基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，包括：S1，基体准备：采用金刚石磨砂盘对粗晶硬质合金基体的表面进行研磨、抛光；表面清洗；表面纳米化：将粗晶硬质合金基体进行表面纳米化处理，表面纳米化方法为超声喷丸、超声滚压或超声冲击中的至少一种；涂层制备：将基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，以磁控溅射方法镀覆TiAlN涂层，即得。本发明专利技术提高了基体材料的力学性能和膜基结合能力，提高了涂层的综合性能，制备工艺简单，成本低，解决了现有技术中的问题。

Preparation of coatings based on nanocrystallization of cemented carbide matrix surface

【技术实现步骤摘要】
基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法
本专利技术属于硬质合金涂层
，涉及一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法。
技术介绍
随着金属切削技术的发展，特别是高速高效切削、干式切削和硬切削等新工艺的出现，对金属切削加工刀具提出了更高的技术要求。刀具涂层处理作为提升刀具综合性能的重要途径，其重要意义在于将刀具基体和涂层的特性结合起来，既保持了金属基体良好的韧性，也具备了涂层高硬度和高耐磨性等特点，从而实现了传统刀具的综合改性，能有效提高加工效率与加工精度，延长刀具使用寿命，从而降低生产成本，适应了现代制造业对切削技术和切削刀具的高技术要求。因此，刀具涂层技术被认为是切削技术和切削刀具发展史上的一次革命。目前，发达国家在切削加工中使用涂层刀具的占比越来越大。其中，可转位硬质合金刀片的涂层比例达到70%左右；在欧洲，齿轮加工刀具中涂层刀具的比例高达近90%；在美国，新型数控机床所用涂层刀具的整体比例已达到了80%左右。长期以来国内外涂层刀具的研究和应用主要集中在金属氧化物、氮化物、碳化物等二元涂层材料方面。然而，强共价键结合的特性导致该类涂层的韧性较差以及抗氧化物性能较差。近年来为有效解决上述缺点，具有复合结构的多元化金属涂层成为主流研究方向。TiAlN涂层是通过在传统TiN涂层的基础上固溶Al元素，由于表面Al原子在摩擦过程会发生氧化生成高硬度的Al2O3相显著提高涂层整体硬度，同时，Al原子会产生固溶强化和细晶强化作用，能显著提高涂层致密度和耐磨性，使其得到了广泛的研究和应用。相较于其他涂层制备技术，磁控溅射具有成膜温度低、膜基结合力强、膜层综合性能优异、简单易行等优点，是制备高品质TiAlN涂层的主要方法。目前TiAlN涂层的研究主要集中在涂层制备和涂层性能表征方面，而对高品质、集成功能优势涂层所需的更优异力学性能和膜基结合能力的基体材料处理的研究较少，同时涂层性能的增强效应机理研究工作也相对较少。传统提高材料表面性能的改性技术包括渗碳、氮化、物理/化学气相沉积、表面淬火、离子注入、合金化等表面物理化学处理技术，使表层的组织结构发生变化，提高材料的耐磨性、耐蚀性，从而降低生产成本，制造出具有各种表面功能的新型复合材料。但这些传统表面改性方法存在一定的难以避免的缺陷，如氮化工艺温度高、持续时间长、工件易于变形等；离子注入则存在注入层浅，容易引起表层缺陷数量增多等问题。纳米晶材料由于具有大量的晶界以及极细的晶粒，拥有传统粗晶材料所不具备的特殊性能以及力学行为，展现出极大的工程应用潜力。目前对纳米材料的研究主要集中在三维块状纳米材料的合成制备工艺，微观结构表征以及材料的性能等方面。近年来，尽管提出了许多制备块状纳米材料的方法，例如球磨法，非晶晶化法，电解沉积法等，但上述制备方法工艺复杂、成本高昂或受材料本身的尺寸限制，以及存在孔隙、污染等缺陷，使得目前三维块状纳米金属材料的实际工程应用仍然存在较大的困难。表面纳米化技术可以在金属基体表面形成梯度纳米晶粒层，成分与基体一致，结构呈梯度变化，在使用过程中不会发生剥层和分离，不仅可为涂层提供力学性能更为优良的基底材料，而且纳米晶粒基底可以通过促进膜基界面元素扩散和影响膜层的形核与早期生长而强化膜基界面，为改善膜基结合性能、提高材料使用性能提供了新途径。表面纳米化这一概念一被提出即引起国内外同行的广泛关注，并在1999年的第五次国际材料大会上被列为今后几年内纳米材料领域最有实际应用前景的技术之一。金属表面纳米化已经成为提高传统工程金属材料性能和使用寿命的重要手段，有效的克服了传统三维块体纳米金属材料的制备困难，尤其是表面机械加工处理法在金属表面形成的纳米层，而且易于实现规模化生产，极具开发应用的潜力。经过表面纳米化处理后的表层具有很高的化学活性，会显著促进后续的表面物理化学处理进程。若将表面纳米化和涂层技术相结合，是克服传统表面改性技术缺点的一个重要途径，同时有望获得性能更加优异的材料表层。截止目前尚未发现有通过对硬质合金基体材料表面纳米化手段来改善其膜基结合能力，提高涂层综合性能的报道。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，提高了基体材料的力学性能和膜基结合能力，提高了涂层的综合性能，制备工艺简单，成本低，解决了现有技术中的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，具体按照以下步骤进行：S1，基体准备：采用金刚石磨砂盘对粗晶硬质合金基体的表面进行研磨、抛光；S2，表面清洗：将粗晶硬质合金基体在丙酮溶液中超声清洗3-30min，清洗完成后吹干；S3，表面纳米化：将粗晶硬质合金基体进行表面纳米化处理，表面纳米化方法为超声喷丸、超声滚压或超声冲击中的至少一种；S4，涂层制备：将基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，以磁控溅射方法镀覆TiAlN涂层，即得。进一步的，所述步骤S3中，超声喷丸是利用超声波的高频冲击载荷对金属表面进行高速重复冲击，在金属表面产生较深的残余压应力层和硬化层；喷丸介质为不锈钢球、硬质合金球、氧化铝陶瓷球中的任意一种；喷丸介质的直径为1-5mm；喷丸时间：15-60min；超声频率：15-20KHz。进一步的，所述步骤S3中，超声滚压是用超声冲击能量和静载滚压相结合，采用压头对金属零部件表面进行高速撞击处理，压头为直径14mm的硬质合金球，超声频率为28KHz，压下量：0.05-0.1mm；压力：0.1-0.6MPa。进一步的，所述步骤S3中，超声冲击是通过超声冲击针沿表面法线方向向工件施加超声频机械振动，冲击针将压力和超声冲击振动传递给处于旋转状态被加工处理的机械零部件表面；超声冲击的冲击针的材质为模具钢，针孔的超声频率：15-20KHz。进一步的，所述步骤S4中，镀覆TiAlN涂层的方法，具体为：以高纯Ti靶和Al靶为靶材，工作气体为体积浓度99.99%的氮气，反应气体为体积浓度99.99%的氩气，溅射功率为100-500W，工作气压为0.3-0.8Pa，基体负偏压为100-300V，氮气流量为15-35sccm，氩气流量为20-50sccm，沉积温度为25-300℃，沉积时间30-120min。进一步的，所述步骤S4中，Ti靶的直径为60mm、厚度为3-5mm，纯度为99.99%。进一步的，所述步骤S4中，Al靶的直径为60mm、厚度为3-5mm，纯度为99.99%。进一步的，所述步骤S3中，将粗晶硬质合金基体进行表面纳米化处理后，基体由表至里分别呈现出纳米晶层、过渡层、基体的多层结构，其中纳米晶层的厚度D3为0.5-2.0µm，平均晶粒尺寸大小为20-50nm，过渡层的厚度D2为0.5-2.0µm。本专利技术的有益效果是，本专利技术通过表面纳米化手段在硬质合金基体材料表面获得梯度纳米晶/微晶变形层，该变形层具有很好的化学活性，同时改变了材料表面的结构，表面附近区域存在高体积分数的非平衡晶界，在后续磁控溅射镀覆TiAlN涂层时，高密度的位错和大量的三叉晶界，为元素扩散提供了理想的扩散通道，使得原子的扩散激活能更低，扩散系数更高，从而大幅度地提高了材料表面化学元素的渗入深度和浓度，最终全面提高涂层的综合使用性能。本专利技术所制备的硬质合金基体表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：S1，基体准备：采用金刚石磨砂盘对粗晶硬质合金基体的表面进行研磨、抛光；S2，表面清洗：将粗晶硬质合金基体在丙酮溶液中超声清洗3‑30min，清洗完成后吹干；S3，表面纳米化：将粗晶硬质合金基体进行表面纳米化处理，表面纳米化方法为超声喷丸、超声滚压或超声冲击中的至少一种；S4，涂层制备：将基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，以磁控溅射方法镀覆TiAlN涂层，即得。

