專利名稱：一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種刀具涂層浸蝕劑，尤其是涉及一種用于硬質(zhì)合金刀具表面的HT-CVD (high temperature chemical vapor deposition,高溫化學氣相沉積)氧化鋁涂層顯微結(jié)構(gòu)分析用 浸蝕劑配方及其使用方法。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)控機床和加工中心的普及，高效高速高精度切削成了現(xiàn)代加工技術(shù)的主要發(fā)展方 向，對刀具的性能相應(yīng)也提出了更高的要求。由于刀具進行涂層處理是提高刀具性能的重要 途徑之一，因此刀具涂層技術(shù)近幾年取得了重大進展。切削刀具表面涂層化主要是通過物理 氣相沉積和化學氣相沉積兩種沉積工藝實現(xiàn)，其中化學氣相沉積涂層仍然是可轉(zhuǎn)位刀片的主 要涂層工藝，已開發(fā)出MT-CVD (中溫化學氣相沉積)碳氮化鈦、HT-CVD (高溫化學氣相 沉積)厚膜氧化鋁等新工藝(1. S.Ruppi， A. Larsson. THIN SOLID FILMS 388(2001) 50-61; 2. P. Hanssona， M. Halvarssona， S. Vuorinenb. SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 76-77(1995)256-264)、新涂層，其中氧化鋁涂層具有許多優(yōu)異的力學、物理性能，如硬度高， 耐磨、高溫穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好，所以氧化鋁涂層作為耐磨涂層，應(yīng)用于硬質(zhì)合金切削刀 片、在高溫下工作的機械部件以及抗腐蝕等眾多領(lǐng)域(3. M. Halvarssona, and S. Vuorinenb. SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 80(1996) 80-88; 4. M. Halvarssona and S. Vuorinenb. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A209(1996) 337-344)。在碳氮化鈦 涂層表面沉積的細晶粒氧化鋁涂層不僅具有很高的耐磨損性能，而且能有效地彌補里層碳氮 化鈦材料在高溫條件下抗氧化、抗粘著磨損能力差的缺陷(5. M. Halvarsso叫J.E. Trancika and S.Ruppib. INTERNATIONAL JOURNAL OF REFRACTORY METALS & HARD MATERIALS 24(2006) 32-38)。
硬質(zhì)合金刀具表面涂層的顯微結(jié)構(gòu)是涂層顯微硬度、涂層與基體的結(jié)合強度以及涂層高 溫摩擦磨損等力學性能優(yōu)劣的決定性因素之一，因此涂層顯微結(jié)構(gòu)的分析不僅是評價產(chǎn)品質(zhì) 量的必要手段，更有助于改進涂層制備工藝。由于硬質(zhì)合金涂層具有硬、脆、薄的特點，一 般截面試樣制備比較困難，同時國內(nèi)外關(guān)于硬質(zhì)細晶單相涂層的浸蝕劑研究較少，組織結(jié)構(gòu)資料缺乏。
細晶單相涂層顯微結(jié)構(gòu)分析的樣品制備，包括鑲嵌、研磨、拋光、浸蝕等4個步驟。鑲 嵌一般采用熱壓鑲嵌法，以酚醛樹脂粉末為填充料，在熱壓鑲樣機上進行；研磨是金相試樣 制備過程中的關(guān)鍵步驟，試樣經(jīng)磨光后，有細微的磨痕以及表面仍有金屬的形變擾動層，影 響正確的顯示組織，因此必須拋光；拋光好的試樣，要求達到磨面光亮如鏡，完整保留各相 的效果。拋光好的試樣表面光亮如鏡，但在顯微鏡下觀察時只能看到夾雜物、氣孔和裂縫等， 要分析、觀察試樣的顯微組織，甚至區(qū)分表面涂層的晶界，試樣還必須經(jīng)過組織顯示的操作。 組織顯示的方法主要可以分為兩大類化學法與物理法。前者通常包括化學試劑浸蝕、電解 浸蝕、氧化法等；而后者則包括熱蝕、真空鍍膜、陰極離子刻蝕、磁性法等。
