本發(fā)明屬于硬質(zhì)合金刀具材料，具體涉及一種金屬間化合物/高溫合金加工用納米復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、工業(yè)快速崛起及市場(chǎng)對(duì)硬質(zhì)合金刀具的需求不斷增加，使得硬質(zhì)合金刀具的性能有了更高的要求，隨之發(fā)展起來(lái)的是硬質(zhì)合金刀具表面改性技術(shù)即刀具涂層的制備工藝；涂層刀具是在韌性較高的基體表面上涂覆耐磨性好、硬度高的難熔單質(zhì)或者化合物，不僅提高刀具的性能，還拓寬刀具的使用范圍；目前對(duì)涂層刀具的研究主要集中在刀具涂層材料、涂層結(jié)構(gòu)及涂層制備技術(shù)等方面。

2、中國(guó)專利（公開(kāi)號(hào)為cn109930129b）公開(kāi)了一種復(fù)合金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具及制備方法，該專利通過(guò)在沉積金剛石過(guò)程中摻硼，使硼原子進(jìn)入金剛石晶格中可以調(diào)節(jié)每層金剛石涂層的內(nèi)應(yīng)力，從而使不同層納米晶體之間的應(yīng)力接近，有效改善復(fù)合涂層內(nèi)部的應(yīng)力分布，進(jìn)一步提高微納米復(fù)合涂層的完整性；通過(guò)摻雜硼元素形成摻硼微米晶，硬質(zhì)合金表面的鈷元素可與之反應(yīng)生成硼鈷化合物，從而減少鈷對(duì)沉積金剛石涂層的不利影響。但是該專利并未解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的納米復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具抗彎強(qiáng)度較低，硬度不高，同時(shí)涂層與基體結(jié)合力不足的問(wèn)題，嚴(yán)重影響其實(shí)際使用。

3、因此，如何對(duì)選擇合適的硬質(zhì)合金基體和涂層漿料，并對(duì)關(guān)鍵組分進(jìn)行改性處理，有效提高納米復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具的抗彎強(qiáng)度和硬度，同時(shí)保證涂層與基體之間良好的結(jié)合力，使其能夠應(yīng)用于金屬間化合物/高溫合金加工，成為了需要重點(diǎn)攻克的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種金屬間化合物/高溫合金加工用納米復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具及其制備方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中納米復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具存在的抗彎強(qiáng)度較低，硬度不高，同時(shí)涂層與基體結(jié)合力不足的問(wèn)題。

2、本發(fā)明使用鑭摻雜碳化鎢和改性鎳粉配合其他原料制備硬質(zhì)合金基體，然后噴涂涂層漿料，配合涂層漿料中的氮化硼復(fù)合材料和磁性殼聚糖，制備得到金屬間化合物/高溫合金加工用納米復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具，通過(guò)多組分的共同作用，有效提高材料的抗彎強(qiáng)度和硬度，并保證涂層與基體之間良好的結(jié)合力。

3、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下：

4、本發(fā)明的第一方面，提供一種金屬間化合物/高溫合金加工用納米復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具的制備方法，包括以下步驟：

5、步驟s1：以重量份計(jì)，將50~60份碳化鎢、30~40份二氧化鈦、4~6份鎳粉和4~6份鈷粉混合均勻，置于氫氣氣氛下球磨20~24h，然后在1000~1020℃的條件下保溫110~120min，得到混合粉料；將所述混合粉料壓制成坯體，對(duì)坯體依次進(jìn)行一次燒結(jié)處理和二次燒結(jié)處理后得到硬質(zhì)合金基體；

6、步驟s2：將所述硬質(zhì)合金基體先采用拋光處理，然后浸入到丙酮中進(jìn)行超聲浸潤(rùn)處理，浸潤(rùn)處理結(jié)束后室溫下自然干燥，得到清潔后硬質(zhì)合金基體；

7、步驟s3：在所述清潔后硬質(zhì)合金基體的表面噴涂涂層漿料，然后進(jìn)行燒結(jié)改進(jìn)處理，得到金屬間化合物/高溫合金加工用納米復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具；

8、所述涂層漿料的制備方法包括：以重量份計(jì)，將16~20份氮化硼、6~8份殼聚糖液劑和3~5份二氧化鋯混合均勻，然后在轉(zhuǎn)速為1200~1400r/min的條件下球磨3~5h，得到所述涂層漿料；

