一種硬質合金及提高其pvd塗層膜基結合力的方法
2023-06-08 16:42:41
一種硬質合金及提高其pvd塗層膜基結合力的方法
【專利摘要】一種高膜基結合力的PVD塗層硬質合金，所述硬質合金為超細純板狀晶WC–Co硬質合金，同時含Cr、V和稀土添加劑，合金燒結體表面WC(0001)晶面和晶面所對應的X射線衍射峰強比值合金中WC超細晶粒為正三稜柱板狀納米晶粒。提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法是選擇超細純板狀晶WC–Co硬質合金作為基體，依次進行超固相線真空淬火、機械磨拋、電化學拋光、表面清洗後，鍍覆PVD塗層。本發明提供的硬質合金及提高膜基結合力的方法，可以有效提高金屬氮化物PVD塗層與硬質合金基體之間的膜基結合力及穩定性，延長PVD塗層硬質合金的使用壽命，適於工業化應用，解決了膜基結合力穩定性控制難題。
【專利說明】-種硬質合金及提高其PVD塗層膜基結合力的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種硬質合金及提高其PVD塗層膜基結合力的方法，特別是指一種高 膜基結合力的PVD塗層硬質合金及其製備方法，屬於粉末冶金複合材料【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 金屬氮化物通常為立方晶體結構，因具有高硬度、高耐磨性、優異的高溫抗氧化性 能、高化學性質穩定性以及良好的耐腐蝕性能，除用作切削刀具的表面改性外，還廣泛應用 於高溫、潮溼、高鹽度等各種複雜服役工況條件下工具的表面防護。作為典型的多元金屬氮 化物硬質材料，立方晶體結構的AlTiN、AlCrN和AlCrSiWN塗層是目前較常用的商業化塗 層。
[0003] 硬質合金塗層技術主要分為物理氣相沉積技術（PVD)與化學氣相沉積（CVD)兩大 類。其中PVD主要分為陰極電弧離子鍍與磁控濺射鍍兩大類。由於製備工藝條件的不同， CVD相對於PVD的最大優勢在於CVD塗層可獲得高的膜基結合力。因此，提高PVD塗層膜基 結合力是提高PVD塗層刀具產品質量和提高PVD塗層競爭力的重要手段。
[0004] 塗層與基體之間的結合強度，即膜基結合力是塗層工具的一項關鍵性能指標。因 晶體結構特性差異，立方晶體結構的金屬氮化物在六方晶體結構的WC晶體表面形核具有 明顯的各向異性，通常僅能在wc(oooi)晶面形核，這種形核的明顯各向異性容易導致塗層 內應力增加、膜基結合力降低以及膜基結合力穩定性降低。因此提高具有明顯形核各向異 性的金屬氮化物PVD塗層的膜基結合力具有一定的挑戰性。
[0005] 對塗層硬質合金，膜基結合力通常採用劃痕試驗法測定。劃痕試驗法採用特定形 狀的金剛石壓頭在薄膜一基體組合體的薄膜表面滑動，在此過程中連續線性增加載荷L，當 達到臨界載荷值Lc時，薄膜與基體開始剝離，此時薄膜會產生一定強度且連續波動的聲發 射信號。聲發射峰出現波動的起始點所對應的載荷值即為被測膜材料從基體脫落的臨界載 荷Lc。Lc是劃痕試驗法膜基結合力的表徵參數。
[0006] 研究結果表明，在相同塗層製備工藝條件下，膜基結合力與合金基體材質密切相 關。合金中晶界和相界具有一定的應力鬆弛功能，塗層也容易在晶界形核。合金晶粒的超 細化有利於塗層的形核，有利於塗層形核均質性的改善，有利於膜基結合力的改善。
[0007] 六方晶體結構傳統形貌WC晶體的c/a值接近0. 976,而六方晶體結構板狀晶WC晶 體的c/a值遠小於0. 976 (a :對應三角稜邊長；c :對應三角稜高度）。板狀晶硬質合金是指 合金中具有板狀晶特徵的WC晶粒體積與合金中WC晶粒總體積之比（簡稱板狀晶WC體積 分數）>20%的硬質合金。板狀晶硬質合金分為含板狀晶硬質合金與板狀晶WC體積分數 > 80%的純板狀晶硬質合金。傳統硬質合金的硬度與韌性是一對相互矛盾的參數，提高硬 度要以犧牲韌性為代價，反之亦然。
[0008] 張立等報導了"一種細小純板狀晶硬質合金及其製備方法"（發明專利申請號 201310017459. 8)，成功地解決了傳統板狀晶硬質合金強度偏低的問題，這種細小純板狀晶 硬質合金具有高強度、高硬度和高韌性"三高"特性以及高WC硬質相與Co基粘結相相界密 度的特徵，但是該專利僅涉及合金的製備工藝，不涉及其應用技術。
[0009]目前沒有通過採用板狀晶硬質合金基體材質提高塗層硬質合金膜基結合力的報 道。
【發明內容】
[0010] 本發明的一個目的是提供一種高膜基結合力的PVD塗層硬質合金。
[0011] 本發明的另一個目的在於提供一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，以 提供提高具有明顯形核各向異性的金屬氮化物PVD塗層與硬質合金基體之間膜基結合力 這一具有一定挑戰性難題的解決途徑，解決困擾企業界的膜基結合力穩定性控制的難題。
