申请/专利权人：马晓伟

申请日：2017-10-16

公开（公告）日：2019-04-23

公开（公告）号：CN109666890A

主分类号：C23C14/06(2006.01)I

分类号：C23C14/06(2006.01)I;C23C14/16(2006.01)I;C23C14/34(2006.01)I;C23C14/02(2006.01)I

优先权：

专利状态码：失效-发明专利申请公布后的视为撤回

法律状态：2021.03.30#发明专利申请公布后的视为撤回;2019.04.23#公开

摘要：为了改善硬质合金的硬度、耐磨性，制备了一种硬质合金表面的TiAlZr‑CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜。采用2个Ti63‑Al32‑Zr5合金靶和1个Cr单质靶，基体试样选用WC‑8Co硬质合金为原料，硬质合金表面的TiAlZr‑CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜，沉积过程中偏压参数的设定对复合膜的性能有一定的影响。偏压参数设定过高，则会使复合膜过度反应，力学性能下降。偏压参数设定过低，则复合膜不能很好的附着在基体硬质合金表面，造成脱落。所制得的硬质合金表面的TiAlZr‑CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的硬质合金梯度膜提供一种新的生产工艺。

主权项：1.一种硬质合金表面的TiAlZr‑CrTi ,Al,Zr,CrN梯度膜的制备原料包括：2个Ti63‑Al32‑Zr5合金靶和1个Cr单质靶，基体试样选用WC‑8Co硬质合金。

