一种直接涂覆CBN涂层的涂层梯度硬质合金刀具及其制备方法与流程

本发明涉及硬质合金刀具技术领域，尤其涉及一种直接涂覆cbn涂层的涂层梯度硬质合金刀具及其制备方法。

背景技术：

涂层硬质合金刀具的出现是刀具发展史上的一个重要里程碑，它是在强度和韧性较好的硬质合金基体上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而形成。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损。涂层具有很高的硬度和耐热性，并降低了刀具与工件间的摩擦系数，因此涂层刀具比非涂层刀具可显著地提高使用寿命，通常涂层刀具的寿命可比非涂层刀具高2-5倍。

为提高硬质合金刀具的耐磨性，人们通过气相沉积方法制备不同的涂层，从而在其表面涂覆具有更高耐磨性能硬质材料涂层，如tic，tin，ticn和al2o3等，这些涂层的硬度通常为15-40gpa。

立方氮化硼(cubicboronnitride，cbn)是仅次于金刚石的第二种超硬材料，有着优异的物理与化学性能，在硬度与热导率方面仅次于金刚石，而热稳定性则显著优于金刚石，在大气中加热至1200℃才发生氧化，而金刚石在大气中的氧化温度为600℃，cbn对于黑色金属具有极为稳定的化学性能，可广泛应用于钢铁制品的切削加工，完全能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、工具钢、冷硬铸铁、高温合金、热喷涂材料等难加工材料的切削加工，是目前实现“以切代磨”的最佳刀具之一，被认为是21世纪最具有发展前景的刀具材料之一。专利文献cn201810033987.5公开了一种具有增韧机制的gncd-cbn纳米复合多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：1)衬底预处理；2)化学气相沉积梯度纳米金刚石涂层；3)对表面沉积有梯度纳米金刚石过渡层的衬底再次进行表面预处理；4)沉积立方氮化硼涂层；5)重复步骤2-4在硬质合金刀片表面沉积gncd/cbn纳米多层涂层刀具。该技术通过梯度纳米金刚石(gncd)与立方氮化硼(cbn)交替生长形成复合涂层，使刀具的涂层具备了立方氮化硼涂层的硬度，用于切削高温合金和高强度钢等黑色金属材料，同时使用梯度渐变的纳米金刚石，可以增加涂层的厚度，改变在切削过程中涂层的韧性，整体提高涂层的强度和耐冲击性。

但是，由于薄膜应力和膜基结合力等关键问题得不到解决，cbn薄膜在硬质合金刀具方面的应用受到限制。专利cn201610083497.7公开了一种氮化硼系复合涂层，该氮化硼系复合涂层包括由内至外依次分布的用于沉积至刀具基体表面作为过渡层的tibcn层、沉积于过渡层上作为结合层的ni3si2层和沉积于结合层上作为耐磨层的cbn涂层。该氮化硼系复合涂层通过tibcn层得以与基体良好结合，再通过ni3si2层使真正的功能层cbn涂层得以在刀具基体外形成。现有技术仍未很好的解决cbn涂层与刀具基体直接结合的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有的涂层硬质合金刀具难以实现cbn涂层直接涂覆在刀具基体上的问题，提供一种直接涂覆cbn涂层的涂层梯度硬质合金刀具，刀具基体与cbn涂层结合性好，该刀具具有良好的耐磨耐温性能，强度高、抗冲击性能优良；以及该种涂层梯度硬质合金刀具的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明的一方面，提供一种直接涂覆cbn涂层的涂层梯度硬质合金刀具，由刀具基体和设置于刀具基体上的cbn涂层组成；所述刀具基体包括由内而外依次排列的正常组织层、过渡层和表层；所述表层的厚度为50-400μm；

