CN115466870A

CN115466870A - 一种提升硬质合金基体与涂层结合力的方法

Info

Publication number: CN115466870A
Application number: CN202211131377.1A
Authority: CN
Inventors: 佘俊杰; 吴宗; 何伟坚; 贺鹏; 袁美和; 谭文清
Original assignee: Oke Precision Cutting Tools Co ltd
Current assignee: Oke Precision Cutting Tools Co ltd
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2042-09-16
Also published as: CN115466870B

Abstract

本发明公开了一种提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，所述硬质合金基体中含有金属氧化物颗粒，所述涂层中含有金属氧化物对应的金属元素。本发明通过结合氧化物弥散强化和PVD涂层，使涂层与基体结合力显著提升。在保证硬质合金基体高硬度、高耐磨性的同时，增强了其与高韧性、高抗氧化性涂层的结合力。从而优化了切削性能，延长了使用寿命。另外，本发明利用氧化物前驱体盐溶液添加氧化物的制备方法，改善了氧化物弥散强化不均匀，应力集中的现状，使得刀具具有更好的耐磨性和更长的寿命。

Description

一种提升硬质合金基体与涂层结合力的方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，更具体地，涉及一种提升硬质合金基体与涂层结合力的方法。

背景技术

硬质合金是由难熔金属硬质化合物和金属粘结剂经粉末冶金方法而制备的材料。传统硬质合金是多角形WC相和粘结相Co组成的两相合金，其具备高硬度、高耐磨性及较高的高温硬度，目前主要运用与机械加工领域。随着科学技术的发展，硬质合金的用途愈加广泛，人们对其性能要求也越来越高。一方面，研究发现通过添加其他金属元素(钽、铌、铬、钒)碳化物可以提升硬质合金的本征性能，包括硬度、强度、韧性和耐磨性等；另一方面，人们开始大力研究涂层刀具，通过在硬质合金表面涂上一层硬质化合物(如TiC、TiN等)，可以显著提高刀具的寿命和加工效率。目前涂层刀具是硬质合金刀具市场的重要组成部分。为了提高硬质合金刀具的硬度、耐磨性和抗氧化性，近年来可以满足需求的多元复合涂层备受关注。涂层与合金基体之间的结合强度是制约涂层刀具使用寿命的关键因素，随着加工精度不断提高以及加工工况日渐复杂，对结合力的要求也越来越高。

公告号为CN104120322B的中国发明专利公开了一种提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，所述硬质合金为超细纯板状晶WC–Co硬质合金，同时含 Cr、V和稀土添加剂，合金烧结体表面WC(0001)晶面和晶面所对应的X射线衍射峰强比值合金中WC超细晶粒为正三棱柱板状纳米晶粒。上述技术方案可以提高金属氮化物PVD涂层与硬质合金基体之间的膜基结合力及稳定性，上述技术方案对硬质合金基体的要求较高，不适于推广使用，而且忽视了涂层和硬质合金基体之间的配合。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种提升涂层硬质合金刀具涂层结合力的方法，硬质合金基体中包含氧化物颗粒可以进行弥散强化，涂层中含有氧化物对应金属元素以提升与基体结合力。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，所述硬质合金基体中含有金属氧化物颗粒，所述涂层中含有金属氧化物对应的金属元素。进一步地，所述硬质合金基体中的金属氧化物为氧化钇、氧化铁、氧化铝、氧化钼、氧化锆的至少一种。

进一步地，所述涂层中的金属元素为对应的钇、铁、铝、钼、锆的至少一种。

进一步地，所述硬质合金基体中金属氧化物的质量分数为1～20％，涂层中金属氧化物对应金属元素的质量分数为2～10％。

一种上述提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，包括以下步骤：

S1.对硬质合金原材料、金属氧化物或金属氧化物前驱体进行配料，然后与成型剂混合均匀，再湿磨，过筛，得到含氧化物或氧化物前驱体的基体混合粉末；

S2.对步骤S1中制备的基体混合粉末进行压制，烧结，得到含氧化物的硬质合金基体；

S3.在步骤S2中制备的硬质合金基体表面镀覆含有金属氧化物对应的金属元素的涂层，得到涂层硬质合金刀具。

进一步地，步骤S1中所述成型剂为石蜡或聚乙二醇，成型剂应用于硬质合金制备过程中能够在合金在模具中挤压成型时起到润滑作用，降低挤出成型时的压力，便于硬质合金脱模，且成型剂具备良好的热塑性，使其掺杂在硬质合金中，在煅烧、挤压过程中，能够提高硬质合金成型的效率。