全文数据：一种硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜所属技术领域本发明涉及一种表面涂覆材料，尤其涉及一种硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜。背景技术传统意义上的硬质合金是指将具有优异物理性能的硬质相WC颗粒嵌入低熔点的粘结相Co中，通过粉末冶金方法制备所得到的合金材料。WC-Co硬质合金具有较高强度、抗冲击性以及较好的耐磨性，因此在刀具、耐磨零件、冷成型工具等领域具有广泛应用。然而，随着现代工业的发展，硬质合金的应用范围正在不断扩大，除了对硬度和强度之外，诸如热轧零件、密封件和机械附件等产品的使用环境对硬质合金的耐腐蚀性能也有了较高的要求。实际摩擦磨损工况下硬质合金零件的失效形式主要为表面磨损。采用表面处理技术在不降低硬质合金基体韧性的基础上可以强化硬质合金表面，提高硬质合金表面硬度和耐磨性，从而延长硬质合金零件使用寿命。目前，常用的涂层材料有碳化物、氮化物、氧化物、硼化物和硫化物等，近年来还发展了聚晶金刚石、立方氮化硼等。发明内容本发明的目的是为了改善硬质合金的硬度、耐磨性，设计了一种硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜的制备原料包括：2个Ti63-Al32-Zr5合金靶和1个Cr单质靶，基体试样选用WC-8Co硬质合金。硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜的制备步骤为：将原料按实验设计方案称重、配料，配好后采用砂纸进行打磨、抛光，然后进行超声波清洗，随后放入真空干燥炉中进行干燥。将加工好的试样放入真空炉中进行镀膜沉积，沉积温度为270℃，传动轴电压为35V。硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜的检测步骤为：微观形貌采用JOELJSM场发射扫描电镜观察，成分分析采用其附带的能谱仪，晶体结构采用X040型衍射仪测定，硬度采用HXD1000TMB显微硬度计测定，结合力采用WS05声发射划痕仪测定。所述的硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜，其与基体之间的冶金结合良好，尺寸分布均匀。制得的复合膜晶粒为面心立方结构，具有优异的力学性能。所述的硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜，沉积过程中偏压参数的设定对复合膜的性能有一定的影响。偏压参数设定过高，则会使复合膜过度反应，力学性能下降。偏压参数设定过低，则复合膜不能很好的附着在基体硬质合金表面，造成脱落。所述的硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜，复合梯度膜具有比单层膜更高的硬度和更强的膜基结合力，最高值可分别达到HV5000和大于400N。本发明的有益效果是：采用2个Ti63-Al32-Zr5合金靶和1个Cr单质靶，基体试样选用WC-8Co硬质合金为原料，经过配料、打磨、抛光、清洗、干燥、镀膜工艺成功制备了具有优异力学性能的硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜。其中，复合膜与基体冶金结合良好，厚度分布均匀，具有优异的力学性能。偏压参数的设定也会对硬质合金的力学性能产生一定的影响。所制得的硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的硬质合金梯度膜提供一种新的生产工艺。具体实施方式实施案例1：硬质合金表面的TiAlZr-CrN梯度膜的制备原料包括：2个Ti63-Al32-Zr5合金靶和1个Cr单质靶，基体试样选用WC-8Co硬质合金。硬质合金表面的TiAlZr-Cr梯度膜的制备步骤为：将原料按实验设计方案称重、配料，配好后采用砂纸进行打磨、抛光，然后进行超声波清洗，随后放入真空干燥炉中进行干燥。将加工好的试样放入真空炉中进行镀膜沉积，沉积温度为270℃，传动轴电压为35V。硬质合金表面的Ti，Al，Zr，CrN梯度膜的检测步骤为：微观形貌采用JOELJSM场发射扫描电镜观察，成分分析采用其附带的能谱仪，晶体结构采用X040型衍射仪测定，硬度采用HXD1000TMB显微硬度计测定，结合力采用WS05声发射划痕仪测定。实施案例2：获得的薄膜是以TiAlZrCr合金膜为过渡层，Ti，Al，Zr，Cr和N元素渐变分布的Ti，Al，Zr，CrN多组元梯度复合膜。通过薄膜成分的显微变化，可以使得其力学性能得到较大的改善。实施案例3：除-50V偏压外，其它偏压下梯度膜的成分变化均很小。梯度膜成分中的Al+Zr+CrTi+Al+Zr+Cr比值为0.35～0.48，与Ti，Al，Zr，CrN多元单层膜成分中的比值比较有所减小。当这种原子比值约为0.36时，可以获得更高的硬度。实施案例4：薄膜与基体结合紧密，组织致密均匀，薄膜是典型的柱状晶结构。薄膜表面有一些亮色的金属液滴缺陷，而且尺寸很不均匀。在SEM下测定的不同偏压下沉积的薄膜厚度大约为1.5mm。同时，随着偏压的增大，薄膜的厚度略微减小。偏压增大时，离子轰击能增强，反溅射效应明显，使得沉积速率下降，并在薄膜表面形成了微孔缺陷。实施案例5：不同偏压下在硬质合金基体上镀TiAlZrCrTi，Al，Zr，CrN梯度膜后。TiAlZrCrTi，Al，Zr，Cr梯度膜与Ti，Al，Zr，CrN单层膜的结构相同，仍是TiN型面心立方结构NaCl型晶体结构。去除硬质合金基体相的XRD峰，镀膜后新增加的谱线主要是TiN的111峰和200峰，同时出现强度较低的220峰、311峰和222峰。随着偏压的增大，TiN220衍射峰开始发生小角度偏移，这与Ti，Al，Zr，CrN单层膜在不同偏压下的峰位、峰强及变化趋势基本一致。TiAlZrCrTi，Al，Zr，Cr梯度膜的晶格常数为0.424nmTiN标准晶格常数为0.424nm，硬质合金基体的梯度膜内存在明显的宏观残余应力。实施案例6：在不同偏压下，TiAlZrCrTi，Al，Zr，CrN梯度膜和Ti，Al，Zr，CrN单层膜的显微硬度对比。TiAlZrCrTi，Al，Zr，CrN梯度膜高硬度的主要原因与Ti，Al，Zr，CrN单层膜相同，与固溶强化有关。TiAlZrCr合金与Ti，Al，Zr，CrN氮化物具有完全不同的晶体结构和滑移系统，属于异构氮化物薄膜。薄膜中界面对位错的移动和裂纹的扩展起到了阻碍作用，从而促进了TiAlZrCrTi，Al，Zr，CrN梯度膜硬度的进一步提高。在所有偏压下，薄膜的显微硬度都非常高，当偏压增大到-220V时，其显微硬度达到最高值HV4650左右。负偏压的提高增强了离子的轰击效应，使得薄膜的结构更加致密，从而提高了薄膜的硬度。同时，当薄膜的Al+Zr+CrTi+Al+Zr+Cr原子比值趋于0.36时，可以获得更高的显微硬度。TiAlZrCrTi，Al，Zr，CrN梯度膜的平均晶粒尺寸可由Scherrer公式计算得到。与TiN相比，晶粒明显细化。在制备梯度膜的过程中，过渡层向表层转换时，一层生长过程中断，另一层又重新形核，一个方向上晶粒尺寸减小的同时，也带来了其它方向上晶粒尺寸的减小。因此，在所有方向上晶粒尺寸都得到了一定程度的抑制，晶粒细化导致了TiAlZrCrTi，Al，Zr，CrN梯度膜硬度的提高。实施案例7：与Ti，Al，Zr，CrN单层膜相比较，梯度膜既具有超高的硬质特性，又明显提高了膜基间的结合力，尤其在-50V偏压条件下制备的梯度膜提高程度更显著。在薄膜沉积前，由于对硬质合金基体进行了高能离子的轰击，产生金属离子的注入，提高薄膜和基体之间的界面结合。在薄膜沉积过程中，持续的离子轰击可以产生较大的压应力，从而进一步改善膜基间的结合性能。由于Ti，Al，Zr，CrN多元氮化物膜与硬质合金基体间存在着一定的晶格错配度，使得薄膜与基体间的结合力有所下降。梯度膜与基体之间先沉积了TiAlZrCr合金过渡层，大大提高了梯度膜与基体间的相容性，在一定程度上减小了Ti，Al，Zr，CrN多元膜与基体因热膨胀系数的差异而产生的热应力，也减小了Ti，Al，Zr，CrN与基体间由于硬度差异过大而影响膜基结合力。

