一种由渗氮烧结基体与微波涂层直接结合的金刚石涂层梯度硬质合金刀具的制备方法技术

本发明专利技术涉及硬质合金刀具技术领域，具体为一种由渗氮烧结基体与微波涂层直接结合的金刚石涂层梯度硬质合金刀具的制备方法。本发明专利技术通过调整复合粉料的组成并将高能球磨与高温反应相结合，反应温度控制在1000℃左右即可实现生成纳米(Ti，W)C‑Ni‑Co‑V‑Cr‑Mo复合粉料；用所述复合粉料烧结基体时，通过真空和渗氮两步烧结，且控制真空烧结在390‑410℃区间的升温速率，可烧结得到能够直接在其上制作CVD金刚石涂层的基体，无需对基体进行预处理制作过渡层，且涂层与基体的结合性好。

A preparation method of gradient cemented carbide tool with diamond coating by direct combination of nitriding sintering matrix and microwave coating

The invention relates to the technical field of cemented carbide cutting tools, in particular to a preparation method of diamond coating gradient cemented carbide cutting tools which is directly combined with nitriding sintering matrix and microwave coating. By adjusting the composition of the composite powder and combining high-energy ball milling with high-temperature reaction, the reaction temperature is controlled at about 1000 \u2103, the nano (Ti, w) C \u2011 Ni \u2011 Co \u2011 V \u2011 Cr \u2011 Mo composite powder can be generated; when the composite powder is used to sinter the matrix, the composite powder can be sintered by two steps of vacuum and nitriding, and the heating rate of vacuum sintering in 390 \u2011 410 \u2103 can be controlled to obtain the sintering ability The substrate on which CVD diamond coating is made directly does not need to be pretreated to make transition layer, and the combination of coating and substrate is good.