[0012] 本發明一種高膜基結合力的PVD塗層硬質合金，所述硬質合金為超細純板狀晶 WC - Co硬質合金；
[0013] 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金中同時含Cr、V和稀土添加劑，所述Cr、V和 稀土添加量分別佔合金中Co質量分數的6%?8%、3%?4%和0. 4%?0. 6% ;所述Cr、 V和稀土添加形態與添加量分別以Cr3C2、VC和氧化物計；所述稀土元素選自常見稀土元素 La、Ce、Y中的一種；
[0014] 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金燒結體表面WC (0001)晶面和(丨〇1〇)晶面所對 應的X射線衍射峰強比值/_1)//(丨0丨0) 3 1.0;
[0015] 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金中正三稜柱形WC板狀晶粒的正三角形（0001) 晶面平均邊長< 〇· 6 μ m，稜柱平均高度< 0· 2 μ m ;
[0016] 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金採用WC晶粒度彡100納米的WC - Co納米復 合粉為原料，複合粉通過溶液噴霧轉化一原位還原碳化工藝製備。
[0017] 本發明一種高膜基結合力的PVD塗層硬質合金，所述超細純板狀晶WC - Co硬質 合金中，Cr、V和稀土添加量分別佔合金中Co質量分數的6%?8%、3%?4%和0.4%? 0. 6 % ;所述Cr、V和稀土添加形態與添加量分別以Cr3C2、VC和氧化物計；所述稀土元素選 自常見稀土元素 La、Ce、Y中的一種。
[0018] 本發明一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，是：
[0019] 選擇超細純板狀晶WC - Co硬質合金作為基體，先將所述基體進行超固相線真空 淬火處理，然後，依次進行機械磨拋處理、電化學拋光處理、表面清洗處理，最後，對基體表 面鍍覆PVD塗層。
[0020] 本發明一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，所述超細純板狀晶WC - Co 硬質合金中同時含Cr、V和稀土添加劑，所述Cr、V和稀土添加量分別佔合金中Co質量分 數的6%?8%、3%?4%和0. 4%?0. 6% ;所述Cr、V和稀土添加形態與添加量分別以 Cr3C2、VC和氧化物計；所述稀土元素選自常見稀土元素 La、Ce、Y中的一種；
[0021] 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金燒結體表面WC (0001)晶面和(Ι0?0)晶面所對 應的X射線衍射峰強比值/(000 1)//(丨0?0)蘭1.0;
[0022] 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金中，WC超細晶粒為正二稜柱板狀晶粒，正二稜 柱形WC板狀晶粒的正三角形（0001)晶面平均邊長彡0. 6 μ m，稜柱平均高度彡0. 2 μ m。
[0023] 本發明一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，所述超固相線真空淬火處 理是將合金基體放入雙室真空熱處理爐的真空室，加熱至1360?1380°C，保溫30?40min 後，進行液氮淬火。
[0024] 本發明一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，所述電化學拋光處理是將 合金基體裝入網狀鈦籃中作為陽極，浸入電解液中，槽電壓為3. 0?4. 0V，槽電流為0. 1? 0. 3A/cm2,處理時間為3?5min，槽溫為室溫。
[0025] 本發明一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，所述電解液的溶劑為去離 子水，每升溶劑中含K 2C038?12g，KC14?6g，丙三醇20?30ml。
[0026] 本發明一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，PVD塗層採用陰極電弧離 子鍍或磁控濺射鍍工藝進行鍍覆。
[0027] 本發明一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，PVD塗層材質為具有立方 晶體結構的金屬氮化物硬質材料。
[0028] 本發明一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，PVD塗層材質金屬氮化物 硬質材料選自AlCrN、AlTiN、AlCrSiWN中的一種。