权利要求：1.一种硬质合金表面的TiAlZr-CrTi,Al,Zr,CrN梯度膜的制备原料包括：2个Ti63-Al32-Zr5合金靶和1个Cr单质靶，基体试样选用WC-8Co硬质合金。2.根据权利要求1所述的硬质合金表面的TiAlZr-CrTi,Al,Zr,CrN梯度膜，其特征是硬质合金表面的TiAlZr-CrTi,Al,Zr,CrN梯度膜的制备步骤为：将原料按实验设计方案称重、配料，配好后采用砂纸进行打磨、抛光，然后进行超声波清洗，随后放入真空干燥炉中进行干燥，将加工好的试样放入真空炉中进行镀膜沉积，沉积温度为270℃，传动轴电压为35V。3.根据权利要求1所述的硬质合金表面的TiAlZr-CrTi,Al,Zr,CrN梯度膜，其特征是硬质合金表面的TiAlZr-CrTi,Al,Zr,CrN梯度膜的检测步骤为：微观形貌采用JOELJSM场发射扫描电镜观察，成分分析采用其附带的能谱仪，晶体结构采用X040型衍射仪测定，硬度采用HXD1000TMB显微硬度计测定，结合力采用WS05声发射划痕仪测定。4.根据权利要求1所述的硬质合金表面的TiAlZr-CrTi,Al,Zr,CrN梯度膜，其特征是所述的硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜，其与基体之间的冶金结合良好，尺寸分布均匀，制得的复合膜晶粒为面心立方结构，具有优异的力学性能，所述的硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜，沉积过程中偏压参数的设定对复合膜的性能有一定的影响，偏压参数设定过高，则会使复合膜过度反应，力学性能下降，偏压参数设定过低，则复合膜不能很好的附着在基体硬质合金表面，造成脱落，所述的硬质合金表面的TiAlZr-CrTi，Al，Zr，CrN梯度膜，复合梯度膜具有比单层膜更高的硬度和更强的膜基结合力，最高值可分别达到HV5000和大于400N。

百度查询： 马晓伟 一种硬质合金表面的TiAlZr-Cr(Ti，Al，Zr，Cr)N梯度膜

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