【技术实现步骤摘要】
一种由渗氮烧结基体与微波涂层直接结合的金刚石涂层梯度硬质合金刀具的制备方法
本专利技术涉及硬质合金刀具
，尤其涉及一种由渗氮烧结基体与微波涂层直接结合的金刚石涂层梯度硬质合金刀具的制备方法。
技术介绍
涂层硬质合金通常是在硬质合金基体上涂覆超硬材料层，进而综合硬质合金基体具有良好韧性、强度以及抗冲击性能和超硬材料层具有高耐磨性、高硬度、优异的抗高温氧化性能等优势。目前，涂层硬质合金的发展日新月异，涂层硬质合金的牌号更是层出不穷，尤其在涂层工艺、涂层结构与成分、以及硬质合金基体中Co对涂层的影响等报道研究非常丰富。在涂层工艺与性能不断取得优化的同时，对硬质合金基体提出了更为苛刻的要求。这是由于涂层硬质合金的性能在很大程度上取决于涂层与硬质合金基体的匹配性能。为了改善与金刚石涂层之间的匹配性能，硬质合金应具有以下3方面的要求：1)具有足够的刚度，在受到载荷或冲击时，应变不能太大，否则容易引发涂层的剥落；2)基体的热膨胀系数与相应涂层材料的热膨胀系数相近，否则在作业过程中产生的热应力过大而导致涂层开裂或失效；3)硬质合金基体或者是基体表层的材料成分要与相应涂层材料的成分具有相容性，否则将不利于涂层材料的生长，尤其是对于金刚石涂层的形核与长大。对于要求1)具有足够的刚度这个较容易满足，即使是普通的硬质合金，通过降低Co含量与细化WC晶粒均能较好的满足要求；对于要求2)相近的热膨胀系数，由综述可知，这对于传统的WC-Co硬质合金具有较大的压力，而双层结构多元梯度硬质合金则具有潜在的优势；对于要求3)，传统的WC-Co硬质合金主要是WC、Co和可能产生的第三相(游离C或η相)，因而难以实现在成分上进行调整而形成与涂层相匹配的基体。CVD金刚石涂层已经有20余年的发展历程，主要在逐渐解决3个关键性的技术难点：1)是要保证硬质合金基体上CVD金刚石薄膜本身的质量；2)是金刚石膜的成核与生长；3)是金刚石薄膜与硬质合金基体之间的结合强度。对于技术难点1)，目前已经能制备性能非常优异的纳米金刚石薄膜；对于技术难点2)，传统WC-Co硬质合金的粘结相主要是Co，在沉积金刚石过程中，C元素在Co中具有较好的溶解度和较高的扩散系数，非常不利于金刚石薄膜的成核，目前采取的措施是在涂层前对硬质合金表面的Co进行预处理或者通过沉积过渡层的方式避开Co的影响；对于技术难点3)，主要是通过PVD或CVD等设备制备具有特定性能的过渡层，以缓解硬质合金与金刚石薄膜之间的热膨胀系数差异。通过在基体上沉积过渡层后再制备微波金刚石膜，虽可解决金刚石膜的成核与生长问题，及解决金刚石膜与硬质合金基体之间的结合强度问题，但这会增加额外的工艺流程，不利于投产应用，降低成本。提高金刚石膜与刀具基体的结合强度是目前的研究热点之一，如专利文献CN201610716152.0公开的刀具的制备方法和专利文献201810849326.X公开的硬质合金刀具表面复合金刚石薄膜涂层的制备方法。专利文献CN201610716152.0公开的刀具的制备方法包括：(1)、对硬质合金基体进行预处理，以对硬质合金基体表面进行粗化，并降低基体表面钴元素含量；预处理方法包括：硬质合金基体在第一试剂中以超声振动方式浸蚀WC相20～40分钟，第一试剂为K3(Fe(CN))6和KOH的混合溶液；第二试剂为硫酸溶液，第一试剂中按质量比K3(Fe(CN))6∶KOH∶H2O＝1∶(1～1.5)∶(6～8)；浸蚀后的硬质合金基体在第二试剂中酸蚀去钴8～10秒，第二试剂中按体积比H2SO4∶H2O2＝3∶(5～7)。(2)、对硬质合金基体进行微波脱碳还原处理，使基体表面的WC转变为W；还原处理时间10～15分钟；微波功率400～550W，气体压力1～1.5kPa。(3)、将硬质合金基体放入偏压增强热丝装置中沉积金刚石薄膜涂层，沉积时间1～1.5小时，热丝温度800～1000℃，偏压电流密度0.1～0.15A/cm2；在硬质合金基体表面形成金刚石薄膜。专利文献201810849326.X公开的硬质合金刀具表面复合金刚石薄膜涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)、将硬质合金刀具用砂纸打磨，然后置于酸性溶液A中超声处理10-12min，再置于碱性溶液B中超声处理6-8min，用丙酮清洗后置于金刚石微粉丙酮悬浊液中超声振荡15-18min，清洗干燥后得到预处理硬质合金刀具。酸性溶液A由高锰酸钾溶液与双氧水按体积比为1.5-3∶1组成，碱性溶液B由浓度为18-25wt％氢氧化钠水溶液和浓度为2-5wt％氢氧化钙水溶液按体积比为3-5∶1组成，金刚石微粉丙酮悬浊液中金刚石微粉由粒度为4μm和粒度为8μm两部分按重量比为2-4∶1-1.5组成；得到预处理硬质合金刀具。(2)、在预处理硬质合金刀具表面进行热丝化学气相沉积处理，得到到物料A；热丝化学气相沉积参数如下：热丝温度为2300-2350℃，衬底温度为730-760℃，衬底摆动角为90°-180°，每分钟摆动3-4次，热丝与衬底之间的距离为6.5-8mm，甲烷流量为10-12sccm、氢气流量为600-700sccm，氩气流量200-220sccm，反应室内工作压力为150-200KPa，沉积时间为35-40min。(3)、将物料A置于丙酮中超声洗涤，在80-90℃干燥，然后浸泡于AlO溶胶中1-2min，取出后在60-65℃干燥3-5min，再浸泡于SiO溶胶中1-2min；取出后进行热处理，热处理具体过程如下：将物料以1-2℃/min升温至90-95℃，保温35-45min，再以6-8℃/min升温至720-760℃，保温40-50min，再空冷至室温；得到硬质合金刀具表面复合金刚石薄膜涂层。该专利技术中通过优化硬质合金刀具的预处理工艺，合理选用试剂及工艺参数，有效清除硬质合金刀具表面杂质并提高其活性，同时还细化了硬质合金刀具表面金属颗粒，有助于后续复合金刚石薄膜涂层的生成；再通过优化热丝化学气相沉积工艺，合理设置工艺参数，衬底表面能均匀接受热丝的辐射，提高衬底表面温度场的均匀性，还能连续检测衬底表面多点温度的变化情况，有效提高金刚石薄膜的均匀性和稳定性，金刚石在硬质合金刀具表面沉积，其成核密度高，通过二次成核来有效抑制晶粒长大，形成了微/钠米金刚石复合薄膜，其在硬质合金刀具基体表面具有优异的附着强度，不易剥落，显著提高刀具切削性能和耐高温性等性能。
技术实现思路
本专利技术针对在硬质合金基体上制作微波金刚石膜前，需先在基体上沉积过渡层，否则会在表面形成石墨层的问题，提供一种由渗氮烧结基体与微波涂层直接结合的金刚石涂层梯度硬质合金刀具的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。一种由渗氮烧结基体与微波涂层直接结合的金刚石涂层梯度硬质合金刀具的制备方法，包括以下步骤：S1制备复合粉料：将混合粉料置于H2气氛中球磨24h以上，然后将球磨后的混合粉料加热至990-1050℃并保温110-130min，得到复合粉料；所述混合粉料由以下质量百分比的各组分组成：25-40％的TiO2，0.5-1.5％的VC，0.5-1.5％的Cr3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种由渗氮烧结基体与微波涂层直接结合的金刚石涂层梯度硬质合金刀具的制备方法，包括以下步骤：/nS1制备复合粉料：将混合粉料置于H

