[发明专利]一种提高硬质合金表面钛铝氮涂层强韧性的方法

说明书

本发明公开了一种提高硬质合金表面钛铝氮涂层强韧性的方法，包括下列步骤：将预处理好的硬质合金试样放入双辉等离子渗金属炉样品台上，悬挂好自制靶材并放置好辅助阴极；抽真空后通入氩气，对阴极与源极施加高电压并维持一定压差，反溅射清洗后对样品进行渗钽处理；随后将渗钽样品取出装入磁控溅射设备的基片台上，安装好钛铝复合靶并调节好靶材与试样之间的距离，进行离子束溅射清洗，然后将基片台正对直流脉冲磁控溅射靶，通入氩气与氮气并调节至一定比例后，开启偏压电源和直流脉冲电源制备钛铝氮涂层。该方法制备的钛铝氮钽复合涂层具有较高的断裂韧性与结合强度。

技术领域

本发明涉及一种提高硬质合金表面钛铝氮涂层强韧性的方法，属于材料表面改性技术领域。

背景技术

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，具有硬度高、强度和韧性较好、耐热、耐磨、耐腐蚀等一系列优良性能，被广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，但在切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料时将由于硬度不足将会严重影响刀具的使用寿命。

钛铝氮涂层是目前应用较广的硬质涂层，作为一种防护涂层，其具有制备工艺成熟、硬度高、高温抗氧化性好、耐磨耐腐蚀等一系列优良性能，涂覆钛铝氮涂层的硬质合金刀具成为目前国内使用的主流刀具。采用直流脉冲磁控溅射技术制备钛铝氮涂层，由于磁控溅射技术具有离化率高且产生的离子数量多、粒子团小，且工作气压低、工作温度低等优点，使得制备的钛铝氮涂层质量较好。然而，钛铝氮涂层与硬质合金之间的晶格匹配与热力学性质差异较大，直接在硬质合金上涂覆钛铝氮涂层常因涂层硬度高、韧性差的缘故导致涂层结合强度低、易脱落等问题，严重影响其实际应用，因而需要提高硬质合金表面钛铝氮涂层的强韧性。

发明内容

本发明旨在提供一种提高硬质合金表面钛铝氮涂层强韧性的方法，该方法所得产品的结合力与韧性大幅度提高。

本发明采用双辉等离子体渗金属技术，阴极（工件）和源极（预渗金属）都施加负高压并在两极之间设置一定压差，气体、金属离子受到电场加速作用对源极和阴极表面产生轰击作用，使工件表面产生空位等缺陷，预渗金属吸附、沉积到活性较大的工件表面并在高温下扩散渗入到工件内部，形成表面合金扩散层，可以大幅度提高涂层与基体的结合力。钽金属线性热膨胀系数为6.3μm/(m·K)，与硬质合金相近，韧性很好，当钛铝氮涂层与钽层复合时因其良好的延展性可以提高涂层的断裂韧性并阻止裂纹的产生；同时钽在钛铝氮层界面处与钛元素固溶。因此，采用双辉等离子渗金属技术制备的钽过渡层可以增强后续涂层的韧性与结合强度，进而提高硬质合金刀具的使用寿命。

本发明提供了一种提高硬质合金表面钛铝氮涂层强韧性的方法，包括以下步骤，

（1）硬质合金试样预处理：将硬质合金试样进行机械研磨、抛光，然后依次浸入丙酮、酒精和蒸馏水中分别进行超声波清洗各5~20 min，冷风吹干备用；

（2）将预处理好的硬质合金试样放入双辉等离子渗金属真空室样品台上，采用自制靶材，将纯度为99.9%，直径2~4mm、长20mm的钽丝嵌入到50×50×3mm³方形不锈钢板内，悬挂靶材并调节靶材与硬质合金片样品之间的距离，放置好辅助阴极，关闭真空室；

（3）采用机械泵对真空室抽真空至2 Pa以下，然后通入氩气并调节氩气流量至工作气压为25~35 Pa，同时对源极与阴极施加电压并维持在200~300 V的压差，阴极电压高于源极电压，维持样品温度600~1000℃；反溅射清洗10~30 min；随后将源极与阴极电压反转，维持同样压差和样品温度，渗钽3~10 min，渗层制备完毕在流动氩气氛围内冷却2~3 h；

（4）取出渗钽样品装入磁控溅射设备的真空室基片台上，将粉末冶金制成的纯度为99.9%的圆柱形钛铝合金靶安装在直流脉冲磁控靶上，调节靶材与样品之间的距离，然后旋转样品台使基片台正对考夫曼离子源，关闭真空室；