进一步地，步骤S1中所述湿磨设备为球磨机，球磨介质为无水乙醇。

进一步地，所述金属氧化物前驱体经去离子水溶解后，形成盐溶液，与原料粉末及球磨介质混合。

进一步地，步骤S2中烧结过程采用低压烧结，保护气氛为氩气，氩气是惰性气体，化学性质非常稳定，应用于低压烧结过程，使之不与空气中的氧、氮等物质起化学反应。

进一步地，步骤S3中所述涂层为PVD涂层，经离子溅射工艺形成，PVD 涂层具有硬度高、耐磨性强、抗高温氧化性好等特性，将其作为耐磨涂层沉积在传统硬质合金刀具表面可大幅提高难加工材料的切削效率和加工质量。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过结合氧化物弥散强化和PVD涂层，使得涂层与基体结合力显著提升。在保证硬质合金基体高硬度、高耐磨性的同时，增强了其与高韧性、高抗氧化性涂层的结合力；从而优化了切削性能，延长了使用寿命。

本发明利用氧化物前驱体盐溶液添加氧化物的制备方法，改善了氧化物弥散强化不均匀，应力集中的现状，使得刀具具有更好的耐磨性和更长的寿命。

附图说明

图1：实施例2失效后后刀面磨损图片；

图2：实施例3即对比例1失效后后刀面磨损图片；

图3：实施例4即对比例2失效后后刀面磨损图片；

图4：实施例2涂层与基体划痕图片；

图5：实施例3即对比例1涂层与基体划痕图片；

图6：实施例4即对比例2涂层与基体划痕图片。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

本实施例1提供一种提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，所述硬质合金基体中含有金属氧化物颗粒，所述涂层中含有金属氧化物对应的金属元素。进一步地，所述硬质合金基体中的金属氧化物为氧化钇、氧化铁、氧化铝、氧化钼、氧化锆的至少一种。

进一步地，步骤S2中烧结过程采用低压烧结，主要过程为利用压力机对步骤S1制备的粉末进行压制，然后进行烧结。烧结工艺如下：将压制块体放入氩气气氛的烧结炉中进行烧结，首先，先对炉体抽真空后，再通入流动高纯氩气并保持一定的氩气流量，炉内压制块体在一定压力的流动氩气氛围下进行烧结，烧结的最高温度1410℃，烧结压力55bar，烧结后出的产品性能稳定，该方法有效避免压制块体被氧化，且流动氩气极大缩短压制块体的降温时间，节约能耗，大大提高生产效率。

实施例2

本实施例2采用实施例1提供的一种提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，技术方案包括以下步骤：

S1.制备含氧化物颗粒的硬质合金基体粉末，将原料以m(WC):m(Co):m(Y2O3)＝0.85：0.1：0.5比例进行配比，其中Y(NO₃)₃先通过去离子水溶解形成盐溶液，再将溶液与其他粉末充分搅拌进行添加，使用无水乙醇作为球磨介质，将混合粉末(1kg)与无水乙醇(235ml)置于2.4L球磨罐中，添加质量分数2％的聚乙二醇作为成型剂，湿磨24h后烘干得到球磨粉体。干燥粉体用60目筛网过筛。

S2.利用压力机对步骤S1制备的粉末进行压制，然后进行烧结。烧结工艺如下：将压制块体放入氩气气氛的烧结炉中进行烧结，首先，先对炉体抽真空后，再通入流动高纯氩气并保持一定的氩气流量，炉内压制块体在一定压力的流动氩气氛围下进行烧结，烧结的最高温度1410℃，烧结压力55bar，烧结后出的产品性能稳定，该方法有效避免压制块体被氧化，且流动氩气极大缩短压制块体的降温时间，节约能耗。

S3.将步骤S2制备的硬质合金基体涂覆PVD涂层，得到涂层硬质刀具。涂层成分为AlCrTiSiN-Y的含钇氮化物涂层，其中铝、铬、钛、硅、钇的成分比例为55：20：20；3：2。

实施例3

本实施例3为实施例2的对比例1，实施例3提供一种提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，以WC-10Co硬质合金为参照，包括以下步骤：