涂層顯微結(jié)構(gòu)觀察可以采用金相顯微鏡、掃描以及透射電子顯微鏡，由于氣相沉積制備 的涂層晶粒尺寸為亞微米級，因此分辨率低的光學顯微鏡已經(jīng)無法用于涂層顯微結(jié)構(gòu)的分析; 雖然目前的透射電鏡結(jié)合離子減薄法可獲得一些信息，但制作樣品非常復(fù)雜,不能適時跟蹤。掃 描電鏡具有分辨率高，景深大，可以作為涂層顯微結(jié)構(gòu)分析方便、快捷、有效、可靠的表征 手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以有效地顯示硬質(zhì)合金刀具表面HT-CVD氧化鋁涂層顯微
結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑及其使用方法，以達到顯示涂層晶粒的尺寸和結(jié)
構(gòu)、區(qū)分涂層晶粒之間晶界目的。
本發(fā)明所述一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑的成分及其按體積比的含量為 硝酸(HN03) 35，鹽酸(HC1) 0 10，氫氟酸(HF) 10，水(H20) 5 15。 硝酸的質(zhì)量分數(shù)最好為65% 68%，鹽酸的質(zhì)量分數(shù)最好為36% 38%，氫氟酸的質(zhì)量
分數(shù)最好^40%，水最好采用去離子水。
配制所述一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑時可在硝酸、鹽酸和氫氟酸中加入溶
劑去離子水即可。
本發(fā)明所述一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑的使用方法包括以下步驟 1)試樣制備
(1) 熱壓鑲嵌將硬質(zhì)合金涂層刀具樣品在熱壓鑲嵌機上制成圓柱試樣，以酚醛樹脂粉 末為鑲嵌填料，成型后得鑲嵌好的試樣；
(2) 研磨將鑲嵌好的試樣粗磨和細磨，清洗，烘干；
(3) 拋光將研磨后的試樣用金剛石拋光粉進行拋光，拋光完成后將試樣放在無水乙醇中，超聲清洗，以除去拋光過程中試樣表面的油污以及拋光粉等雜質(zhì)； 2)浸蝕操作
浸蝕前，先將試樣清洗，烘干后放入浸蝕劑中浸蝕，取出后沖洗，再將試樣置于無水乙 醇中超聲清洗，烘干，置于干燥器中保存，待掃描電鏡觀察。
在步驟l)中，所述圓柱試樣的直徑最好為30mm，成型的溫度最好為13(TC，成型時最 好加壓保溫6min。所述粗磨最好在600目金剛石砂輪盤上進行粗磨，所述細磨最好在1200 目金剛石砂輪盤上進行粗磨，粗磨的時間最好為3 6min，細磨的時間最好為3 6min，粗磨 和細磨可采用自動研磨拋光機，轉(zhuǎn)速最好為500rpm/min，在粗磨與細磨之間最好對試樣進行 超聲清洗，超聲清洗的時間最好為2min。所述金剛石拋光粉可采用W2.5的金剛石拋光粉， 拋光的時間可為10min，超聲清洗的時間最好為5min。
在步驟2)中，所述先將試樣清洗可先用去離子水超聲清洗2min，再以無水乙醇清洗。 所述放入浸蝕劑中浸蝕最好將試樣放入浸蝕劑中3(TC恒溫水浴，浸蝕30 40s，所述取出后 沖洗最好用水沖洗。
本發(fā)明采用熱壓鑲嵌、研磨拋光結(jié)合超聲清洗的金相制備方法制備了氧化鋁涂層刀具的 截面試樣，用化學浸蝕法，通過掃描電鏡觀察，得到涂層的顯微結(jié)構(gòu)。在化學浸蝕的過程中， 經(jīng)過多次浸蝕劑的選擇試驗硝酸+氫氟酸、硝酸+鹽酸、硝酸+鹽酸+氫氟酸、濃硫酸、硝酸 +醋酸等浸蝕液，綜合考慮其浸蝕速率和浸蝕效果，選取硝酸、氫氟酸和鹽酸的水溶液作為浸 蝕劑，可以達到顯示氧化鋁涂層的柱狀結(jié)構(gòu)，得到晶粒的尺寸大小，有效地區(qū)分柱狀晶粒之 間的晶界。
本發(fā)明采用化學試劑浸蝕法處理拋光好的試樣進行細晶單相涂層的顯微結(jié)構(gòu)分析。試樣 在一定濃度的化學試劑作用下，不僅能溶去表面的擾亂層，更主要的是能使合金的各種組織 間、單相材料的晶粒間或晶界處因腐蝕抗力不同而受到不同程度的侵蝕，這種被侵蝕后呈現(xiàn) 出的表面高低不平的結(jié)構(gòu)在顯微鏡下觀察時會呈現(xiàn)出明暗襯度，從而達到顯示顯微結(jié)構(gòu)的目 的。
本發(fā)明建立了一種快速分析細晶單相涂層顯微結(jié)構(gòu)方法，為涂層結(jié)構(gòu)和性能的表征研究 提供有效手段。


