一種硬質合金刀片及其製備方法與流程
2023-06-12 06:17:01
本發明涉及材料加工技術領域，具體地說，涉及一種硬質合金刀片及其製備方法。
背景技術：
理想的刀片塗層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學性能穩定(不與工件材料發生化學反應)、耐熱耐氧化、摩擦係數低，以及與基體附著牢固等要求。顯然，單一的二元塗層材料的塗層很難滿足上述要求。目前正在不斷在尋求新型塗層以及增強塗層性能的方法，以滿足實際需要。所以硬質合金塗層材料已由最初只能塗單一的TiC、TiN、Al2O3，進入到開發厚膜、複合和多元塗層的新階段。
塗層刀片作為刀具材料的一個重要的發展方向，應用日益廣泛。它在擁有與硬質合金材料相近的強韌性的同時，耐磨性是未塗層刀具的幾倍至十幾倍，並且使加工效率顯著提高。理想的硬質合金塗層材料要求有高的硬度、韌性、紅硬性，良好的化學穩定性及低的摩擦係數。而目前的硬質合金塗層材料在硬度、韌性和耐磨性的綜合性能方面不能滿足現在的需求。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的問題，本發明提供了一種硬質合金刀片及其製備方法。該刀片通過塗有的塗層材料，達到高硬度、高耐磨性的效果。
本發明具體的技術方案如下：
本發明提供了一種硬質合金刀片，所述硬質合金刀片的表面塗有TiN-Ti(C,N)過渡層，在TiN-Ti(C,N)過渡層上鍍有金剛石塗層。
優選的，所述TiN的厚度為0.2～0.7μm，所述Ti(C,N)的厚度為3～5μm。
優選的，所述金剛石的塗層厚度為10～20μm。
本發明還提供上述硬質合金刀片的製作方法，其特徵在於，包括以下步驟：
(1)採用化學氣象沉積法在基體表面塗TiN-Ti(C,N)過渡層；
(2)上述硬質合金刀具經丙酮清洗脫水後，放入化學氣相沉積金剛石生長設備中進行金
剛石塗層。
其中，步驟(1)中，所述化學氣象沉積法在基體表面塗TiN-Ti(C,N)過渡層的具體方法為：
(1.1)釆用N2、H2、TiCl4反應氣體體系製備TiN塗層，沉積溫度為900～1000℃，沉積室壓力為5～20MPa，1～2h後完成TiN塗層的沉積；
(1.2)釆用TiCl4、CH3CN為Ti源和C、N源，採用H2為載氣在TiN塗層表面製備Ti(C,N)塗層，具體參數為：沉積溫度800～900℃，沉積時間1～4h，沉積室壓力5～20MPa；CH3CN、TiCl4和H2的體積比為1～2:2～3:100。
其中，步驟(2)中，所述金剛石塗層的具體步驟包括：
(2.1)把塗有TiN-Ti(C,N)過渡層的硬質合金刀片放入化學氣相沉積金剛石生長設備的真空室，使刀具頂端距離電阻絲3mm-4mm；
(2.2)打開冷卻水系統，先抽真空到10託，然後打開熱絲電源，加電流達到600A時，打開氫氣質量流量計，流量為900～1000SDDM；打開甲烷質量流量計，流量為250～300SDDM；
(2.3)3～4小時後減小電流，關閉甲烷流量計，20分鐘後電流為零，此時關閉氫氣流量計，1-1.5小時後關閉冷卻系統，完成在TiN-Ti(C,N)過渡層表面鍍制一層厚度為10～20um的金剛石膜。
與現有技術相比，本發明的優點在於：
本發明中採用化學氣象沉積法在硬質合金刀片的表面塗有TiN-Ti(C,N)過渡層和金剛石塗層。通過確定載氣源和碳源、氮源及鈦原，確定了化學氣象沉積法的工藝參數。製備得到的硬質合金刀具通過塗有過渡層和金剛石層，保證了硬質合金刀具的硬度及抗磨損能力，具有極大的應用性能。且塗層之間的結合力高，不易發生爆裂或脫落現象，塗層與基體之間也具有很好的附著力，為提高硬質合金刀具的性能提供了工藝保證。
具體實施方式