所述刀具基体由以下质量百分比的各组分组成的复合粉体烧结而成：5-15％的tic，2-5％的tac，10-15％合金粘结相，余量为wc；

合金粘结相由以下质量百分比的粉体组成：0.5-5.5％的cr，0.5-5.5％的mo，0.5-5.5％的b，0.5-5.5％的al，0.5-5.5％的v，0.5-5.5％的y，0.5-5.5％的si，余量为ni或co与ni的混合粉体，且合金粘结相中cr、mo、b、al、v、y和si的质量之和为合金粘结相质量的7-20％。

优选的，所述正常组织层的厚度大于2mm，所述过渡层的厚度为20-100μm；所述表层的厚度为50-400μm。

优选的，所述cbn涂层的厚度为1-2μm。

本发明的另一方面，提供以上所述的直接涂覆cbn涂层的涂层梯度硬质合金刀具的制备方法，包括以下步骤：

s1制备合金粘结相：按质量百分比分别称取组成合金粘结相的各粉体，将各粉体混合均匀，得合金粘结相。

优选的，步骤s1中，将组成合金粘结相的各粉体置于球磨机中，用硬质合金研磨球球磨72h，且每球磨1h就暂停球磨10min，得到合金粘结相。

s2制备坯料：按质量百分比分别称取组成复合粉体的各组分，并按复合粉体质量的1.5-2.5％称取石蜡，并将石蜡与原料粉体混合均匀，得到坯料。

s3压制坯体：将坯料压制成型，得坯体。

优选的，步骤s3中，先用压模机将坯料压制成型，得初坯体；再用冷等静压机进一步压制初坯体，得坯体。

s4烧结：将坯体置于烧结炉中，以5-8℃/min的速度升温至1200-1250℃，保温18-22min，并保持1×10^-3pa以下的真空度；然后向烧结炉中充入氮气并以1-3℃/min的速度升温至1420-1450℃，保温55-65min且保持0.2mpa以上的压强；接着再以2-6℃/min的速度降温至1000-1200℃，保温110-130min，并保持0.2mpa以上的压强；再接着使坯体随炉冷却，并保持0.2mpa以上的压强，制得刀具基体。

优选的，在步骤s4前，还包括预烧结步骤，所述预烧结步骤是将坯体置于烧结炉中，在惰性气体气氛下，以1400℃烧结10min；坯体随炉冷却后精修坯体外形。

s5沉积cbn涂层：采用cvd法在刀具基体的表层上沉积cbn，形成cbn涂层。

优选的，步骤s5中，沉积cbn涂层的工艺参数为：bf3、n2、ar和h2的流量分别为20sccm、2slm、4slm、5sccm，总反应气压为4kpa，衬底负偏压为65v，衬底温度为860℃，沉积时间为60min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过采用所述的合金粘结相并与tic、tac和wc以一定配比组成复合粉体，按所述烧结气氛对坯体进行烧结，可制备得到由内至外依次为正常组织层、过渡层和表层的刀具基体，且表层的厚度为50-400μm，因此可直接在刀具基体上制作cbn涂层，无需在cbn涂层与刀具基体之间制作涂层过渡层和结合层，所制备的刀具其刀具基体与cbn涂层结合性好，刀具具有良好的耐磨耐温性能，强度高、抗冲击性能优良。

附图说明

图1是实施例12和13和14和15制备的刀具基体的光镜图。

具体实施方式

为了更充分的理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步介绍和说明。

对于本领域的技术人员来说，通过阅读本说明书公开的内容，本发明的特征、有益效果和优点将变得显而易见。

实施例1-22

实施例1-22分别提供一种合金粘结相，以及一种直接涂覆cbn涂层的涂层梯度硬质合金刀具。实施例1-22中组成合金粘结相的各粉体的质量百分比如下表1所示。实施例1-22中，合金粘结相与tic、tac和wc组成用于烧结制作刀具基体的复合粉体，复合粉体中各组分的质量百分比分别是：14％的合金粘结相，10％的tic，5％的tac，71％wc。

表1组成合金粘结相的各粉体的质量百分比(wt％)

