金剛石復(fù)合涂層、具有該復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硬質(zhì)合金刀具技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種金剛石復(fù)合涂層、具有該復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)合金刀具在加工過程中承受極大的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，極易產(chǎn)生磨損，從而影響其使用壽命，因此，對刀具材料進(jìn)行表面改性，提高其表面性能，這對提高刀具材料的使用壽命具有重要的意義。
[0003]在硬質(zhì)合金表面涂上薄層的TiN、TiN、TiCN或Al2O3等高硬度耐磨材料，可提高刀具的耐磨性同時(shí)保持基體良好的韌性，可顯著改善刀具材料的工作性能和使用壽命。然而涂層基本上為硬脆材料，并且和硬質(zhì)合金基體材料熱膨脹系數(shù)不同，在涂層與基體之間的界面存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，通常裂紋容易在涂層表面產(chǎn)生并向合金內(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致的材料失效。
[0004]金剛石雖然具有高硬度、高導(dǎo)熱率、低摩擦系數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但是由于金剛石涂層與硬質(zhì)合金之間的結(jié)合力無法有效解決，限制了金剛石涂層在硬質(zhì)合金刀具方面的應(yīng)用。
[0005]因此，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種適用于硬質(zhì)合金刀具表面性能增強(qiáng)的金剛石復(fù)合涂層、具有該復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具及其制備方法以克服現(xiàn)有技術(shù)不足甚為必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的之一在于提供一種具有金剛石復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具及其制備方法，金剛石復(fù)合涂層與刀具基體結(jié)合性良好，刀具耐磨耐溫性好，強(qiáng)度高，抗沖擊性能優(yōu)良。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種金剛石復(fù)合涂層及其制備方法，金剛石復(fù)合涂層與刀具基體結(jié)合性良好，具有該涂層的刀具耐磨耐溫性好，強(qiáng)度高，抗沖擊性能優(yōu)良。
[0008]本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)。
提供一種具有金剛石復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具，由刀具基體和設(shè)置于刀具基體上的金剛石復(fù)合涂層構(gòu)成；
所述刀具基體包括正常組織層、富鈷過渡層和貧鈷富立方相層，所述正常組織層、富鈷過渡層和貧鈷富立方相層按照從內(nèi)而外的順序依次排列；
所述金剛石復(fù)合涂層包括用于沉積于貧鈷富立方相層表面作為過渡層的T1-Al-S1-Cr合金層和沉積于過渡層上作為功能層的金剛石層。
[0009]上所述刀具基體中鈷的含量為5-15wt.%;
所述正常組織層為超細(xì)硬質(zhì)合金，WC晶粒尺寸為1-lOOOOnm; 所述正常組織層的厚度大于2mm，所述富鈷過渡層的厚度為20-100微米;所述貧鈷富立方相層的厚度為20-50微米；
所述T1-Al-S1-Cr合金層的厚度為2-3微米，所述金剛石層的厚度為15-20微米。
[0010]上述刀具基體中鈷的含量為8-12wt.%;所述正常組織層的WC晶粒尺寸為Inm-400nm;所述T1-Al-S1-Cr合金層通過物理氣相沉積法制備，所述金剛石層通過化學(xué)氣相沉積法制備。
[0011]上述T1-Al-S1-Cr合金層的具體制備方法如下，
(1.1)準(zhǔn)備T1-Al-S1-Cr合金靶材
(I.2)物理氣相沉積方法鍍膜
把經(jīng)超聲波清洗的硬質(zhì)合金刀具基體放入PVD設(shè)備的真空室，抽真空達(dá)到0.5 X 10一I1.5 X 10—1Pa時(shí)，開啟電弧源，進(jìn)行離子轟擊，清洗硬質(zhì)合金刀具基體表面2-5分鐘；
然后在轟擊偏壓200-300V、弧電源50-90A的條件下，鍍膜20-60分鐘；
然后關(guān)閉弧電源，使真空室緩慢冷卻，1-2小時(shí)后取出樣品;此時(shí)，硬質(zhì)合金刀具基體貧的鈷富立方相層表面鍍制了一層厚度為2-3微米的T1-Al-S1-Cr合金層；
表面沉積了 T1-Al-S1-Cr合金層的硬質(zhì)合金刀具基體經(jīng)丙酣清洗干燥后，放入化學(xué)氣相沉積金設(shè)備中制備剛石生層，制備金剛石層的具體方法如下，
(2.1)把鍍有T1-Al-S1-Cr合金層的硬質(zhì)合金刀具基體放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備的真空室，使刀具基體距離電阻絲
(2.2)打開冷卻水系統(tǒng)，先抽真空到8-15托，然后打開熱絲電源，緩慢加電流，電流達(dá)到500-650A時(shí)，打開氫氣質(zhì)量流量計(jì)，流量為900-1000SDDM ；
(2.3)3分鐘后打開甲烷質(zhì)量流量計(jì)，流量為100-3003001，1.5-3小時(shí)后減小電流，關(guān)閉甲烷流量計(jì)，15-30分鐘后電流為零，此時(shí)關(guān)閉氫氣流量計(jì)，保持冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；
