[发明专利]一种硬质合金表面非层状氧化铝/碳化钛涂层的制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种涂层的制备方法，特别涉及硬质合金表面非层状Al₂O₃/TiC涂层制备方法，属于表面工程领域。

背景技术

涂层技术是硬质合合金发展史上的里程碑，在硬质合金基体上涂覆一层或多层TiC、TiN、TiCN、Al₂O₃、TiAlN等薄膜构成了涂层刀具，其强韧性由基体保证, 而高硬度与耐磨性由涂层解决。涂层在切削过程中作为化学屏障和热屏障减少了硬质合金的月牙洼磨损，刀具寿命大幅度提高，目前涂层刀具占硬质合金刀具80%以上。

在众多的涂层材料中，Al₂O₃涂层在高温下具有良好的热稳定性、化学稳定性、高硬度与机械强度、抗氧化磨损和抗扩散磨损性能，是优良的涂层材料。但是，Al₂O₃的物理性能与硬质合金基体差别巨大，二者之间的结合强度不高，一般不直接使用，而通常以与硬质合金基体材料结合强度更高的TiC_xN_1-x（x=0～1）作涂层的底层或者分隔层，目前，Al₂O₃/ TiC_xN_1-x（x=0～1）涂层搭配在高速切削领域得到了非常广泛的应用。专利02158373.0公开了一种涂层烧结的硬质合金，包括一个硬质合金基体、与该硬质合金体相邻的第一层，所述第一层含有Ti(C，N)，厚度为约3到约20μm、与所述第一层相邻的氧化铝层，该氧化铝层含有α-Al₂O₃或κ-Al₂O₃，厚度为约1到约15μm、和与该氧化铝层相邻的含有Ti、Zr和Hf中的一个或多个的碳化物、碳氮化物或羧基氮化物的较远层，所述较远层的厚度为约1到15μm。一个减少摩擦层，含有γ-Al₂O₃、κ-Al₂O₃和毫微结晶Ti(C,N)中的一个或多个，厚度为约1到约5μm，可与较远层邻接。M. Fallqvist等采用CVD法在WC-9 (Nb,Ti,Ta)C-5.5Co硬质合金基体上制备了多层Ti(C,N)薄层隔开的κ-Al₂O₃涂层（M. Fallqvist, M. Olsson, S. Ruppi. Abrasive wear of multilayer κ-Al₂O₃-Ti(C,N) CVD coatings on cemented carbide. Wear, 2007, 263(1-6): 74-80）。S. Canovic等用CVD法制备了两层不同厚度的TiN层（50和600nm）隔开的TiN/κ–Al₂O₃涂层S. Canovic, S. Ruppi, J. Rohrer, A. Vojvodic, C. Ruberto, P. Hyl-dgaard, M. Halvarsson. TEM and DFT investigation of CVD TiN/κ–Al₂O₃ multilayer coatings. Surface & Coatings Technology, 2007, 202(3): 522-531）。 A. Riedl等采用LPCVD法在WC-4TiC-8TaC/NbC-11Co硬质合金表面先沉积TiCN，再沉积Al₂O₃, 涂层厚度分别为8和10μm,气体组分分别为TiCl₄–CH₃CN–H₂–N₂和AlCl₃–CO–CO₂–H₂–H₂S，沉积温度分别为900和1000 ℃，气体压力分别为80 和100mbar （A. Riedl, N.Schalk, C.Czettl, B.Sartory, C.Mitterer. Tribological properties of Al₂O₃ hard coatings modified by mechanical  blasting and polishing post-treatment. 2012,Wear, 289, 9-16）。X.M. Chen 等在WC-5.5 (Ti, Ta, Nb)C-6Co硬质合金表面制备CVD TiN/TiCN/κ-Al₂O₃ (α- Al₂O₃)涂层，各层的沉积温度分别是950-1050 ℃, 800-900 ℃和 950-1050℃; 沉积时间分别为0.5–1 h, 1–4 h和 2–6 h；气体压力分别为10–50 kPa, 5–20 kPa 和5–20 kPa（X.M Chen, H.Q. Liu, Q.H. Guo, S.P. Sun. Oxidation behavior of WC–Co hard metal with designed multilayer coatings by CVD. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2013, 31, 171-178）。