本发明涉及机械切削刀具，尤其涉及氮化硅-硬质合金梯度涂层刀具及其制备方法。
背景技术：
由于切削液费用较高，且造成环境污染，干切削加工已成为绿色加工的一个研究热点。但高速干切削时，前刀面上刀与屑之间的摩擦异常剧烈，产生了大量的热，导致了刀具的快速磨损。因此迫切需要研究开发无污染、高效且具有高硬度、高耐磨性能的新型刀具，以降低摩擦从而提高刀具寿命。目前国内外广泛使用的切削刀具材料主要有高速钢、硬质合金、陶瓷及金刚石刀具等。其中高速钢导热性能差、硬度低，以及耐磨性能较差，不适合加工难加工材料；硬质合金及陶瓷刀具等由于材料本身的脆性较大，制造过程中容易出现刃口断裂导致刀具的寿命降低；而金刚石刀具等制造成本较高。因此对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径，随着切削加工技术的发展，单一涂层已不能满足加工需求，多元梯度涂层已成为涂层刀具的重要发展方向。
申请号为201110214393.2的中国发明专利公开了一种叠层涂层刀具及其制备方法，本发明的涂层采用电弧镀镀膜方法制备，涂层刀具兼顾zrn、zrtin和梯度叠层结构的特点，提高了涂层的硬度、强度和耐冲击性，延长了刀具寿命；但通过该方法制备涂层厚度受到了限制，且涂层间结合强度较低。另外，申请号为200910014460.9的中国发明专利公开了一种氮化硅基纳米复合梯度功能陶瓷刀具材料及其制备方法，该陶瓷刀具材料具有五层对称梯度层次结构，使刀具材料的力学性能呈梯度变化，可有效缓解残余热应力；但陶瓷刀具本身存在脆性较大的缺点。
技术实现要素：
发明目的：本发明的目的是提供一种氮化硅-硬质合金梯度涂层刀具及其制备方法，该刀具既具有良好的韧性，又具有较高的硬度和耐磨性能，同时涂层间结合强度较高。
技术方案：本发明梯度涂层刀具的基体材料为高速钢，刀具基体表面具有多层涂层，刀具基体材料表面涂层为氮化硅基陶瓷层和硬质合金层交替的梯度叠层涂层。
氮化硅基陶瓷层主要成分的重量百分比为：α-氮化硅60-80％，β-氮化硅3-10％，碳化钛10-30％，氧化钇1-4％，氧化镁1-4％和钴1-3％。
硬质合金层主要成分的重量百分比为：碳化钨70-90％，碳化钛5-15％，钴3-15％，碳化钽1-5％。
氮化硅基陶瓷层和硬质合金层的厚度范围均为100-400μm。
氮化硅基陶瓷层和硬质合金层交替的梯度叠层涂层厚度范围为200-2400μm。
氮化硅-硬质合金梯度涂层刀具的制备方法中，涂层采用激光熔覆方法制备，其具体制备步骤为：
(1)前处理：将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗20-30min，进行去油污处理；
(2)熔覆硬质合金层：将配制好的硬质合金混合粉料装入送粉器中，采用二氧化碳激光将硬质合金混合粉料熔覆在刀具前刀面；
(3)熔覆氮化硅基陶瓷层：将配制好的氮化硅基陶瓷混合粉料装入送粉器中，采用二氧化碳激光将氮化硅基陶瓷混合粉料熔覆在刀具前刀面；
(4)交替熔覆硬质合金层和氮化硅基陶瓷层：重复步骤(2)和步骤(3)，交替熔覆硬质合金层和氮化硅基陶瓷层；
(5)后处理：熔覆完成后对刀具表面进行修整。
步骤(2)和(3)中，送粉器的送粉速率为20-60g/cm3。
步骤(2)和(3)中，激光熔覆均采用同步送粉方式进行，送粉气与保护气均采用氩气；激光功率范围为300-1500w，扫描速度5-50mm/s，搭接率φ为30-60％。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)该刀具表面的梯度涂层兼顾氮化硅基陶瓷和硬质合金的特点，具有高的硬度、良好的韧性和耐磨性性能；能够有效提高刀具性能、减小刀具磨损，从而提高刀具寿命。(2)该涂层刀具可广泛应用于干切削及难加工材料的切削加工，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
实施例1：梯度涂层刀具基体材料为高速钢，刀具基体表面具有多层涂层，刀具基体材料表面涂层为氮化硅基陶瓷层和硬质合金层交替的梯度叠层涂层。
梯度涂层刀具采用激光熔覆的方法在刀具前刀面制备，其具体制备步骤为：
(1)前处理：将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗20min，进行去油污处理；
(2)熔覆硬质合金层：配置硬质合金粉料，其主要成分的重量百分比为：碳化钨90％，碳化钛6％，钴3％，碳化钽1％；将配制好的硬质合金混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为30g/cm3；采用波长为10.6μm的二氧化碳激光将硬质合金混合粉料熔覆在刀具前刀面，激光熔覆采用同步送粉方式进行，送粉气与保护气均采用氩气；激光加工参数如下：激光功率为400w，扫描速度20mm/s，搭接率φ＝40％；其涂层厚度为100μm；