(2.4)1-1.5小時(shí)后關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，打開真空室門，取出整體刀具，此時(shí)，T1-Al-S1-Cr合金層表面鍍有一層厚度為15-20微米的金剛石層。
[0012]進(jìn)一步的，上述T1-Al-S1-Cr合金層的具體制備方法如下，
(1.1) T 1-A1-S 1-Cr合金靶材的制備
采用純度99.99%的高純海綿鈦、純度99.99%的高純鋁、純度99.99%的高純硅、99.99%的高純鉻作為原料，以重量百分比計(jì):Ti占70-80%、Α1占5-10%、Si占5_10%、Cr占10-20%的比例進(jìn)行真空冶煉得到合金錠，然后將合金錠加工成直徑120mm、長200mm的柱形靶材作為T1-Al-S1-Cr合金革巴材；
(I.2)物理氣相沉積方法鍍膜
把經(jīng)超聲波清洗的硬質(zhì)合金刀具基體放入PVD設(shè)備的真空室，抽真空達(dá)到I X KT1Pa時(shí)，開啟電弧源，進(jìn)行離子轟擊，清洗硬質(zhì)合金刀具基體表面3分鐘；
然后在轟擊偏壓250V、弧電源60A的條件下，鍍膜30-40分鐘；
然后關(guān)閉弧電源，使真空室緩慢冷卻，1.5小時(shí)后取出樣品;此時(shí)，刀具基體的貧鈷富立方相層表面鍍制了一層厚度為2-3微米的T1-Al-S1-Cr合金層；
表面沉積了 T1-Al-S1-Cr合金層的硬質(zhì)合金刀具基體經(jīng)丙酣清洗干燥后，放入化學(xué)氣相沉積金設(shè)備中制備剛石生層，制備金剛石層的具體方法如下，
(2.1)把鍍有T1-Al-S1-Cr合金層的硬質(zhì)合金刀具基體放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備的真空室，使刀具基體距離電阻絲3mm-4mm;
(2.2)打開冷卻水系統(tǒng)，先抽真空到1托，然后打開熱絲電源，緩慢加電流，電流達(dá)到600A時(shí)，打開氫氣質(zhì)量流量計(jì)，流量為900-1000SDDM ；
(2.3)3分鐘后打開甲烷質(zhì)量流量計(jì)，流量為150-200SDDM，2小時(shí)后減小電流，關(guān)閉甲烷流量計(jì)，20分鐘后電流為零，此時(shí)關(guān)閉氫氣流量計(jì)，保持冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；
(2.4)1-1.5小時(shí)后關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，打開真空室門，取出整體刀具，此時(shí)，T1-Al-S1-Cr合金層表面鍍有一層厚度為15-20微米的金剛石層。
[0013]
提供一種具有金剛石復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具的制備方法，包括刀具基體的制備和在刀具基體表面制備金剛石復(fù)合涂層;金剛石復(fù)合涂層的制備是先通過物理氣相沉積法在刀具基體的貧鈷富立方相層表面鍍制T1-Al-S1-Cr合金層，表面沉積了T1-Al-S1-Cr合金層的硬質(zhì)合金刀具基體經(jīng)丙酣清洗干燥后，放入化學(xué)氣相沉積金設(shè)備中以化學(xué)氣相沉積法剛石生層。
[OOM]上述T1-Al-S1-Cr合金層的具體制備方法如下，
(1.1)準(zhǔn)備T1-Al-S1-Cr合金靶材 (I.2)物理氣相沉積方法鍍膜
把經(jīng)超聲波清洗的硬質(zhì)合金刀具基體放入PVD設(shè)備的真空室，抽真空達(dá)到0.5 X 10一I
1.5X 10—1Pa時(shí)，開啟電弧源，進(jìn)行離子轟擊，清洗硬質(zhì)合金刀具基體表面2-5分鐘；
然后在轟擊偏壓200-300V、弧電源50-90A的條件下，鍍膜20-60分鐘；
然后關(guān)閉弧電源，使真空室緩慢冷卻，1-2小時(shí)后取出樣品;此時(shí)，硬質(zhì)合金刀具基體貧的鈷富立方相層表面鍍制了一層厚度為2-3微米的T1-Al-S1-Cr合金層；
表面沉積了 T1-Al-S1-Cr合金層的硬質(zhì)合金刀具基體經(jīng)丙酣清洗干燥后，放入化學(xué)氣相沉積金設(shè)備中制備剛石生層，制備金剛石層的具體方法如下，
(2.1)把鍍有T1-Al-S1-Cr合金層的硬質(zhì)合金刀具基體放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備的真空室，使刀具基體距離電阻絲
(2.2)打開冷卻水系統(tǒng)，先抽真空到8-15托，然后打開熱絲電源，緩慢加電流，電流達(dá)到500-650A時(shí)，打開氫氣質(zhì)量流量計(jì)，流量為900-1000SDDM ；
(2.3)3分鐘后打開甲烷質(zhì)量流量計(jì)，流量為100-3003001，1.5-3小時(shí)后減小電流，關(guān)閉甲烷流量計(jì)，15-30分鐘后電流為零，此時(shí)關(guān)閉氫氣流量計(jì)，保持冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；
(2.4)1-1.5小時(shí)后關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，打開真空室門，取出整體刀具，此時(shí)，T1-Al-S1-Cr合金層表面鍍有一層厚度為15-20微米的金剛石層。
[0015]進(jìn)一步的，上述T1-Al-S1-Cr合金層的具體制備方法如下，
(1.1) T 1-A1-S 1-Cr合金靶材的制備
采用純度99.99%的高純海綿鈦、純度99.99%的高純鋁、純度99.99%的高純硅、99.99%的高純鉻作為原料，以重量百分比計(jì):Ti占70-80%、Α1占5-10%、Si占5_10%、Cr占10-20%的比例進(jìn)行真空冶煉得到合金錠，然后將合金錠加工成直徑120mm、長200mm的柱形靶材作為T1-Al-S1-Cr合金革巴材；
(I.2)物理氣相沉積方法鍍膜
把經(jīng)超聲波清洗的硬質(zhì)合金刀具基體放入PVD設(shè)備的真空室，抽真空達(dá)到I X KT1