一种硬质合金表面纳米涂层及其制备方法
【专利摘要】一种硬质合金表面纳米涂层及其制备方法，涉及材料【技术领域】，涂层为Ti-Al-Zr涂层，涂层厚度为0.1-3um；在Ti-Al-Zr中Ti的物质的量含量为20-35%；Al的物质的量含量为35-55%；余量为Zr；在Ti、Al和Zr的氧化物上通过包覆有两层纳米层；第一层为镍纳米粒子层；第二层为二氧化硅非晶纳米层。一种的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，采用了化学气相沉积和热喷法相结合的方式。本发明提供的硬质合金表面纳米涂层及其制备方法，涂层具有较高的强度、韧性和热稳定性。
【专利说明】一种硬质合金表面纳米涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料【技术领域】，特别涉及一种高稳定性能的硬质合金表面纳米涂层及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 在硬质合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiC或TiN、HfN、氧化铝等薄层，形成表面涂 层硬质合金。
[0003] 硬质合金涂层的优点：（1)由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性，故与 未涂层硬质合金相比，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，从而提高了加工效率；或能 在同样的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。（2)由于涂层材料与被加工材料之间的摩 擦系数较小，故与未涂层刀片相比，涂层刀片的切削力有一定降低。（3)涂层刀片加工时，已 加工表面质量较好。（4)由于综合性能好，涂层刀片有较好的通用性。
[0004] 申请号为201110310618.4的专利文献"一种TiAlN涂层硬质合金刀片"，公开了 一种硬质合金涂层刀片，以超细WC-Co硬质合金刀片作为涂覆TiAlN涂层的基体，采用低 温物理气相沉积（PVD)法涂覆高硬度的TiAlN单层涂层，制备出高性能的TiAlN涂层刀 片。该方法制备出TiAlN涂层表面生成高强度的氧化物（刚玉），涂层中的Ti含量控制在 30-40%左右，Al含量控制在10%?13%之间，刃口的锋利性的锋利性得到保持。该方法 不同于传统的化学气相沉积法，而是采用了物理沉积法，得到的硬质合金涂层具有硬度高、 摩擦系数小等特点，但是存在氧化温度低、附着力小等缺陷，不利于长期使用。
[0005] 申请号为201010192876. 2的专利文献"硬质合金上的高硬度纳米复合涂层"，公 开了一种纳米复合涂层，具体描述了在硬质合金切削工具或其他工件衬底上通过形成多晶 金刚石涂层或包括耐火金属碳化物和多晶金刚石的复合涂层来产生粘合表面涂层的方法。 通过顺序的化学气相沉积工艺沉积该涂层，首先使用特定的氢气和耐火金属卤化物的气 体混合物来沉积耐火金属碳化物的基层。这一步随后是第二步，在第二步中，从包括烃和 氢气的气体混合物中沉积多晶金刚石。也设想了在第二步中共沉积耐火金属碳化物和金刚 石以产生强化的金刚石涂层。由此可知，该技术方案是通过化学气相沉积工艺在硬质合金 表面沉积金刚石涂层，以提高硬质的硬度和耐磨性能，经过沉积以后形成的金刚石涂层具 有极高的硬度和强度，能够显著提高硬质合金的切削能力。但是这种沉积可能并不能有效 的保持基体和涂层之间的紧密关系，故而不利于长久使用。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题：针对现有技术的缺陷，克服现有技术的不足，本发明提供 一种硬质合金表面纳米涂层及其制备方法。
[0007] 本发明的技术方案：一种硬质合金表面纳米涂层：
[0008] 涂层为Ti-Al-Zr涂层，涂层厚度为0· l-3um ;
[0009] 其中，在Ti-Al-Zr中Ti的物质的量含量为20-35 % ;A1的物质的量含量为 35-55% ;余量为 Zr ;
[0010] 其中，在Ti、Al和Zr的氧化物上通过包覆有两层纳米层；
[0011] 第一层为镍纳米粒子层；
[0012] 第二层为二氧化硅非晶纳米层。
[0013] 一种的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如下：
[0014] (1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
[0015] (2)以二氧化硅和镍的有机挥发性化合物作为气相沉积反应的前驱体；
[0016] (3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍 纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
[0017] (4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过热喷法进行喷涂，即得到硬质合金表面纳 米涂层。
[0018] 作为优选，二氧化硅的前驱体为正硅酸乙酯。
[0019] 作为优选，镍的前驱体为二茂镍。
[0020] 作为优选，粉体包覆的二氧化硅纳米非晶体的厚度为100_200nm。
[0021] 作为优选，粉体包覆的金属镍纳米粒子层的厚度为50-150nm。
[0022] 有益效果：本发明提供的硬质合金表面纳米涂层及其制备方法，是Ti-Al-Zr涂 层，该涂层具有较高的强度、韧性和热稳定性。为制备这种涂层，本发明采用了化学气相沉 积和热喷法相结合的方式。首先，以氧化钛、氧化锆和氧化铝为基体材料，以二氧化硅和镍 为包覆材料，采用化学气相沉积技术，将二氧化硅和镍包覆在氧化钛、氧化锆和氧化铝之 上，而后通过热喷法，等离子喷涂或高温火焰喷涂在硬质合金上形成一层涂层，这种纳米涂 层与硬质合金表面通过粒子间的作用，连接紧密，能够有效的提高硬质合金的强度和热稳 定性，同时具有较好的耐磨性能。
【具体实施方式】
[0023] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是 应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的 限制。
[0024] 实施例1 :
[0025] 根据本发明提供的制备方法制备硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如 下：
[0026] (1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
[0027] 其中Ti的物质的含量为20% ;A1的物质的量含量为35% ;Zr物质的量含量为 45% ；
[0028] (2)以正硅酸乙酯为二氧化硅的前驱体，以二茂镍作为镍的前驱体；
[0029] (3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍 纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
[0030] 其中，控制二氧化硅纳米非晶体的厚度120nm ;控制金属镍纳米粒子层的厚度为 150nm ；
[0031] (4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过高速火焰喷涂法进行喷涂，即得到硬质合 金表面纳米涂层，涂层厚度为lum。
