[發明專利]氮化硅-硬質合金梯度涂層刀具及其制備方法

在審

• 申請號: 201810077086.6
• 申請日: 2018-01-26
• 公開（公告）號: CN108300993A
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發明（設計）人: 邢佑強;王孟雅;李想;胡若愚;黃開靚
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;C22C29/08;C04B35/584
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種氮化硅?硬質合金梯度涂層刀具及其制備方法。該刀具基體材料為高速鋼，刀具基體表面具有多層涂層，該涂層為氮化硅基陶瓷層和硬質合金層交替的梯度疊層涂層。本發明的涂層采用激光熔覆方法制備，制備步驟為：(1)前處理；(2)熔覆硬質合金層；(3)熔覆氮化硅基陶瓷層；(4)交替熔覆硬質合金層和氮化硅基陶瓷層；(5)后處理。與現有技術相比，該刀具表面的梯度涂層兼顧氮化硅基陶瓷和硬質合金的特點，既具有良好的韌性，又具有較高的硬度和耐磨性能。該涂層刀具可廣泛應用于干切削和難加工材料的切削加工。

技術領域

本發明涉及機械切削刀具，尤其涉及氮化硅-硬質合金梯度涂層刀具及其制備方法。

背景技術

由于切削液費用較高，且造成環境污染，干切削加工已成為綠色加工的一個研究熱點。但高速干切削時，前刀面上刀與屑之間的摩擦異常劇烈，產生了大量的熱，導致了刀具的快速磨損。因此迫切需要研究開發無污染、高效且具有高硬度、高耐磨性能的新型刀具，以降低摩擦從而提高刀具壽命。目前國內外廣泛使用的切削刀具材料主要有高速鋼、硬質合金、陶瓷及金剛石刀具等。其中高速鋼導熱性能差、硬度低，以及耐磨性能較差，不適合加工難加工材料；硬質合金及陶瓷刀具等由于材料本身的脆性較大，制造過程中容易出現刃口斷裂導致刀具的壽命降低；而金剛石刀具等制造成本較高。因此對刀具進行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑，隨著切削加工技術的發展，單一涂層已不能滿足加工需求，多元梯度涂層已成為涂層刀具的重要發展方向。

申請號為201110214393.2的中國發明專利公開了一種疊層涂層刀具及其制備方法，本發明的涂層采用電弧鍍鍍膜方法制備，涂層刀具兼顧ZrN、ZrTiN和梯度疊層結構的特點，提高了涂層的硬度、強度和耐沖擊性，延長了刀具壽命；但通過該方法制備涂層厚度受到了限制，且涂層間結合強度較低。另外，申請號為200910014460.9的中國發明專利公開了一種氮化硅基納米復合梯度功能陶瓷刀具材料及其制備方法，該陶瓷刀具材料具有五層對稱梯度層次結構，使刀具材料的力學性能呈梯度變化，可有效緩解殘余熱應力；但陶瓷刀具本身存在脆性較大的缺點。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供一種氮化硅-硬質合金梯度涂層刀具及其制備方法，該刀具既具有良好的韌性，又具有較高的硬度和耐磨性能，同時涂層間結合強度較高。

技術方案：本發明梯度涂層刀具的基體材料為高速鋼，刀具基體表面具有多層涂層，刀具基體材料表面涂層為氮化硅基陶瓷層和硬質合金層交替的梯度疊層涂層。

氮化硅基陶瓷層主要成分的重量百分比為：α-氮化硅60-80％，β-氮化硅3-10％，碳化鈦10-30％，氧化釔1-4％，氧化鎂1-4％和鈷1-3％。

硬質合金層主要成分的重量百分比為：碳化鎢70-90％，碳化鈦5-15％，鈷3-15％，碳化鉭1-5％。

氮化硅基陶瓷層和硬質合金層的厚度范圍均為100-400μm。

氮化硅基陶瓷層和硬質合金層交替的梯度疊層涂層厚度范圍為200-2400μm。

氮化硅-硬質合金梯度涂層刀具的制備方法中，涂層采用激光熔覆方法制備，其具體制備步驟為：

(1)前處理：將刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超聲清洗20-30min，進行去油污處理；

(2)熔覆硬質合金層：將配制好的硬質合金混合粉料裝入送粉器中，采用二氧化碳激光將硬質合金混合粉料熔覆在刀具前刀面；

(3)熔覆氮化硅基陶瓷層：將配制好的氮化硅基陶瓷混合粉料裝入送粉器中，采用二氧化碳激光將氮化硅基陶瓷混合粉料熔覆在刀具前刀面；

(4)交替熔覆硬質合金層和氮化硅基陶瓷層：重復步驟(2)和步驟(3)，交替熔覆硬質合金層和氮化硅基陶瓷層；

(5)后處理：熔覆完成后對刀具表面進行修整。