[发明专利]基于液相烧结过程的Al2O3/TiC涂层硬质合金制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种涂层硬质合金的制备方法，特别涉及Al₂O₃/TiC涂层硬质合金的制备方法，属于粉末冶金和硬质合金材料领域。

背景技术

硬质合金是以WC、TiC 等难熔过渡金属碳化物为基，Co等铁族金属为粘结剂，采用粉末冶金方法制备成的多相固体材料。自1923年德国发明WC-6%Co发明以来，经过近90年的发展，硬质合金已经取代高速钢成为目前最主要的切削刀具材料，被誉为“工业的牙齿”。特别是上世纪70年代出现的涂层技术的出现，使涂层后刀具寿命提高2～5倍。在硬质合金基体上涂覆一层或多层金属或非金属化合物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，随着制造业对高效率、高精度和高可靠性的要求，刀具涂层技术受到高度重视，目前涂层刀具占硬质合金刀具70%以上。目前, 硬质合金刀具上应用的涂层材料（及其组合）有几十种，最主要的包括TiC、TiN、TiCN、Al₂O₃、TiAlN等。其中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，而TiC_xN_1-x（x=0～1）涂层不仅自身性能优异而且与基体结合性能良好通常用作涂层的底层，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。

传统的化学气相沉积(CVD)法和物理气相沉积(PVD)法在Al₂O₃/TiC_xN_1-x（x=0～1）涂层制造中取得了成功，S. Canovic等用CVD法制备了以20nmTiC或TiN分隔的Al₂O₃涂层,以及两层不同厚度的TiN层（50和600nm）隔开的TiN/κ–Al₂O₃涂层。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。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。

但是，Al₂O₃和TiC_xN_1-x层的物理力学性能差异很大，采用传统的气相沉积法时，它们的沉积温度、气体组分、压力均不相同，不能在相同条件下一次性获得。因此，涂层过程需要分步进行，而且上述涂层工艺参数的控制非常困难。而且这些方法都是先烧结出硬质合金基体，然后再进行涂层处理，因此硬质合金基体会经过两次加热冷却过程，涂层硬质合金的制备工艺过程也因此而变得复杂。在继续优化气相沉积法的同时，开发新的涂层硬质合金制备方法无疑具有重要的意义。 

发明内容