圖1為實施例1浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖(X 10000)。 圖2為實施例2浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖(X 10000)。 圖3為實施例3浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖(X 10000)。圖4為實施例4浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖(X 10000)。 圖5為HT-CVD氧化鋁涂層表面形貌SEM圖(X 10000)。
具體實施方式
實施例1
1. 試樣制備(l)熱壓鑲嵌取樣品(高溫化學氣相沉積法制備的氧化鋁硬質(zhì)涂層刀具)，
以酚醛樹脂粉末為填料在熱壓鑲嵌機上制成直徑30 mm的規(guī)整圓柱試樣，成型溫度為130°C、 加壓保溫5 min。 (2)研磨將鑲嵌好的試樣分別在600目和1200目的金剛石砂輪盤上進行 充分的粗磨和細磨，粗細磨的時間控制在5 min左右，以上研磨都采用自動研磨拋光機，轉(zhuǎn) 速為500r/min，研磨過程中不斷通冷卻水，粗、細研磨之間要對試樣進行充分的超聲清洗(在 無水乙醇中超聲清洗時間2min)并以10(TC烘箱烘干，以除去磨屑和油污。 (3)拋光試樣經(jīng)過研磨后，再用W2.5的金剛石拋光粉進行拋光，拋光時間為10min，同 時在拋光過程中合理控制冷卻水的用量;拋光完成后將試樣放在無水乙醇中，超聲清洗5 min， 以除去拋光過程中試樣表面的油污以及拋光粉雜質(zhì)等。
2. 浸蝕劑的配制分別用玻璃量筒量取35 ml濃HN03 (質(zhì)量分數(shù)為68%)和15 ml H20 加到塑料燒杯中，再用塑料量筒量取10ml濃HF (質(zhì)量分數(shù)為45%)加到燒杯中，放至超聲 器中超聲2 min至溶液均勻混合。
3. 浸蝕操作浸蝕前，先將試樣用去離子水超聲清洗2min，再以無水乙醇清洗，經(jīng)過 IO(TC烘箱烘干后，將試樣放入浸蝕劑中G(TC恒溫水浴)，浸蝕40s后取出，用水沖洗，再 將試樣置于無水乙醇中超聲清洗2min，經(jīng)過烘箱烘干，置于干燥器中保存，待掃描電鏡觀 察。
圖1為浸蝕后試樣的截面形貌，由圖1可以觀察到氧化鋁涂層的不規(guī)則棱柱狀的顯微結(jié) 構(gòu)，以及涂層晶體的生長方向。 實施例2
1. 試樣制備(1)熱壓鑲嵌同實施例1。 (2)研磨同實施例1。 (3)拋光同實施例1。
2. 浸蝕劑的配制分別用玻璃量筒量取35ml濃HN03 (質(zhì)量分數(shù)為66%)、 5ml濃HC1 (質(zhì)量分數(shù)為36%)以及10mlH2O加到塑料燒杯中，再用塑料量筒量取10ml濃HF (質(zhì)量
分數(shù)為40%)加到燒杯中，放至超聲器中超聲2 min至溶液均勻混合。
3. 浸蝕操作同實施例l進行浸蝕，浸蝕時間為30s。
圖2為浸蝕后試樣的截面形貌，同實施例l相比，浸蝕劑組成中濃鹽酸的體積增加，但浸蝕的時間降低至30s，對比實施例l形貌發(fā)現(xiàn)，涂層中顯示棱柱狀結(jié)構(gòu)的區(qū)域增加，也可以 觀察到部分晶粒之間的晶界。 實施例3
1. 試樣制備(1)熱壓鑲嵌同實施例1。 (2)研磨同實施例1。 (3)拋光同實施例1。
2. 浸蝕劑的配制分別用玻璃量筒量取35ml濃HN03 (質(zhì)量分數(shù)為65%)、 5ml濃HC1 (質(zhì)量分數(shù)為38%)以及10mlH2O加到塑料燒杯中，再用塑料量筒量取10ml濃HF (質(zhì)量
分數(shù)為42%)加到燒杯中，放至超聲器中超聲2min至溶液均勻混合。
3. 浸蝕操作同實施例l進行浸蝕，時間40s。
圖3為浸蝕后試樣的截面形貌，此例浸蝕劑中鹽酸的體積與實例1相比有所增加，相比 于實施例2，浸蝕時間增至40s，從圖中可以清楚的觀察到氧化鋁涂層的不規(guī)則棱柱狀晶粒以 及柱狀的晶體生長方式、同時也可以有效地區(qū)分晶粒之間的晶界。因此當濃鹽酸的體積和浸 蝕時間都增加到一定程度時，能夠達到顯示涂層顯微結(jié)構(gòu)的目的。
實施例4
1. 試樣制備(1)熱壓鑲嵌同實施例1。 (2)研磨同實施例1。 (3)拋光同實施例1。
2. 浸蝕劑的配制分別用玻璃量筒量取35 ml濃HN03 (質(zhì)量分數(shù)為67%)、 10 ml濃HC1 (質(zhì)量分數(shù)為37%)和以及5 ml H20加到塑料燒杯中，再用塑料量筒量取10 ml濃HF (質(zhì)
量分數(shù)為42%)加到燒杯中，放至超聲器中超聲2min至溶液均勻混合。
3. 浸蝕操作同實施例l進行浸蝕，浸蝕時間40s。