【技术特征摘要】
1.一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：S1，基体准备：采用金刚石磨砂盘对粗晶硬质合金基体的表面进行研磨、抛光；S2，表面清洗：将粗晶硬质合金基体在丙酮溶液中超声清洗3-30min，清洗完成后吹干；S3，表面纳米化：将粗晶硬质合金基体进行表面纳米化处理，表面纳米化方法为超声喷丸、超声滚压或超声冲击中的至少一种；S4，涂层制备：将基体材料经过超声波清洗、干燥后，放入溅射室内，以磁控溅射方法镀覆TiAlN涂层，即得。2.根据权利要求1所述的一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，超声喷丸是利用超声波的高频冲击载荷对金属表面进行高速重复冲击，在金属表面产生较深的残余压应力层和硬化层；喷丸介质为不锈钢球、硬质合金球、氧化铝陶瓷球中的任意一种；喷丸介质的直径为1-5mm；喷丸时间：15-60min；超声频率：15-20KHz。3.根据权利要求1所述的一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，超声滚压是用超声冲击能量和静载滚压相结合，采用压头对金属零部件表面进行高速撞击处理，压头为直径14mm的硬质合金球，超声频率为28KHz，压下量：0.05-0.1mm；压力：0.1-0.6MPa。4.根据权利要求1所述的一种基于硬质合金基体表面纳米化的涂层制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，超声冲击是通过超声冲击针沿表面法线方向向工...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪辉，祝绳健，梁彤祥，胡义锋，张文龙，唐福钱，王梦娇，吕秀芬，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36