[发明专利]一种表面具有高熵合金层的硬质合金及其制备方法

说明书

本发明属于硬质合金制造领域，具体涉及一种表面具有高熵合金层的硬质合金及其制备方法。所述硬质合金表面为AlCoCrFeNi组成的高熵合金层，厚度为3‑30μm，表面的高熵合金层内不含有WC和其它碳氮化物立方相；表面高熵合金层内部均匀分布着WC、AlCoCrFeNi高熵合金和立方相；制备方法是配料球磨后压成，先进行放电等离子烧结，再在真空无氮气氛下进行梯度烧结，获得表面具有高熵合金层的硬质合金。作为涂层刀具基体使用时，既可以阻止裂纹向基体内扩展，又可以作为涂层与基体之间的金属过渡层增加涂层与基体之间的结合力，从而增加涂层刀具的性能。本发明结构设计合理，制备工艺简单可控，生产成本较低，可大规模的工业化生产和应用。

技术领域

本发明属于硬质合金制造领域，具体涉及一种表面具有高熵合金层的硬质合金及其制备方法。

背景技术

硬质合金主要是以难熔硬质金属化合物、碳化物和氮化物(WC，TiC，TaC，NbC和TiN等)为硬质相，以过渡族金属(Fe，Co，Ni)为粘结相，采用粉末烧结方法制备的一种具有较高硬度和强度的耐磨合金材料，广泛应用于机械制造加工行业，主要用来制作切削刀具、耐磨零部件和模具等。然而，近年来，随着一些难加工材料和机械加工行业的发展，对硬质合金刀具在复杂工况条件下的性能提出了更高的要求。

为了进一步提高硬质合金刀具的性能，通常采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)的方法在硬质合金刀具基体上涂覆一层或多层更高硬度和耐磨性的金属或非金属化合物涂层，如TiN、Al₂O₃等。但是，由于涂层和基体之间的热膨胀系数不同，在冷却和使用过程中，涂层中会产生微裂纹并向基体内部扩展，最终会导致刀具失效。为了阻止裂纹扩展，常采用表面富Co的梯度硬质合金作为涂层刀具基体使用。但是由于Co价格较为昂贵，而且我国是一个钴资源非常少的国家，所以有必要采用能够取代Co的并且可以提高合金性能的金属作为粘结剂。另外，为了增加涂层与基体之间的结合力，需要在涂层之前先在硬质合金表面蒸镀一层韧性较好的纯金属过度层，这样的工艺增加了涂层刀具的生产成本。

高熵合金是近年来发展出来的一种包含5种元素以上且其含量在5％～35％范围内变化的新型金属，与其他合金相比，高熵合金具有高强度、高硬度、高加工硬化、高耐磨、高温稳定性和耐蚀性等优异性能。因此，本发明提出采用高熵合金代替Co作为粘结相，制备出表面具有一层高熵合金层的硬质合金，取代目前采用的表面富钴的梯度硬质合金。同时，由于表面的高熵合金层不含有WC和其他硬质相，因此可以取代纯金属过渡层，减少制备涂层刀具的生产流程，有利于降低生产成本。

中国发明专利CN100526490、CN109161774、CN109371207和CN109252081公布了一种以高熵合金为粘结剂的硬质合金及其制备方法。然而这几种专利中得到均是组织和成分均匀的硬质合金，表面并没有形成可以阻止裂纹扩展的高韧性粘结相层，也没有形成有利于增加涂层与基体结合力的纯金属过渡层，因此，不能够作为抑制裂纹扩展的涂层刀具基体使用，不能够充分发挥高熵合金的特性。

本发明的目的是提出一种以高熵合金为黏结剂，并在表面形成一层高熵合金层的硬质合金及其制备方法，以取代表面富钴的梯度硬质合金作为涂层刀具基体使用，从而提高涂层刀具的性能。

发明内容

本发明的目的是解决目前表面富钴梯度硬质合金存在性能低和成本高，而单独采用高熵合金作为粘结相时表面无法形成阻止裂纹扩展的富粘结相层的问题，以及部分涂层刀具再制备前需要先在基体上蒸镀一层纯金属过渡层的要求。针对现有的问题，本发明提出制备表面具有一层高熵合金层的硬质合金及其制备方法，该合金可替代表面富钴梯度硬质合金作为涂层刀具基体使用，同时表面的高熵合金层可以替代纯金属过渡层增加涂层与基体的结合力。

所述合金以WC和立方相碳氮化物为硬质相，以高熵合金为粘结相，通过对合金成分的调控，先采用放电等离子预烧结，再进行梯度烧结，制备出一种表面具有一层高熵合金层的硬质合金。