本發明屬于硬質合金材料及制造技術領域，涉及一種硬質合金多層梯度稀土復合涂層的制備方法。

背景技術：

隨著現代機械加工工業朝著高精度、高速切削、綠色干式切削以及降低成本等方向的發展，人們對硬質合金刀具提出了越來越高的要求。在切削加工中，刀具性能對切削加工的效率、精度、表面質量有著決定性的影響。為了改善硬質合金刀具的切削加工性能，通常在刀具基體上濺射一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜組成的涂層，能顯著地提高切削加工效率、提高加工精度、延長刀具使用壽命、降低加工成本。近幾年來，刀具涂層已發展為添加多種功能化元素(抗磨損、低摩擦、耐氧化)，具有多種結構(納米多層、納米復合、梯度或多層結構等)的復合涂層。早期利用物理氣相沉積技術制備的硬質涂層材料，通常是簡單的tin、tic涂層，具有較高的抗機械磨損、抗磨粒磨損性能和較低的摩擦系數，但涂層的高溫抗氧化性較低，在高速加工或干切削的條件下效果不夠理想。近年來，在tin涂層中添加cr、al、b、si等元素形成多組元的多元涂層，如ticrn、tialn、tibn、tisin等涂層，顯微硬度達到hv3000，具有比tin、tic涂層更高的抗機械磨損、抗磨粒磨損性能，且涂層的應用溫度也可提高到800℃以上。雖然這些多元涂層有效提高了刀具的抗機械磨損性能，但仍不能滿足現代高速加工對刀具更好性能的要求。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供了一種硬質合金多層梯度稀土復合涂層及其制備方法，可以顯著提高提高硬質合金的抗氧化性能、抗沖擊性能、斷裂韌性和抗彎強度，改善硬質合金的耐磨性和硬度，延長刀具在正常磨損條件下的使用壽命，并且成本低廉，適合工業化生產與應用。

本發明的一種硬質合金多層梯度稀土復合涂層,包括：硬質合金為基體材料，含有ticrn、tialn、tibn和tisin涂層，以及稀土涂層，所述涂層呈多層梯度復合涂層，其中，稀土涂層涂于硬質合金表面以及ticrn、tialn、tibn和tisin涂層之間。

上述本發明的涂層，所述硬質合金為wc、wc-co、wc-ni等，所述涂層從內到外次序為ticrn、tialn、tibn和tisin，所述ticrn、tialn、tibn和tisin涂層的厚度分別為3-5μm、6-12μm、7-15μm、10-30μm，所述ticrn：tialn：tibn：tisin涂層的質量比為0.5-1.0：1.0-1.5：1.5-3.0：2.0-5.0,所述稀土復合涂層的材料為稀土元素y、la、ta和sc中的任意一種，稀土涂層的質量不超過其覆蓋涂層質量的5％，優選3.5％。

本發明的一種制備硬質合金多層梯度稀土復合涂層的方法，包括：a)以硬質合金作為基材b)以tin、tic、cr、al、b和si以及選自y、la、ta和sc的稀土元素作為涂層材料，c)采用磁控濺射方法，以梯度涂層方式，在合金表面依次沉積納米稀土涂層、ticrn涂層、稀土涂層、tialn涂層、稀土涂層、tibn涂層、稀土涂層、tisin涂層，其中，所述ticrn、tialn、tibn、tisin涂層的厚度為3-5μm、6-12μm、7-15μm、10-30μm，所述ticrn：tialn：tibn：tisin的質量比為0.5-1.0：1.0-1.5：1.5-3.0：2.0-5.0,所述稀土復合涂層的材料為稀土元素y、la、ta和sc中的任意一種，稀土涂層的質量不超過其覆蓋涂層質量的5％，優選3.5％。

上述本發明的方法，所述磁控濺射的工作氣壓1.5-2.0pa，氬氣流量35-50ml/min，氮氣流量2.5-3.5ml/min，靶基距50±5mm，濺射溫度500-600℃，真空度高于2.0×10^-3pa，濺射功率120-200w，時間15-45min，稀土靶材中稀土元素y、la、ta、sc選取任意一種，質量百分比不超過5％，優選3.5％。

在硬質合金基體上利用磁控濺射的方法沉積ticrn、tialn、tibn、tisin和稀土材料的梯度復合涂層，通過合理控制ticrn、tialn、tibn、tisin涂層的厚度和稀土涂層質量的配比,涂層最佳厚度分別是3.5μm、8μm、10μm、20μm，稀土材料涂層的優選質量百分比為3.5％、優選磁控濺射工藝參數：濺射功率150w，時間25min，工作氣壓1.5pa，氬氣流量40ml/min，氮氣流量3.0ml/min，濺射溫度580℃等，成功制備一種多層梯度稀土復合硬質合金涂層。