S1.制备硬质合金基体粉末，以WC-10Co硬质合金为参照，将原料以 m(WC):m(Co)＝0.9:0.1比例进行配比比例进行配比，使用无水乙醇作为球磨介质，将混合粉末(1kg)与无水乙醇(235ml)置于2.4L球磨罐中，添加质量分数2％的聚乙二醇作为成型剂，湿磨24h后烘干得到球磨粉体。干燥粉体用60目筛网过筛。

S3.将步骤S2制备的硬质合金基体涂覆PVD涂层，得到涂层硬质刀具。涂层成分为AlCrTiSiN-Y的含钇氮化物涂层，其中铝、铬、钛、硅、钇成分比例为55：20：20；3：2。

实施例4

此实施例4为实施例2的对比例2，实施例4提供一种提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，以WC-10Co硬质合金为参照，本对比例在PVD涂层中未添加金属元素，包括以下步骤：

S1.制备硬质合金基体粉末，以WC-10Co硬质合金为参照，将原料以 m(WC):m(Co):m[Y(NO₃)₃]＝0.85：0.1：0.05比例进行配比，其中Y(NO₃)₃先通过去离子水溶解形成盐溶液，再将溶液与其他粉末充分搅拌进行添加，使用无水乙醇作为球磨介质，将混合粉末(1kg)与无水乙醇(235ml)置于2.4L球磨罐中，添加质量分数2％的聚乙二醇作为成型剂，湿磨24h后烘干得到球磨粉体。干燥粉体用60目筛网过筛。

S3.将步骤S2制备的硬质合金基体涂覆PVD涂层，得到涂层硬质刀具，涂层成分为AlCrTiSiN的氮化物涂层，其中铝、铬、钛、硅成分比例为55：20： 20；5。

对实施例2和对比实施例3、4的涂层刀片进行切削性能评估，后刀面磨损量对比结果如表1所示。

表1

实施例	6min(mm)	12min(mm)	21min(mm)
				实施例2	0.14	0.15	0.33
实施例3	0.14	0.17	0.36
				实施例4	0.15	0.34	已失效

通过对表1各实施例磨损量进行比较，相较于实施例3和实施例4的对比例，实施例2所提供的涂层刀具耐磨性更好，切削寿命更长。

为了进一步比较各实施案例的切削性能，选取各实施例2以及对比例实施例3和实施例4，将磨损量达到0.3mm左右即刀片失效后的磨损图样进行对比。结果如图1～3所示。

利用划痕仪器，对各实施例的涂层结合力进行测试，结果如表2所示，划痕图片见图4～6。

表2

实施例	结合力(N)
		实施例2	80.0
对比例3	63.5
		对比例4	75.1

本发明通过结合氧化物弥散强化和PVD涂层，使得涂层与基体结合力显著提升。在保证硬质合金基体高硬度、高耐磨性的同时，增强了与高韧性、高抗氧化性涂层的结合力；从而提高了刀具的切削性能和使用寿命。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、 “第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims

1.一种提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，其特征在于，所述硬质合金基体中含有金属氧化物颗粒，所述涂层中含有金属氧化物对应的金属元素。

2.根据权利要求1所述的提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，其特征在于，所述硬质合金基体中的金属氧化物为氧化钇、氧化铁、氧化铝、氧化钼、氧化锆的至少一种。

3.根据权利要求2所述的提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，其特征在于，所述涂层中的金属元素为对应的钇、铁、铝、钼、锆的至少一种。

4.根据权利要求1所述的提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，其特征在于，所述硬质合金基体中金属氧化物的质量分数为1～20％，涂层中金属氧化物对应金属元素的质量分数为2～10％。

5.一种权利要求1～4任一项所述的提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，其特征在于，步骤S1中所述成型剂为石蜡或聚乙二醇。

7.根据权利要求5所述的提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，其特征在于，步骤S1中所述湿磨设备为球磨机，球磨介质为无水乙醇。

8.根据权利要求5所述的提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，其特征在于，所述金属氧化物前驱体经去离子水溶解后，形成盐溶液，与原料粉末及球磨介质混合。

9.根据权利要求5所述的提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，其特征在于，步骤S2中烧结过程采用低压烧结，保护气氛为氩气。

10.根据权利要求5所述的提升硬质合金基体与涂层结合力的方法，其特征在于，步骤S3中所述涂层为PVD涂层，经离子溅射工艺形成。