(3)熔覆氮化硅基陶瓷层：配置氮化硅基陶瓷混合粉料，其主要成分的重量百分比为：α-氮化硅80％，β-氮化硅3％，碳化钛14％，氧化钇1％，氧化镁1％和钴1％；将配制好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为30g/cm3；采用波长为10.6μm的二氧化碳激光将氮化硅基陶瓷混合粉料熔覆在刀具前刀面，激光熔覆采用同步送粉方式进行，送粉气与保护气均采用氩气；激光功率为500w，扫描速度20mm/s，搭接率φ＝40％；其涂层厚度为100μm；
(4)交替熔覆硬质合金层和氮化硅基陶瓷层：重复步骤(2)和步骤(3)，交替熔覆硬质合金层和氮化硅基陶瓷层，其梯度涂层厚度为200μm；
(5)后处理：熔覆完成后对刀具表面进行修整。
实施例2：此实施例中梯度涂层刀具的制备方法采用激光熔覆的方法在刀具前刀面制备，与实施例1不同之处在于，步骤(2)、(3)材料成分的重量百分比、涂层厚度以及激光加工参数与实施例1不同，步骤(4)中梯度涂层厚度与实施例1不同。刀具具体制备步骤如下：
本发明梯度涂层刀具采用激光熔覆的方法在刀具前刀面制备，其具体制备步骤为：
(1)前处理：将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗30min，进行去油污处理；
(2)熔覆硬质合金层：配置硬质合金粉料，其主要成分的重量百分比为：碳化钨70％，碳化钛15％，钴10％，碳化钽5％；将配制好的硬质合金混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为50g/cm3；采用波长为10.6μm的二氧化碳激光将硬质合金混合粉料熔覆在刀具前刀面，激光熔覆采用同步送粉方式进行，送粉气与保护气均采用氩气；激光加工参数如下：激光功率为1000w，扫描速度40mm/s，搭接率φ＝50％；其涂层厚度为400μm；
(3)熔覆氮化硅基陶瓷层：配置氮化硅基陶瓷混合粉料，其主要成分的重量百分比为：α-氮化硅60％，β-氮化硅10％，碳化钛19％，氧化钇4％，氧化镁4％和钴3％；将配制好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为50g/cm3；采用波长为10.6μm的二氧化碳激光将氮化硅基陶瓷混合粉料熔覆在刀具前刀面，激光熔覆采用同步送粉方式进行，送粉气与保护气均采用氩气；激光功率为1000w，扫描速度40mm/s，搭接率φ＝50％；其涂层厚度为400μm；
(4)交替熔覆硬质合金层和氮化硅基陶瓷层：重复步骤(2)和步骤(3)，交替熔覆硬质合金层和氮化硅基陶瓷层，其梯度涂层厚度为2400μm；
(5)后处理：熔覆完成后对刀具表面进行修整。
实施例3：此实施例中梯度涂层刀具的制备方法采用激光熔覆的方法在刀具前刀面制备，与实施例1、2不同之处在于，步骤(2)、(3)材料成分的重量百分比、涂层厚度以及激光加工参数与实施例1、2不同，步骤(4)中梯度涂层厚度与实施例1、2不同。刀具具体制备步骤如下：
本发明梯度涂层刀具采用激光熔覆的方法在刀具前刀面制备，其具体制备步骤为：
(1)前处理：将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗30min，进行去油污处理；
(2)熔覆硬质合金层：配置硬质合金粉料，其主要成分的重量百分比为：碳化钨82％，碳化钛5％，钴10％，碳化钽3％；将配制好的硬质合金混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为50g/cm3；采用波长为10.6μm的二氧化碳激光将硬质合金混合粉料熔覆在刀具前刀面，激光熔覆采用同步送粉方式进行，送粉气与保护气均采用氩气；激光加工参数如下：激光功率为1000w，扫描速度40mm/s，搭接率φ＝50％；其涂层厚度为200μm；
(3)熔覆氮化硅基陶瓷层：配置氮化硅基陶瓷混合粉料，其主要成分的重量百分比为：α-氮化硅62％，β-氮化硅4％，碳化钛30％，氧化钇1％，氧化镁1％和钴2％；将配制好的混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为50g/cm3；采用波长为10.6μm的二氧化碳激光将氮化硅基陶瓷混合粉料熔覆在刀具前刀面，激光熔覆采用同步送粉方式进行，送粉气与保护气均采用氩气；激光功率为1000w，扫描速度40mm/s，搭接率φ＝50％；其涂层厚度为200μm；
(4)交替熔覆硬质合金层和氮化硅基陶瓷层：重复步骤(2)和步骤(3)，交替熔覆硬质合金层和氮化硅基陶瓷层，其梯度涂层厚度为1200μm；
(5)后处理：熔覆完成后对刀具表面进行修整。