[0032] 实施例2 :
[0033] 根据本发明提供的制备方法制备硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如 下：
[0034] (1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
[0035] 其中Ti的物质的含量为35% ;A1的物质的量含量为55% ;Zr的物质的量含量为 10% ；
[0036] (2)以正硅酸乙酯为二氧化硅的前驱体，以二茂镍作为镍的前驱体；
[0037] (3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍 纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
[0038] 其中，控制二氧化硅纳米非晶体的厚度为IOOnm;控制金属镍纳米粒子层的厚度 为 120nm ;
[0039] (4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过高速火焰喷涂法进行喷涂，即得到硬质合 金表面纳米涂层，涂层厚度为lum。
[0040] 实施例3 :
[0041] 根据本发明提供的制备方法制备硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如 下：
[0042] (1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
[0043] 其中Ti的物质的含量为30% ;A1的物质的量含量40% ;Zr的物质的量含量30%;
[0044] (2)以正硅酸乙酯为二氧化硅的前驱体，以二茂镍作为镍的前驱体；
[0045] (3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍 纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
[0046] 其中，控制二氧化硅纳米非晶体的厚度为200nm ;控制金属镍纳米粒子层的厚度 为 IOOnm ;
[0047] (4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过高速火焰喷涂法进行喷涂，即得到硬质合 金表面纳米涂层，涂层厚度为lum。
[0048] 实施例4 :
[0049] 根据本发明提供的制备方法制备硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如 下：
[0050] (1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
[0051] 其中Ti的物质的含量为34% ;A1的物质的量含量为47% ;Zr的物质的量含量为 19% ；
[0052] (2)以正硅酸乙酯为二氧化硅的前驱体，以二茂镍作为镍的前驱体；
[0053] (3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍 纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
[0054] 其中，控制二氧化硅纳米非晶体的厚度为150nm ;金属镍纳米粒子层的厚度为 IOOnm ；
[0055] (4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过高速火焰喷涂法进行喷涂，即得到硬质合 金表面纳米涂层，涂层厚度为〇· lum。
[0056] 实施例5 :
[0057] 根据本发明提供的制备方法制备硬质合金表面纳米涂层的制备方法，制备步骤如 下：
[0058] (1)称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥；
[0059] 其中Ti的物质的含量为25% ;A1的物质的量含量为40% ;Zr的物质的量含量为 35% ；
[0060] (2)以正硅酸乙酯为二氧化硅的前驱体，以二茂镍作为镍的前驱体；
[0061] (3)将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍 纳米粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆；
[0062] 其中，控制二氧化硅纳米非晶体的厚度为150nm ;金属镍纳米粒子层的厚度为 120nm ；
[0063] (4)将包覆后的粉体材料混合均匀，通过等离子喷涂法进行喷涂，即得到硬质合金 表面纳米涂层，涂层厚度为3um。
[0064] 申请号为201110310618. 4的专利文献"一种TiAlN涂层硬质合金刀片"公开的技 术方案制备TiAlN涂层，为对照组；测定上述实施例和对照组纳米涂层的性能。
[0065] 测试对实施例1-5和对照组纳米涂层的强度和摩擦系数，结果如表1所示：
[0066] 表1纳米陶瓷涂层强度和韧性测定
[0067]
【权利要求】
1. 一种硬质合金表面纳米涂层，其特征在于： 涂层为Ti -Al-Zr涂层，涂层厚度为0.1-3um; 其中，在Ti -Al-Zr中Ti的物质的量含量为20-35% ;A1的物质的量含量为35-55% ;余 量为Zr ; 其中，在Ti、Al和Zr的氧化物上通过包覆有两层纳米层； 第一层为镍纳米粒子层； 第二层为二氧化硅非晶纳米层。
2. 根据权利要求1所述的硬质合金表面纳米涂层，其特征在于：Ti的物质的量含量为 25-30%。
3. 根据权利要求1所述的硬质合金表面纳米涂层，其特征在于：Ti、Al和Zr的物质的 量比为 1-2 :0? 5-1. 5 :1。
4. 一种根据权利要求1-3任一项所述的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在 于，制备步骤如下： (1) 称取氧化钛、氧化锆和氧化铝，混合在一起，放入球磨机混合均匀后干燥； (2) 以二氧化硅和镍的有机挥发性化合物作为气相沉积反应的前驱体； (3) 将混合料放入化学气相沉积反应室，分别进行气相化学沉积反应，先后进行镍纳米 粒子的第一层沉积包覆和二氧化硅非晶纳米层的第二层沉积包覆； (4) 将包覆后的粉体材料混合均匀，通过热喷法进行喷涂，即得到硬质合金表面纳米涂 层。
5. 根据权利要求4所述的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在于：二氧化硅 的前驱体为正硅酸乙酯。
6. 根据权利要求4所述的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在于：镍的前驱 体为二茂镍。
7. 根据权利要求4所述的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在于：粉体包覆 的二氧化硅纳米非晶体的厚度为100_200nm。
8. 根据权利要求4所述的硬质合金表面纳米涂层的制备方法，其特征在于：粉体包覆 的金属镍纳米粒子层的厚度为50-150nm。
【文档编号】C23C16/18GK104313530SQ201410522595
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】翟红波, 杨振枢, 韦洪屹 申请人:苏州博利迈新材料科技有限公司