圖4為浸蝕后試樣的截面形貌，從圖中觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著濃鹽酸體積增加，浸蝕深度 也有一定程度的增加，涂層和基體都有不同程度的脫落，因此浸蝕劑中的濃鹽酸體積和浸蝕 時間不應(yīng)超過10 ml和40 s。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑，其特征在于其成分及其按體積比的含量為硝酸35，鹽酸0～10，氫氟酸10，水5～15。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑，其特征在于硝酸的 質(zhì)量分數(shù)為65% 68%，鹽酸的質(zhì)量分數(shù)為36% 38%，氫氟酸的質(zhì)量分數(shù)^40%。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于包括以下步驟1)試樣制備(1) 熱壓鑲嵌將硬質(zhì)合金涂層刀具樣品在熱壓鑲嵌機上制成圓柱試樣，以酚醛樹脂粉 末為鑲嵌填料，成型后得鑲嵌好的試樣；(2) 研磨將鑲嵌好的試樣粗磨和細磨，清洗，烘干；(3) 拋光將研磨后的試樣用金剛石拋光粉進行拋光，拋光完成后將試樣放在無水乙醇 中，超聲清洗，以除去拋光過程中試樣表面的油污以及拋光粉等雜質(zhì)；2)浸蝕操作浸蝕前，先將試樣清洗，烘干后放入浸蝕劑中浸蝕，取出后沖洗，再將試樣置于無水乙 醇中超聲清洗，烘干，置于干燥器中保存，待掃描電鏡觀察。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于在步驟l)中，所述圓柱試樣的直徑為30mm，成型的溫度為130°C,成型時加壓保溫6min。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于在步驟l)中，所述粗磨是在600目金剛石砂輪盤上進行粗磨，所述細磨是在1200目金剛 石砂輪盤上進行粗磨，粗磨的時間為3 6min，細磨的時間為3 6min。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于在步驟l)中，所述粗磨和細磨采用自動研磨拋光機，轉(zhuǎn)速為500rpm/min。
7. 如權(quán)利要求3或5所述的一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑的使用方法，其特 征在于在步驟l)中，在粗磨與細磨之間對試樣進行超聲清洗，超聲清洗的時間為2min。
8. 如權(quán)利要求3所述的一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于在步驟l)中，所述金剛石拋光粉采用W2.5的金剛石拋光粉，拋光的時間為10min，超聲 清洗的時間為5min。
9. 如權(quán)利要求3所述的一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在于在步驟2)中，所述先將試樣清洗是先用去離子水超聲清洗2min，再以無水乙醇清洗。
10.如權(quán)利要求3所述的一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑的使用方法，其特征 在于在步驟2)中，所述放入浸蝕劑中浸蝕是將試樣放入浸蝕劑中30'C恒溫水浴，浸蝕30 40s，所述取出后沖洗用水沖洗。
全文摘要
一種硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑及其使用方法，涉及一種刀具涂層浸蝕劑。提供一種可以有效地顯示硬質(zhì)合金刀具表面HT-CVD氧化鋁涂層顯微結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具表面氧化鋁涂層浸蝕劑及其使用方法。浸蝕劑的成分及其按體積比的含量為硝酸35，鹽酸0～10，氫氟酸10，水5～15。浸蝕劑的使用方法如下試樣制備熱壓鑲嵌后研磨，研磨后拋光；浸蝕操作浸蝕前，先將試樣清洗，烘干后放入浸蝕劑中浸蝕，取出后沖洗，再將試樣置于無水乙醇中超聲清洗，烘干，置于干燥器中保存，待掃描電鏡觀察。
文檔編號G01N23/22GK101603895SQ20091011221
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者鵬 孫, 王周成, 祁正兵 申請人:廈門大學