本发明专利技术公开了一种基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法，其特征是先用传统的粉末冶金方法制备硬质合金生坯，并将生坯在真空炉中450～650℃下保温0.5～3h以脱除成型剂；然后以AlCl3为Al源，以H2O和CH3CH2OH混合液为溶剂制备Al(OH)3溶胶，并采用浸渍提拉法将生坯在表面涂覆Al(OH)3溶胶涂层；最后将涂层后的生坯在1350～1500℃下保温1～3h进行真空烧结，在烧结过程中实现硬质合金生坯基体的致密化、Al2O3涂层的形成、涂层与基体之间协同收缩及表面冶金结合三方面的效果，最终制备出Al2O3涂层硬质合金。本发明专利技术的Al2O3涂层硬质合金制备方法将涂层与基体制备在一次烧结中完成，涂层与硬质合金基体形成冶金结合；工序简化，成本降低且基体无需反复加热；以价格相对低廉的AlCl3为Al源，避免对昂贵的金属醇盐的使用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种涂层硬质合金的制备方法，特别涉及基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法，属于粉末冶金和硬质合金领域。
技术介绍
涂层硬质合金是切削刀具发展史上的一个里程碑，它将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数，从而使刀具的性能大大提高，目前70%以上的硬质合金刀具为涂层硬质合金。目前主要的涂层材料包括TiC、TiN、TiCN、Al203、TiAlN等，其中Al2O3涂层因具有优异的性能在高速切削领域得到了广泛的应用。国内外各大刀具制造商也推出了许多Al2O3涂层硬质合金产品，如山特维克的GC1030和GC4240、伊斯卡的“ α -TEC”和“SUMO TEC”涂层刀具、山高的DurAtomic 涂层刀具、京瓷的CA55系列以及株硬集团的第二代“黑金刚” YBC系列， 都已经取得了很好的经济效益。传统的制备Al2O3涂层硬质合金的化学气相沉积(CVD)法和物理气相沉积(PVD) 法存在着设备昂贵、技术复杂、工艺繁琐，工水平要求高，难于控制甚至有污染环境等缺的缺点。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。制品纯度和均勻度高的优点，在制备涂层方面有很大的优越性，目前有许多关于溶胶-凝胶法制备 Al2O3涂层硬质合金的报道。陈元春以异丙醇铝[Al (C3H7O)3]为前驱物，以去离子水(自制)作为溶剂，用硝酸(作为胶溶剂，将上述原料按 η [Al (C3H7O)3] η (H2O) Ii(HNO3)=I (60 200) (0. 07 0 .68)的比例混合均勻，水浴恒温85°C，并施以强力搅拌，48 h后即获得勃姆石溶胶。基体材料选用YT15硬质合金，基体表面进行加工、碱洗、酸洗和超声波清洗，然后用将基体全部浸入溶胶，片刻后缓缓提出，使之在基体表面形成一薄层溶胶膜，溶胶膜经60°C真空干燥就得到了与基体结合牢固的凝胶膜，这一过程可以重复多次，以得到较厚的涂层，涂层后的刀片在1200°C下保温1 h，得到a- Al2O3陶瓷涂层刀片。该法是先在硬质合金烧结体上涂覆溶胶涂层，然后在高温热处理形成Al2O3陶瓷涂层，由于预先烧结的硬质合金基体已经完成尺寸收缩和致密化，热处理过程只形成Al2O3陶瓷涂层，因此硬质合金基体与Al2O3 涂层之间难以形成高强度的结合；硬质合金基体在烧结和涂层过程中经过两次高温加热， 对其性能会有很大的变化；同时溶胶-凝胶使用昂贵的金属醇盐，不利于工业应用。Hubert. T等采用溶胶-凝胶法在WC-Co硬质合金基体制备了氧化铝涂层。研究以0. 05 mol的丁醇铝水解于pH=2的2-甲氧基乙醇水的产物为前驱物，丁醇铝与水的比例为1:1. 5，基体表面用有机溶剂清洗。采用浸渍提拉法，速度为250 mm/min,将涂覆后的试样于100°C下干燥10 min,然后在氩气或真空(小于0. 15 Pa)下煅烧，在500°C时保温 30 min再于900 110(TC烧结60 min (涂层、干燥和煅烧这个过程可重复几次以获得较厚的涂层)。得到厚度为3 μ m，晶粒尺寸为0.2 0.4μπι的涂层。该法与上文报道相似，同样存在上述三方面的问题。CN1459434公开了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=I 60-200 0. 07-0. 45的比例混合均勻，利用水浴装置保持恒温85°C，同时施以强力搅拌，48小时后即获得均勻稳定的勃姆石溶胶(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，使之混合均勻，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。该法将硬质合金粉末表面涂上一层Al2O3再进行烧结，实际上是一种Al2O3弥散在硬质合金中形成的复合材料，而不是在硬质合金块体表面形成一层耐磨Al2O3层。由上可见目前的基于溶胶-凝胶法制备Al2O3涂层硬质合金的报道存在硬质合金基体两次承受高温、使用昂贵金属醇盐、基体与涂层结合力有限、工序太长等问题。
技术实现思路