9、所述殼聚糖液劑的制備方法包括：以重量份計(jì)，將6~8份殼聚糖加入到200~240份質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù)為4%的醋酸溶液中攪拌溶解，然后加入4~6份納米四氧化三鐵進(jìn)行超聲分散處理，再加入0.2~0.4份司班80和20~30份液體石蠟，在50~60℃的條件下反應(yīng)30~40min，最后加入0.6~0.8份戊二醛交聯(lián)40~60min，交聯(lián)完成后調(diào)節(jié)ph至9.2~9.6反應(yīng)2~4h，磁鐵分離獲得固體物，將所述固體物依次用丙酮和去離子水洗滌，干燥，得到磁性殼聚糖；將4~6份所述磁性殼聚糖加入到80~100份質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù)為2%的醋酸溶液中，在40~50℃的條件下攪拌4~6h，然后加入6~8份木質(zhì)素磺酸鈉混合均勻，得到所述殼聚糖液劑。

10、涂層漿料中的磁性殼聚糖中引入了納米四氧化三鐵，可以通過(guò)填充硬質(zhì)合金基體表面的微孔、裂紋和其他缺陷，形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅增加了涂層與基體之間的接觸面積，還增強(qiáng)了機(jī)械鎖定效應(yīng)，提高涂層與基體結(jié)合力。

11、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述一次燒結(jié)處理的條件包括：置于真空條件下，溫度為880~890℃，時(shí)間為40~50min。

12、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述二次燒結(jié)處理的條件包括：置于氮?dú)獗Ｗo(hù)下，溫度為1420~1440℃，時(shí)間為70~80min。

13、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述超聲分散處理的條件包括：超聲分散功率為200~300w，超聲分散時(shí)間為10~20min。

14、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述燒結(jié)改進(jìn)處理的條件包括：先在800~840℃的條件下一次保溫2~4h，再以4℃/min的速率升溫至1020~1040℃二次保溫1~2h，最后以2℃/min的速率升溫至1260~1280℃三次保溫2~4h，保溫結(jié)束冷至室溫。

15、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述碳化鎢為鑭摻雜碳化鎢；所述鑭摻雜碳化鎢的制備方法包括：以重量份計(jì)，將140~150份偏鎢酸銨和10~16份硝酸鑭加入到280~300份去離子水中攪拌20~30min，然后加入20~25份葡萄糖攪拌1~2h后靜置20~24h，得到混合料液；將所述混合料液進(jìn)行噴霧干燥結(jié)晶處理，得到混合前驅(qū)體；將所述混合前驅(qū)體先置于氮?dú)鈿夥罩?，?60~470℃的條件下煅燒20~30min，再置于氫氣氣氛中，在920~940℃的條件下煅燒40~50min，得到所述鑭摻雜碳化鎢。

16、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述噴霧干燥結(jié)晶處理的條件包括：噴霧干燥塔的進(jìn)風(fēng)溫度為200~210℃，出風(fēng)溫度為92~94℃，給料量為130~140ml/min，噴霧壓力為1.2~1.4mpa。

17、鑭摻雜碳化鎢的鑭元素可以在碳化鎢晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中起到抑制劑的作用，阻止晶粒過(guò)度長(zhǎng)大，通過(guò)細(xì)化晶粒增強(qiáng)機(jī)械性能；同時(shí)鑭元素可以增強(qiáng)碳化鎢顆粒與鈷、鎳之間的界面結(jié)合力，通過(guò)良好的界面結(jié)合更有效地傳遞應(yīng)力，防止裂紋擴(kuò)展，從而提高抗彎強(qiáng)度。

18、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述鎳粉為改性鎳粉；所述改性鎳粉的制備方法包括：以重量份計(jì)，將140~145份鎳粉和90~95份鈦粉混合均勻后壓制成薄片，將壓制后的薄片置于700~750℃的條件下保溫3~4h，冷卻至室溫得到鎳鈦合金燒結(jié)物料；將200~240份所述鎳鈦合金燒結(jié)物料放入球磨機(jī)中，加入質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù)為80％的乙醇溶液研磨10~12h，在100~110℃的條件下干燥2~4h，得到所述改性鎳粉。

19、改性鎳粉由鎳鈦顆粒構(gòu)成，與硬質(zhì)合金混合并在高溫下燒結(jié)時(shí)，鎳鈦顆粒會(huì)在基體中形成細(xì)小且均勻分布的第二相，這些細(xì)小的顆粒能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而增加材料的抗彎強(qiáng)度；同時(shí)改性后的鎳粉擁有較高的彈性模量，在承受彎曲載荷時(shí)能夠更好地抵抗變形，因此能保持較高的抗彎強(qiáng)度。

