CN1459434A - 硬质合金粉末表面陶瓷涂层材料及其制备工艺 - Google Patents

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黄传真
艾兴
李兆前
王宝友
陈元春
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Abstract

本发明涉及到刀具涂层材料及加工工艺，一种硬质合金粉末表面涂覆陶瓷涂层的材料及其加工工艺。该技术是选取异丙醇铝[Al(C3H7O)3]为前驱物，以去离子水[H2O]作为溶剂，用硝酸[HNO3]作为胶溶剂，将这些原料按Al(C3H7O)3∶H2O∶HNO3＝1∶60－200∶0.07－0.45的比例混合均匀，利用水浴装置保持恒温85℃，同时施以强力搅拌，48小时后即获得均匀稳定的勃姆石溶胶(即Al2O3溶胶)，然后将待涂层的粉末加入溶胶中，施以强烈搅拌和超声波振荡，使之混合均匀，形成悬浊液，悬浊液静置后分层，经抽滤分离，再经真空干燥，即可得到涂层粉末。用该涂层粉末制造的刀具重磨后硬度保持不变，提高了刀具的磨损寿命。

Description

硬质合金粉末表面陶瓷涂层材料及其制备工艺
1、所属技术领域
本发明涉及到硬质合金材料及其制备方法，尤其是硬质合金粉末表面陶瓷涂层材料及其制备方法。
2、发明背景
当今世界切削加工的发展趋势就是高速度、高精度，在这一方面，陶瓷刀具以其卓越的高温性能、硬度及耐磨性显示出了极大的优越性，得到了人们的普遍重视。但是，陶瓷刀具材料的强度和韧性低，在许多加工条件下易于因破损而失效，这大大限制了它的应用范围，尤其是在自动加工领域，陶瓷刀具由于可靠性差，很少在自动化加工设备中使用。尽管陶瓷刀具材料可以通过一些增韧和补强的方法，如：颗粒增韧、相变增韧和晶须增韧等来提高其强度和断裂韧性，但提高的幅度十分有限。七十年代出现了陶瓷涂层刀具，它结合了陶瓷材料和硬质合金材料的优点，在拥有与硬质合金材料相近的强韧性能的同时，耐磨性大大提高，能达到未涂层刀具的几倍到十几倍，并且使加工效率显著提高。因此陶瓷涂层刀具在现代制造业尤其是在自动化加工中得到了广泛应用和迅速的发展，在发达国家，涂层刀具已经占到了整个刀具总量的80％以上，几乎所有的高速钢和硬质合金刀具都是经过涂层后才使用的。
目前刀具涂层方法的主流仍然是化学气相沉积(CVD)法和物理气相沉积(PVD)法，近些年来有关涂层方法的研究也主要集中在这两种方法的工艺改进上，并在此基础上发展了一些新工艺。这两种方法在生产实践中已日渐成熟，但仍存在一些问题，比较突出的是目前应用的涂层刀具只是刀片表面涂层，而且涂层与基体间的界面结合强度低，涂层易剥落，这样就使涂层不可能做得太厚，因此在使用中涂层的使用寿命不会太长，一旦涂层被磨掉，刀具就会迅速磨损。这种情况使进一步提高涂层刀具寿命变得十分困难。另外，涂层刀片基本上不具备重磨性，这将限制其在粗加工和大型加工设备中的应用。
3、发明目的
本发明的目的是发明一种在硬质合金碳化物粉末颗粒表面涂覆一薄层氧化铝陶瓷涂层的材料及其加工工艺，从而制成一种表面涂有Al2O3涂层的复合硬质合金粉末。然后用这种复合粉末烧结成刀具，这样既保持了碳化物本身较高的强度和弹性模量，又提高了其耐磨性，避免了目前刀片涂层磨损寿命低和不能重磨的缺点。用该涂层粉末制造的刀具，能实现重磨后硬度保持不变，极大地提高刀具的磨损寿命。4、发明构思
本发明的基本构思是在硬质合金碳化物粉末表面涂覆Al2O3陶瓷材料，将溶胶-凝胶法引入刀具材料的制备过程。该工艺是，选取异丙醇铝[Al(C3H7O)3]为前驱物，以去离子水[H2O]作为溶剂，用硝酸[HNO3]作为胶溶剂，将这些原料按Al(C3H7O)3∶H2O∶HNO3＝1∶60-200∶0.07-0.45(摩尔比)的比例混合均匀，利用水浴装置保持恒温85℃，同时施以强力搅拌，48小时后即获得均匀稳定的勃姆石溶胶(即Al2O3溶胶)；然后将待涂层的粉末加入溶胶中，施以强烈搅拌和超声波振荡，使之混合均匀，形成悬浊液，悬浊液静置后分层，经抽滤分离，再经真空干燥，即可得到涂层粉末。