【技术特征摘要】
1.一种由渗氮烧结基体与微波涂层直接结合的金刚石涂层梯度硬质合金刀具的制备方法，包括以下步骤：
S1制备复合粉料：将混合粉料置于H2气氛中球磨24h以上，然后将球磨后的混合粉料加热至990-1050℃并保温110-130min，得到复合粉料；所述混合粉料由以下质量百分比的各组分组成：25-40％的TiO2，0.5-1.5％的VC，0.5-1.5％的Cr3C2，1-2％的Mo，3-6％的Co，3-6％的Ni，43-67％的碳钨混合粉；所述碳钨混合粉由6％的C和94％的W组成；
S2制备基体：用所述复合粉料压制成坯体，对坯体依次进行第一步烧结和第二步烧结后制得基体；第一步烧结是在真空气氛中加热坯体至900℃并保温25-35min，第二步烧结是将坯体加热到1450℃并在0.1-10MPa的氮气保护下保温55-65min；所述第一步烧结中，390-410℃区间的升温速率为0.3-0.4℃/min；
S3制备金刚石涂层：清洁基体后，通过微波等离子体化学气相沉积法在基体上沉积金刚石涂层。


2.根据权利要求1所述的由渗氮烧结基体与微波涂层直接结合的金刚石涂层梯度硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，步骤S1中，将混合粉料和硬质合金球装入硬质合金球磨罐中，球料比为20∶1，在H2气氛中进行球磨。


3.根据权利要求1所述的由渗氮烧结基体与微波涂层直接结合的金刚石涂层梯度硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，步骤S1中，将球磨后的混合粉料加热至1000℃并保温120min。


4.根据权利要求1所述的由渗氮烧结基体与微波涂层直接结合的金刚石涂层梯度硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述混合粉料由以下质量百分比的各组分组成：25-30％的TiO2，0.5-1.5％的VC，0.5-1.5％的Cr3...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈健，周莉，郑振新，李芯怡，琚广龙，黄怿平，朱睿，
申请(专利权)人：广东技术师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44