表中對比了單一涂層，ticrn、tialn、tibn和tisin多層復合涂層，ticrn、tialn、tibn和tisin多層梯度稀土復合涂層，三種類型涂層的硬度和耐磨性能。對比結果表明本發明的多層梯度稀土復合涂層的硬度顯著提高，耐磨性能更優。

表單一涂層，非稀土多層復合涂層和多層梯度稀土復合涂層性能對比

附圖說明

圖1是技術方案流程圖即硬質合金多層梯度稀土復合涂層示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施方式詳細介紹本發明。但以下的實施例僅限于解釋本發明，而且通過以下實施例本領域技術人員即可以實現本發明，但不以任何形式限制本發明的范圍。

實施例1wc硬質合金多層梯度稀土復合涂層的制備

制備工藝如下：

a)以硬質合金wc作為基體材料；

b)以tin、tic、cr、al、b和si以及稀土元素y作為涂層材料；

c)采用磁控濺射方法，磁控濺射工藝參數：濺射功率150w，時間25min，工作氣壓1.5pa，氬氣流量40ml/min，氮氣流量3.0ml/min，濺射溫度580℃真空度高于2.0×10^-3pa，靶基距50±5mm；

d)啟動相應涂層材料按鈕，梯度涂層方式，依次在合金表面沉積納米稀土y涂層(為ticrn涂層質量的3.5％)、ticrn涂層3.5μm、稀土y涂層(為tialn涂層質量的3.3％)、tialn涂層8μm、稀土y涂層(為tibn涂層質量的3.2％)tibn涂層10μm、稀土y涂層(為tisin涂層質量的3.5％)tisin涂層20μm。

實施例2wc-co硬質合金多層梯度稀土復合涂層的制備

制備工藝如下：

a)以硬質合金wc-co作為基材；

b)以tin、tic、cr、al、b和si以及稀土元素la作為涂層材料；

c)采用磁控濺射方法，磁控濺射工藝參數：濺射功率150w，時間25min，工作氣壓1.5pa，氬氣流量40ml/min，氮氣流量3.0ml/min，濺射溫度580℃，真空度高于2.0×10^-3pa，靶基距50±5mm；

d)啟動相應涂層材料按鈕，梯度涂層方式，依次在合金表面沉積納米稀土la涂層(為ticrn涂層質量的3.2％)、ticrn涂層3.5μm、稀土la涂層(為tialn涂層質量的3.1％)、tialn涂層8μm、稀土la涂層(為tibn涂層質量的2.8％)tibn涂層10μm、稀土la涂層(為tisin涂層質量的3.3％)tisin涂層20μm。

實施例3wc-ni硬質合金多層梯度稀土復合涂層的制備

制備工藝如下：

a)以硬質合金wc-ni作為基材；

b)以tin、tic、cr、al、b和si以及稀土元素ta作為涂層材料；

c)采用磁控濺射方法，磁控濺射工藝參數：濺射功率200w，時間15min，工作氣壓2pa，氬氣流量50ml/min，氮氣流量3.5ml/min，濺射溫度600℃，真空度高于2.0×10^-3pa，靶基距50±5mm；

d)啟動相應涂層材料按鈕，梯度涂層方式，依次在合金表面沉積納米稀土ta涂層(為ticrn涂層質量的3.5％)、ticrn涂層5μm、稀土ta涂層(為tialn涂層質量的3.4％)、tialn涂層6μm、稀土ta涂層(為tibn涂層質量的3.5％)tibn涂層15μm、稀土ta涂層(為tisin涂層質量的3.5％)tisin涂層30μm。

實施例4wc硬質合金多層梯度稀土復合涂層的制備

制備工藝如下：

a)以硬質合金wc作為基材；

b)以tin、tic、cr、al、b和si以及稀土元素sc作為涂層材料；

c)采用磁控濺射方法，磁控濺射工藝參數：濺射功率120w，時間45min，工作氣壓2pa，氬氣流量35ml/min，氮氣流量2.5ml/min，濺射溫度500℃，真空度高于2.0×10^-3pa，靶基距50±5mm；

d)啟動相應涂層材料按鈕，梯度涂層方式，依次在合金表面沉積納米稀土sc涂層(為ticrn涂層質量的3.2％)、ticrn涂層3μm、稀土sc涂層(為tialn涂層質量的3.5％)、tialn涂層12μm、稀土sc涂層(為tibn涂層質量的4.5％)tibn涂層7μm、稀土sc涂層(為tisin涂層質量的5％)tisin涂層10μm。

當稀土元素的添加量足以生成金屬間化合物、共晶復合物的金屬纖維組織以及固溶強化相時,可以顯著提高硬質合金基體的抗高溫氧化性能。此外，稀土原子傾向于在界面處聚集，與界面反應產物形成新的稀土相，從而抑制了有害界面反應的影響。上述研究結果為一種制備高強高硬wc-ni硬質合金的方法提供了科學依據。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過參照本發明的優選實施例已經對本發明進行了描述，但本領域的普通技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權利要求書所限定的本發明的精神和范圍。