制备溶胶的原料最佳比例(摩尔比)：选取异丙醇铝[Al(C3H7O)3]为前驱物，以去离子水[H2O]作为溶剂，用硝酸[HNO3]作为胶溶剂，这些原料的最佳比例为Al(C3H7O)3∶H2O∶HNO3＝1∶90-110∶0.09-0.25(摩尔比)。5、应用效果
溶胶—凝胶法作为一种湿化学合成方法，具有设备简单，工艺易于控制，制品纯度和均匀度高等优点，近几年被广泛用于制作超导材料、光电材料、铁电材料、光导纤维、光盘介质、纳米级陶瓷粉末及陶瓷薄膜、晶须和各种复合材料。由于溶胶中胶粒尺寸很小(纳米级)，具有很大的比表面能和强烈的吸附趋势，可形成结构致密、与基体结合牢固的陶瓷涂层。用该涂层粉末制造的刀具，其重磨后的硬度保持不变。
6、实施例：
制备溶胶的原料摩尔比例为Al(C3H7O)3∶H2O∶HNO3＝1∶100∶0.18(即用0.41Kg的Al(C3H7O)3)，3.6Kg的H2O和0.023Kg浓度为99％的HNO3配置)。将这些原料混合均匀，利用水浴加热装置保持恒温85℃，同时施以强力搅拌，48小时后即获得均匀稳定的勃姆石溶胶(即Al2O3溶胶)，然后将待涂层的硬质合金粉末TiC或(W，Ti)C加入溶胶中并进行均匀性搅拌，形成悬浊液，悬浊液静置5分钟后分层，经抽滤分离，再经真空干燥，即可得到涂层的TiC或(W，Ti)C粉末。
利用该涂层方法制备的涂层粉末，按照陶瓷刀具的配比要求配料，在一定烧结条件下进行热压烧结，就可以制备出力学性能良好的硬质合金粉末涂层陶瓷的新型陶瓷刀具。将涂层后的TiC或(W，Ti)C和粘结金属(Mo+Ni)及MgO于缸式球磨机中用Al2O3球干式混合5-10小时，混匀后将此混合料放入真空干燥箱中干燥，干燥后用100目筛筛选，用石墨模在氮气气氛中，按实施例附表中所列的温度，加压30MPa，烧结20分钟即得到致密度高于99％的坯料，经切割磨光后即制成硬质合金粉末涂层陶瓷的刀具。该刀具重磨后硬度保持不变，提高了刀具的磨损寿命。
实施例附表
  编号           组成成份(重量比)   加热温度                   力学性能
已涂层的TiC   已涂层的(W，Ti)C  Mo+Ni  MgO   硬度HV(GPa)   断裂韧性(MPa.m1/2)   抗弯强度(MPa)
  1   95％     0   4％   1％   1600℃   23±0.2   4.9±0.3   800±40
  2   0     94％   5％   1％   1700℃   20.3±0.2   5.2±0.2   980±30

Claims (2)

1.硬质合金粉末表面陶瓷涂层材料的涂层工艺，其特征为选取异丙醇铝[Al(C3H7O)3]为前驱物，以去离子水[H2O]作为溶剂，用硝酸[HNO3]作为胶溶剂，将这些原料按Al(C3H7O)3∶H2O∶HNO3＝1∶60-200∶0.07-0.45的比例混合均匀，利用水浴装置保持恒温85℃，同时施以强力搅拌，48小时后即获得均匀稳定的勃姆石溶胶(即Al2O3溶胶)；将碳化物粉末[TiC粉末或(W，Ti)C粉末]加入用溶胶-凝胶法制备的勃姆石溶胶中，施以强烈搅拌和超声波振荡，使之混合均匀，形成悬浊液，悬浊液静置后分层，经抽滤分离，再经真空干燥，即可得到涂层的碳化物粉末。
2.硬质合金粉末表面陶瓷涂层材料，其特征为用于陶瓷涂层材料的原料最佳组成比例为(摩尔比)Al(C3H7O)3∶H2O∶HNO3＝1∶90-110∶0.09-0.25。
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