下面將結合本發明中的實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明在硬質合金刀片上採用化學氣象沉積法先在基體表面塗TiN-Ti(C,N)過渡層，再在TiN-Ti(C,N)過渡層上塗金剛石塗層。採用TiN塗層做為基底層可有效減小塗層刀具抗彎強度的下降幅度，從而增大塗層刀具的抗衝擊初性，提高塗層刀具的使用性能。採用Ti(C,N)作為主塗層時得到的複合塗層的耐磨性能好，軔性高，抗熱震性能也好。在使用時，即使刀具刃口部分溫度很高，也不容易產生熱裂紋，有效地延長了刀具的使用壽命。在這樣的過渡層上再進行化學氣象沉積金剛石塗層，既能保證硬質合金刀具原有的強度和鋒利度，又可以通過金剛石塗層，大幅度提高刀具的耐磨性，加工效率和使用壽命。
實施例1
通過供氣系統將H2和N2輸送至CVD反應器中，由氣體質量流量計測量調節其流速。也太的TiCl4由液體質量流量計測量和調節，導入蒸發器中加熱蒸發，並由H2或Ar作為載氣將其送到反應器中。蒸發器的壓力設定為10MPa，並由壓力儀表測量控制。調整N2、TiCl4、H2的體積比為2.5:2.9:100。將硬質合金刀片基體放入CVD反應器中，調整反應器的溫度為920℃，1h後完成TiN塗層的沉積，其厚度為0.5μm。
將供氣系統更改為H2，蒸發器中流入TiCl4、CH3CN加熱蒸發，保持蒸發器的壓力不變，由H2或Ar作為載氣將其送到反應器中。調整CH3CN、TiCl4和H2的體積比為1:2:100，3h後完成Ti(C,N)塗層的沉積，其厚度為3μm。
上述硬質合金刀片經丙酮清洗脫水後再放入化學氣相沉積金剛石生長設備中進行金剛石塗層，即可得到具有TiN-Ti(C,N)過渡層的硬質合金刀具。
實施例2
通過供氣系統將H2和N2輸送至CVD反應器中，由氣體質量流量計測量調節其流速。也太的TiCl4由液體質量流量計測量和調節，導入蒸發器中加熱蒸發，並由H2或Ar作為載氣將其送到反應器中。蒸發器的壓力設定為5MPa，並由壓力儀表測量控制。調整N2、TiCl4、H2的體積比為2.1:2.2:100。將硬質合金刀片基體放入CVD反應器中，調整反應器的溫度為980℃，2h後完成TiN塗層的沉積，其厚度為0.7μm。
將供氣系統更改為H2，蒸發器中流入TiCl4、CH3CN加熱蒸發，保持蒸發器的壓力不變，由H2或Ar作為載氣將其送到反應器中。調整CH3CN、TiCl4和H2的體積比為1.7:2.5:100，5h後完成Ti(C,N)塗層的沉積，其厚度為5μm。
上述硬質合金刀片經丙酮清洗脫水後再放入化學氣相沉積金剛石生長設備中進行金剛石塗層，即可得到具有TiN-Ti(C,N)過渡層的硬質合金刀具。
實施例3
通過供氣系統將H2和N2輸送至CVD反應器中，由氣體質量流量計測量調節其流速。也太的TiCl4由液體質量流量計測量和調節，導入蒸發器中加熱蒸發，並由H2作為載氣將其送到反應器中。蒸發器的壓力設定為20MPa，並由壓力儀表測量控制。調整N2、TiCl4、H2的體積比為2.7:2.0:100。將硬質合金刀片基體放入CVD反應器中，調整反應器的溫度為950℃，1.5h後完成TiN塗層的沉積，其厚度為0.4μm。
將供氣系統更改為H2，蒸發器中流入TiCl4、CH3CN加熱蒸發，保持蒸發器的壓力不變，由H2作為載氣將其送到反應器中。調整CH3CN、TiCl4和H2的體積比為1.7:2.4:100，4h後完成Ti(C,N)塗層的沉積，其厚度為4μm。
上述硬質合金刀片經丙酮清洗脫水後再放入化學氣相沉積金剛石生長設備中進行金剛石塗層，即可得到具有TiN-Ti(C,N)過渡層的硬質合金刀具。
上述實施方式旨在舉例說明本發明可為本領域專業技術人員實現或使用，對上述實施方式進行修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，故本發明包括但不限於上述實施方式，任何符合本權利要求書或說明書描述，符合與本文所公開的原理和新穎性、創造性特點的方法、工藝、產品，均落入本發明的保護範圍之內。