实施例1-22的直接涂覆cbn涂层的涂层梯度硬质合金刀具的制备方法，包括以下步骤：

s1制备合金粘结相：按质量百分比分别称取组成合金粘结相的各粉体，将组成合金粘结相的各粉体置于球磨机中，用硬质合金研磨球球磨72h，且每球磨1h就暂停球磨10min，得到合金粘结相。

s2制备坯料：按质量百分比分别称取组成复合粉体的各组分，并按复合粉体质量的1.5-2.5％称取石蜡，并将石蜡与原料粉体混合均匀，得到坯料。

在其它实施方案中，作为成型剂的石蜡的用量还可以在复合粉体总质量的1.5-2.5％的范围内，不影响烧结形成的梯度硬质合金的结构和性能，即不影响烧结形成的刀具基体的结构和性能。

s3压制坯体：将坯料置于自动压模机中以30mpa干压成型得到初坯体；再用冷等静压机进一步压制初坯体，压强为200mpa，时间为5min，得用于烧结形成刀具基体的坯体。

s4预烧结和烧结：

预烧结：将坯体置于烧结炉中，在惰性气体气氛下，以1400℃烧结10min；坯体随炉冷却后精修坯体外形。

烧结：将坯体置于烧结炉中，以5-8℃/min的速度升温至1200-1250℃，保温18-22min，并保持1×10^-3pa以下的真空度；然后向烧结炉中充入氮气并以1-3℃/min的速度升温至1420-1450℃，保温55-65min且保持0.2mpa以上的压强；接着再以2-6℃/min的速度降温至1000-1200℃，保温110-130min，并保持0.2mpa以上的压强；再接着使坯体随炉冷却，并保持0.2mpa以上的压强，制得刀具基体。

s5沉积cbn涂层：采用cvd法在刀具基体的表层上沉积cbn，形成cbn涂层。沉积cbn涂层的工艺参数为：bf3、n2、ar和h2的流量分别为20sccm、2slm、4slm、5sccm，总反应气压为4kpa，衬底负偏压为65v，衬底温度为860℃，沉积时间为60min。

实施例23-28

实施例23-28分别提供一种直接涂覆cbn涂层的涂层梯度硬质合金刀具。用于烧结制作刀具基体的复合粉体由合金粘结相与tic、tac和wc组成，组成合金粘结相的各粉体的质量百分比是(与实施例15的相同)：1.5％的cr、1.5％的mo、5.5％的b、0.5％的al、5.5％的v、3.5％的y、2.0％的si、70％的ni、10％的co。复合粉体中合金粘结相与tic、tac和wc的质量百分比如下表2所示。

表2实施例23-28的复合粉体中各组分的质量百分比(wt％)

实施例23-28的直接涂覆cbn涂层的涂层梯度硬质合金刀具的制备方法与实施例15的制备方法相同。

分别测试上述实施例制备的直接涂覆cbn涂层的涂层梯度硬质合金刀具的耐磨性及涂层与基体的结合强度。涂层与基体结合强度采用纳米划痕仪(csmrevetesttest，switzreland)测量，以涂层破坏时的临界载荷lc作为衡量涂层与基体结合力的标准。实验参数为：压头半径200μm，加载力为100n，划痕速率6mm/min，划痕长度3mm。耐磨性按照astmb611进行测试。其测试结果如下表3所示。

表3各实施例制备的涂层梯度硬质合金刀具的各项测试结果

图1中的a、b、c、d分别为实施例12和13和14和15制备的刀具基体的光镜图，从图中可见刀具基体的表层厚度随着合金粘结相中ni元素含量的增加而增加，当合金粘结相中ni元素含量增加时，在渗氮烧结的保温阶段能提高ti元素在液相粘结相中的溶解度，进而促进ti原子通过液相粘结相实现从合金内部向外表面的扩散，以促进金属陶瓷表层的生成。

以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。