[0029] 本發明的機理及優點簡述於下：
【權利要求】
1. 一種高膜基結合力的PVD塗層硬質合金，其特徵在於：所述硬質合金為超細純板狀 晶WC - Co硬質合金； 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金中同時含Cr、V和稀土添加劑； 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金燒結體表面WC(0001)晶面和(Ι0?0)晶面所對應的 X射線衍射峰強比值/(_丨)//(丨0丨0) ^ 1.0; 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金中WC超細晶粒為正二稜柱板狀晶粒，正二稜柱形 WC板狀晶粒的正三角形（0001)晶面平均邊長彡0. 6 μ m，稜柱平均高度彡0. 2 μ m。
2. 根據權利要求1所述的一種高膜基結合力的PVD塗層硬質合金，其特徵在於：所述 超細純板狀晶WC - Co硬質合金中，Cr、V和稀土添加量分別佔合金中Co質量分數的6 %? 8%、3%?4%和0.4%?0.6%;所述0、￥和稀土添加形態與添加量分別以03(：2、￥(：和氧 化物計；所述稀土元素選自常見稀土元素 La、Ce、Y中的一種。
3. -種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，其特徵在於： 選擇超細純板狀晶WC - Co硬質合金作為基體，先將所述基體進行超固相線真空淬火 處理，然後，依次進行機械磨拋處理、電化學拋光處理、表面清洗處理，最後，對基體表面鍍 覆PVD塗層。
4. 根據權利要求3所述的一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，其特徵在 於： 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金中同時含Cr、V和稀土添加劑，所述Cr、V和稀土 添加量分別佔合金中Co質量分數的6%?8%、3%?4%和0. 4%?0. 6% ;所述Cr、V和 稀土添加形態與添加量分別以Cr3C2、VC和氧化物計；所述稀土元素選自常見稀土元素 La、 Ce、Y中的一種； 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金燒結體表面WC (0001)晶面和(Ι0?0)晶面所對應的 X射線衍射峰強比值Αη"(1〇?"〇) ^ 1.〇; 所述超細純板狀晶WC - Co硬質合金中，WC超細晶粒為正二稜柱板狀晶粒，正二稜柱形 WC板狀晶粒的正三角形（0001)晶面平均邊長彡0. 6 μ m，稜柱平均高度彡0. 2 μ m。
5. 根據權利要求3所述的一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，其特徵是： 超固相線真空淬火處理是將合金基體放入雙室真空熱處理爐的真空室，加熱至1360? 1380°C，保溫30?40min後，進行液氮淬火。
6. 根據權利要求3所述的一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，其特徵是： 所述電化學拋光處理是將合金基體裝入網狀鈦籃中作為陽極，浸入電解液中，槽電壓為 3. 0?4. 0V，槽電流為0. 1?0. 3A/cm2,處理時間為3?5min，槽溫為室溫。
7. 根據權利要求6所述的一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，其特徵是： 所述電解液的溶劑為去離子水，每升溶劑中含K 2C038?12g，KC14?6g，丙三醇20?30ml。
8. 根據權利要求3所述的一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，其特徵是： PVD塗層採用陰極電弧離子鍍或磁控濺射鍍工藝進行鍍覆。
9. 根據權利要求3?8任意一項所述的一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方 法，其特徵是：PVD塗層材質為具有立方晶體結構的金屬氮化物硬質材料。
10.根據權利要求9所述的一種提高硬質合金PVD塗層膜基結合力的方法，其特徵是： PVD塗層材質金屬氮化物硬質材料選自AlCrN、AlTiN、AlCrSiWN中的一種。
【文檔編號】C22C29/08GK104120322SQ201410376915
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】張立, 陳述, 吳厚平, 熊湘君 申請人:中南大學