本专利技术针对目前基于溶胶-凝胶法制备Al2O3涂层硬质合金中存在的问题，提出了先在硬质合金生坯上进行Al (OH) 3溶胶涂层，然后涂层后的生坯进行真空烧结，在烧结过程中实现硬质合金生坯基体的致密化、Al2O3涂层的形成、涂层与基体之间协同收缩以及表面冶金结合三方面的效果。本专利技术的与现有的基于溶胶-凝胶法制备Al2O3涂层硬质合金的流程图如图1所示。本专利技术的基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤(1)硬质合金生坯制备准确称量粒度为0.4 3.0 μ m的各种原料粉末，配料后硬质合金的化学成分按重量百分比为，WC 50 97%，TiC 0 20%，TaC 0 15 NbC 0 20%, Co :3 1596，混合粉末经过球磨、过滤、干燥、掺成型剂与制粒、模压成型得到硬质合金生坯；(2)生坯脱成型剂硬质合金生坯在真空烧结炉中升温到450 650°C，并保温 0. 5 3. 5h,以脱除成型剂；(3)Al (OH) 3溶胶制备以AlCl3为Al源，以H2O和CH3CH2OH混合液为溶剂配制溶液，H2O =CH3CH2OH 体积比为 0. 05 0. 2，AlCl3 的浓度为 0. 01 0. 5mol/L,并用 CH3COOH 调节pH值到3 6，溶液在磁力搅拌器中60 90°C下搅拌8 Mh，得到Al (OH) 3溶胶；(4)生坯的浸渍提拉涂层将脱除成型剂的硬质合金生坯在Al (OH)3溶胶中浸渍提拉涂层，将涂层后的硬质合金试样于80 100°C下干燥5 10 min，涂层与干燥过程重复 5 10次；(5)涂层生坯真空烧结涂层生坯在真空炉中烧结，在1350 1500°C烧结温度下保温1 3h，制备出表面具有Al2O3薄膜的涂层硬质合金。本专利技术的基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法，其进一步的特征在于(1)硬质合金生坯制备所掺成型剂为丁钠橡胶，其加量按重量百分比占硬质合金粉末的 50 120% ；(2)脱除成型剂时升温速度为1 5°C/min,真空度为5 20 ；(3)AlCl3, CH3CH2OH, CH3COOH等试剂为分析纯，H2O为去离子水；(4)浸渍提拉涂层时，生坯每次在Al(OH)3溶胶中浸渍时间为1 IOs ；(5)涂层生坯烧结时，先以5 10°C/min升温到500 600°C并保温1 3h ；然后以 5 10°C /min升温到1100 1250°C并保温1 3h ；再以5 10°C /min升温到1350 1500°C并保温1 汕；烧结真空度为1 5Pa。本专利技术的优点在于(1)通过在脱成型剂的生坯上进行涂层再进行烧结的方法， 将涂层与基体制备在一次烧结中完成，使工序简化，成本降低，且基体不会受到反复加热的影响。(2)以价格相对低本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于溶胶－凝胶法的Ａｌ２Ｏ３涂层硬质合金的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：（１） 硬质合金生坯制备：准确称量粒度为０．４～３．０μｍ的各种原料粉末，配料后硬质合金的化学成分按重量百分比为，ＷＣ：５０～９７％，ＴｉＣ：０～２０％，ＴａＣ：０～１５％， ＮｂＣ：０～２０％，Ｃｏ：３～１５％， 混合粉末经过球磨、过滤、干燥、掺成型剂与制粒、模压成型得到硬质合金生坯；（２） 生坯脱成型剂：硬质合金生坯在真空烧结炉中升温到４５０～６５０℃，并保温０．５～３．５ｈ，以脱除成型剂；（３） Ａｌ（ＯＨ）３溶胶制备：以ＡｌＣｌ３为Ａｌ源，以Ｈ２Ｏ和ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ混合液为溶剂配制溶液，Ｈ２Ｏ：ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ体积比为０．０５～０．２，ＡｌＣｌ３的浓度为０．０１～０．５ｍｏｌ／Ｌ，并用ＣＨ３ＣＯＯＨ调节ｐＨ值到３～６，溶液在磁力搅拌器中６０～９０℃下搅拌８～２４ｈ，得到Ａｌ（ＯＨ）３溶胶；（４） 生坯的浸渍提拉涂层：将脱除成型剂的硬质合金生坯在Ａｌ（ＯＨ）３溶胶中浸渍提拉涂层，将涂层后的硬质合金试样于８０～１００℃下干燥５～１０ ｍｉｎ，涂层与干燥过程重复５～１０次；（５） 涂层生坯真空烧结：涂层生坯在真空炉中烧结，在１３５０～１５００℃烧结温度下保温１～３ｈ，制备出表面具有Ａｌ２Ｏ３薄膜的涂层硬质合金。...
【技术特征摘要】
1.一种基于溶胶-凝胶法的Al2O3涂层硬质合金的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤(1)硬质合金生坯制备准确称量粒度为0.4 3. 0 μ m的各种原料粉末，配料后硬质合金的化学成分按重量百分比为，WC 50 97%，TiC 0 20%，TaC 0 15 NbC 0 20%, Co 3 1596，混合粉末经过球磨、过滤、干燥、掺成型剂与制粒、模压成型得到硬质合金生坯；(2)生坯脱成型剂硬质合金生坯在真空烧结炉中升温到450 650°C，并保温0.5 3. 5h,以脱除成型剂；(3)Al (OH) 3溶胶制备以AlCl3为Al源，以H2O和CH3CH2OH混合液为溶剂配制溶液， H2O =CH3CH2OH 体积比为 0. 05 0. 2，AlCl3 的浓度为 0. 01 0. 5mol/L,并用 CH3COOH 调节 PH值到3 6，溶液在磁力搅拌器中60 90°C下搅拌8 Mh，得到Al (OH) 3溶胶；(4)生坯的浸渍提拉涂层将脱除成型剂的硬质合金生坯在Al(OH)3溶胶中浸渍提拉涂层，...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨梅，邱克辉，龙剑平，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：90
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