[發明專利]一種硬質合金及提高其PVD涂層膜基結合力的方法

有效

• 申請號: 201410376915.2
• 申請日: 2014-08-01
• 公開（公告）號: CN104120322A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發明（設計）人: 張立;陳述;吳厚平;熊湘君
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22C29/08
• 分類號: C22C29/08;C23C14/06
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明涉及一種硬質合金及提高其PVD涂層膜基結合力的方法，特別是指一種高膜基結合力的PVD涂層硬質合金及其制備方法，屬于粉末冶金復合材料技術領域。

背景技術

金屬氮化物通常為立方晶體結構，因具有高硬度、高耐磨性、優異的高溫抗氧化性能、高化學性質穩定性以及良好的耐腐蝕性能，除用作切削刀具的表面改性外，還廣泛應用于高溫、潮濕、高鹽度等各種復雜服役工況條件下工具的表面防護。作為典型的多元金屬氮化物硬質材料，立方晶體結構的AlTiN、AlCrN和AlCrSiWN涂層是目前較常用的商業化涂層。

硬質合金涂層技術主要分為物理氣相沉積技術(PVD)與化學氣相沉積(CVD)兩大類。其中PVD主要分為陰極電弧離子鍍與磁控濺射鍍兩大類。由于制備工藝條件的不同，CVD相對于PVD的最大優勢在于CVD涂層可獲得高的膜基結合力。因此，提高PVD涂層膜基結合力是提高PVD涂層刀具產品質量和提高PVD涂層競爭力的重要手段。

涂層與基體之間的結合強度，即膜基結合力是涂層工具的一項關鍵性能指標。因晶體結構特性差異，立方晶體結構的金屬氮化物在六方晶體結構的WC晶體表面形核具有明顯的各向異性，通常僅能在WC(0001)晶面形核，這種形核的明顯各向異性容易導致涂層內應力增加、膜基結合力降低以及膜基結合力穩定性降低。因此提高具有明顯形核各向異性的金屬氮化物PVD涂層的膜基結合力具有一定的挑戰性。

對涂層硬質合金，膜基結合力通常采用劃痕試驗法測定。劃痕試驗法采用特定形狀的金剛石壓頭在薄膜—基體組合體的薄膜表面滑動，在此過程中連續線性增加載荷L，當達到臨界載荷值Lc時，薄膜與基體開始剝離，此時薄膜會產生一定強度且連續波動的聲發射信號。聲發射峰出現波動的起始點所對應的載荷值即為被測膜材料從基體脫落的臨界載荷Lc。Lc是劃痕試驗法膜基結合力的表征參數。

研究結果表明，在相同涂層制備工藝條件下，膜基結合力與合金基體材質密切相關。合金中晶界和相界具有一定的應力松弛功能，涂層也容易在晶界形核。合金晶粒的超細化有利于涂層的形核，有利于涂層形核均質性的改善，有利于膜基結合力的改善。

六方晶體結構傳統形貌WC晶體的c/a值接近0.976，而六方晶體結構板狀晶WC晶體的c/a值遠小于0.976(a：對應三角棱邊長；c：對應三角棱高度)。板狀晶硬質合金是指合金中具有板狀晶特征的WC晶粒體積與合金中WC晶粒總體積之比(簡稱板狀晶WC體積分數)＞20％的硬質合金。板狀晶硬質合金分為含板狀晶硬質合金與板狀晶WC體積分數＞80％的純板狀晶硬質合金。傳統硬質合金的硬度與韌性是一對相互矛盾的參數，提高硬度要以犧牲韌性為代價，反之亦然。

張立等報道了“一種細小純板狀晶硬質合金及其制備方法”(發明專利申請號201310017459.8)，成功地解決了傳統板狀晶硬質合金強度偏低的問題，這種細小純板狀晶硬質合金具有高強度、高硬度和高韌性“三高”特性以及高WC硬質相與Co基粘結相相界密度的特征，但是該專利僅涉及合金的制備工藝，不涉及其應用技術。

目前沒有通過采用板狀晶硬質合金基體材質提高涂層硬質合金膜基結合力的報道。

發明內容

本發明的一個目的是提供一種高膜基結合力的PVD涂層硬質合金。

本發明的另一個目的在于提供一種提高硬質合金PVD涂層膜基結合力的方法，以提供提高具有明顯形核各向異性的金屬氮化物PVD涂層與硬質合金基體之間膜基結合力這一具有一定挑戰性難題的解決途徑，解決困擾企業界的膜基結合力穩定性控制的難題。

本發明一種高膜基結合力的PVD涂層硬質合金，所述硬質合金為超細純板狀晶WC–Co硬質合金；

所述超細純板狀晶WC–Co硬質合金中同時含Cr、V和稀土添加劑，所述Cr、V和稀土添加量分別占合金中Co質量分數的6％～8％、3％～4％和0.4％～0.6％；所述Cr、V和稀土添加形態與添加量分別以Cr₃C₂、VC和氧化物計；所述稀土元素選自常見稀土元素La、Ce、Y中的一種；

所述超細純板狀晶WC–Co硬質合金燒結體表面WC(0001)晶面和晶面所對應的X射線衍射峰強比值

所述超細純板狀晶WC–Co硬質合金中正三棱柱形WC板狀晶粒的正三角形(0001)晶面平均邊長≤0.6μm，棱柱平均高度≤0.2μm；

所述超細純板狀晶WC–Co硬質合金采用WC晶粒度≤100納米的WC–Co納米復合粉為原料，復合粉通過溶液噴霧轉化—原位還原碳化工藝制備。