20、作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述氮化硼為氮化硼復(fù)合材料；所述氮化硼復(fù)合材料的制備方法包括：將0.4~0.6份三羥甲基氨基甲烷加入到280~300份去離子水中混合均勻，調(diào)節(jié)ph為8.4~8.6，然后加入1.2~1.6份鹽酸多巴胺攪拌20~30min，再加入2~4份六方氮化硼超聲分散2~4h，在60~70℃條件下反應(yīng)20~24h，過(guò)濾，去離子水洗滌，真空干燥，得到改性氮化硼；將2~4份氧化鋁和1~3份3-氨丙基三乙氧基硅烷kh550加入到80~100份無(wú)水乙醇中攪拌30~40min，超聲分散2~4h，然后加入8~10份去離子水，在70~80℃的條件下攪拌4~6h，過(guò)濾，去離子水洗滌，干燥得到改性氧化鋁；將2~4份所述改性氮化硼加入到180~200份n,n-二甲基甲酰胺進(jìn)行一次超聲處理50~60min形成懸浮液，然后加入1~3份所述改性氧化鋁進(jìn)行二次超聲處理60~80min，在104~108℃的條件下攪拌反應(yīng)6~8h，反應(yīng)完成后過(guò)濾，去離子水洗滌，真空干燥，得到所述氮化硼復(fù)合材料。

21、氮化硼復(fù)合材料中的氮化硼和氧化鋁都具有較高的硬度，同時(shí)可以在微觀結(jié)構(gòu)上形成層狀結(jié)構(gòu)，這種硬度疊加效應(yīng)使得材料在承受高載荷時(shí)不易發(fā)生塑性變形，從而顯著提升硬度；另外氮化硼和氧化鋁之間的界面結(jié)合力較強(qiáng)，能夠在受力時(shí)有效地傳遞應(yīng)力，防止裂紋擴(kuò)展，也能有效提高硬度。

22、本發(fā)明的第二方面，提供一種如第一方面所述的方法制備得到的金屬間化合物/高溫合金加工用納米復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、（1）本發(fā)明涂層漿料的磁性殼聚糖中引入了納米四氧化三鐵，通過(guò)納米四氧化三鐵良好的金屬吸附能力，與具有物理磁性的改性鎳粉相互作用，使得殼聚糖液劑能夠很好地附著在硬質(zhì)合金基體表面；同時(shí)鑭摻雜碳化鎢的鑭與殼聚糖液劑接觸時(shí)，由于液劑中含有酸液，鑭元素會(huì)部分溶解并形成鑭離子，而被吸附的磁性殼聚糖通過(guò)表面的氨基與鑭離子絡(luò)合，并在后續(xù)燒結(jié)過(guò)程中形成互穿網(wǎng)絡(luò)；另外氮化硼復(fù)合材料通過(guò)三羥甲基氨基甲烷和鹽酸多巴胺中引入了羥基和氨基，能夠與殼聚糖進(jìn)行結(jié)合形成構(gòu)筑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；通過(guò)多組分的協(xié)同作用，提高納米復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具的抗彎強(qiáng)度和硬度，同時(shí)增加涂層與基體之間的結(jié)合力。

25、（2）本發(fā)明鑭摻雜碳化鎢的鑭元素可以在碳化鎢晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中起到抑制劑的作用，阻止晶粒過(guò)度長(zhǎng)大，通過(guò)細(xì)化晶粒增強(qiáng)機(jī)械性能；同時(shí)鑭元素可以增強(qiáng)碳化鎢顆粒與鈷、鎳之間的界面結(jié)合力，通過(guò)良好的界面結(jié)合更有效地傳遞應(yīng)力，防止裂紋擴(kuò)展，從而提高抗彎強(qiáng)度。

26、（3）本發(fā)明的改性鎳粉由鎳鈦顆粒構(gòu)成，與硬質(zhì)合金混合并在高溫下燒結(jié)時(shí)，鎳鈦顆粒會(huì)在基體中形成細(xì)小且均勻分布的第二相，這些細(xì)小的顆粒能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而增加材料的抗彎強(qiáng)度；同時(shí)改性后的鎳粉擁有較高的彈性模量，在承受彎曲載荷時(shí)能夠更好地抵抗變形，因此能保持較高的抗彎強(qiáng)度。

27、（4）本發(fā)明氮化硼復(fù)合材料中的氮化硼和氧化鋁都具有較高的硬度，同時(shí)可以在微觀結(jié)構(gòu)上形成層狀結(jié)構(gòu)，這種硬度疊加效應(yīng)使得材料在承受高載荷時(shí)不易發(fā)生塑性變形，從而顯著提升硬度；另外氮化硼和氧化鋁之間的界面結(jié)合力較強(qiáng)，能夠在受力時(shí)有效地傳遞應(yīng)力，防止裂紋擴(kuò)展，也能有效提高硬度。

28、（5）本發(fā)明涂層漿料中的磁性殼聚糖中引入了納米四氧化三鐵，可以通過(guò)填充硬質(zhì)合金基體表面的微孔、裂紋和其他缺陷，形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅增加了涂層與基體之間的接觸面積，還增強(qiáng)了機(jī)械鎖定效應(yīng)，提高涂層與基體結(jié)合力。