(3)梯度钨基复合涂层制备：初始阶段需要称取4g混合均匀的粉末①，球粉比为8:1，随后将其与基体和40颗碳化钨球一同装入球磨罐内进行1h的表面机械纳米合金化处理后，即可在基材表面初步获得均匀、致密的硬质钨基复合涂层；循环阶段需要分别称取4g混合均匀的粉末②、③、④，依次进行1h的表面机械纳米合金化处理，可获得具有良好硬度分布且机械性能匹配度高的梯度涂层；最终阶段利用高钨含量的粉末⑤，进行3h的表面机械纳米合金化处理，可获得高度纳米化、高硬度以及高耐磨的梯度钨基复合涂层。

实施例3

一种梯度钨基复合涂层的制备方法，按照以下步骤进行：

1)基体材料表面预处理：将工件材料表面进行#320、#600、#800、#1500等多道次砂纸打磨，再经过2.5μm、0.5μm金刚石抛光后获得粗糙度低的表面，随后在无水乙醇、丙酮溶液中超声波清洗10mi n并吹干，最终得到表面粗糙度低、洁净的基材；

2)涂层粉末预处理：称取五种不同成分的钨基混合粉末，具体成分比例如下：①55wt.％钨粉，30wt.％钛粉，10wt.％钽粉，5wt.％铜粉；②60wt.％钨粉，25wt.％钛粉，10wt.％钽粉，5wt.％铜粉；③65wt.％钨粉，20wt.％钛粉，10wt.％钽粉，5wt.％铜粉；④70wt.％钨粉，15wt.％钛粉，10wt.％钽粉，5wt.％铜粉；⑤75wt.％钨粉，5wt.％钛粉，10wt.％钽粉，10wt.％铜粉。将上述五种成分比例的钨基混合粉末分别装入球磨罐中，充入高纯氩作为保护性气体，利用高能球磨机进行5h的混粉处理，提高混粉时间，使各层原始粉末的成分更加均匀，避免因成分不均带来的各层性能差异，缩短刀具使用寿命。其中，①用于初始阶段涂层制备，此时钨含量最低、钛含量最高，可有效提高涂层形成能力与涂层质量；②、③、④用于循环阶段涂层制备，此时逐步增加钨粉含量，降低钛粉含量，并维持钽粉和铜粉含量不变，以此保证外侧涂层的高温性能和导热性能；⑤用于最终阶段的涂层制备，此时进一步提高钨粉和铜粉含量，维持表层的高硬度、耐磨性和导热性能。

(3)梯度钨基复合涂层制备：初始阶段需要称取4g混合均匀的粉末①，球粉比为8:1，随后将其与基体和40颗碳化钨球一同装入球磨罐内，将表面机械纳米合金化处理时间缩短至0.5h。在表面机械纳米合金化过程中，通常粉末在短时间内即可完成粉末堆积，形成具有较高致密度的涂层。因此，缩短初始阶段的处理时间能够避免涂层疲劳，影响后续阶段的粉末堆叠；循环阶段需要分别称取4g混合均匀的粉末②、③、④，依次进行0.5h的表面机械纳米合金化处理，此阶段降低处理时间仍然是为了后续涂层的顺利形成；最终阶段利用高钨含量的粉末⑤，进行5h的表面机械纳米合金化处理，最终阶段提高表面机械纳米合金化处理时间，能够促进各元素间的固溶程度，增强涂层的纳米化程度，因此获得的梯度钨基复合涂层拥有更高的硬度和耐磨性。

实施例4

一种刀具，包括刀具材料和在刀具材料表面经实施例所述的梯度钨基复合涂层制备方法制得的涂层。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。所述替代可以是部分结构、器件、方法步骤的替代，也可以是完整的技术方案。根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种梯度钨基复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

2)涂层粉末预处理：将不同成分比例的钨基混合粉末装入球磨罐中，充入保护性气体，利用高能球磨机进行1h-5h的混粉处理，使粉末充分混合；

其中，钨基混合粉末成分包括钨、钛、钽、铜；

3)梯度钨基复合涂层制备：

初始阶段：需要称取一定质量混合均匀的低钨含量的混合粉末，选择合适的球料比，随后将其与基体和碳化钨球一同装入球磨罐内进行0.5h-2h的表面机械纳米合金化处理后，即在基材表面初步获得硬质钨基复合涂层；

循环阶段：需要逐次增加混合粉末中钨粉含量、逐次降低混合粉末中钛粉含量，分多次重复进行表面机械纳米合金化处理，获得成分梯度分布且厚度较厚的钨基复合涂层；

最终阶段：利用高钨含量的混合粉末，进行表面机械纳米合金化处理，获得高度纳米化、致密化的钨基复合涂层。

2.根据权利要求1所述的一种梯度钨基复合涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，钨:钛:钽:铜＝(4-9):(0-3):(0-2):(0-1)，混合粉末形状选用球形或类球型，粉末粒径分布为(15μm-25μm):(5μm-15μm):(＜5μm)＝(5-10):(0-2):(0-3)。

3.根据权利要求1所述的一种梯度钨基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，在初始阶段混合粉末中钨粉的含量为40wt.％-60wt.％、钛粉的含量为20wt.％-30wt.％、钽粉的含量为0wt.％-20wt.％、铜粉的含量为0wt.％-10wt.％。

4.根据权利要求1所述的一种梯度钨基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，循环阶段混合粉末中钨粉的含量为60wt.％-70wt.％、钛粉的含量为10wt.％-20wt.％、钽粉的含量为0wt.％-20wt.％、铜粉的含量为0wt.％-10wt.％。

5.根据权利要求1所述的一种梯度钨基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，最终阶段混合粉末中钨粉的含量为70wt.％-90wt.％、钛粉的含量为0wt.％-10wt.％、钽粉的含量为0wt.％-20wt.％、铜粉的含量为0wt.％-10wt.％。

6.根据权利要求1所述的一种梯度钨基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤2)和3)中，混粉和制备过程为高速“∞”式三维运动机制，选择高纯氩气作为保护性气氛。

7.根据权利要求1所述的一种梯度钨基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，利用表面机械纳米合金化工艺制备梯度钨基复合涂层的相关工艺参数如下：以高纯氩为环境气氛，选择30-50颗Ф6mm的碳化钨球作为球磨介质，球粉比设置为(16-5):1，球磨机转速为1725转/min。

8.根据权利要求1所述的一种梯度钨基复合涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)之前还包括：

1)基体材料表面预处理：对工件材料表面进行磨抛预处理，分别在无水乙醇、丙酮溶液中超声波清洗10min，吹干后得到表面粗糙度低、光洁的基材。

9.根据权利要求8所述的一种梯度钨基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，基材表面经过#320、#600、#800、#1500道次砂纸打磨，再经过2.5μm、0.5μm金刚石抛光，最终获得光洁且粗糙度低的基材表面。

10.一种刀具，其特征在于，包括刀具材料和在刀具材料表面经权利要求1至9任一项所述的梯度钨基复合涂层制备方法制得的涂层。