專利名稱：一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種刀具涂層浸蝕劑，尤其是涉及一種用于硬質(zhì)合金刀具表面的MT-CVD (moderate temperature chemical vapor deposition,中溫化學(xué)氣相沉積)碳氮化鈦涂層顯微結(jié)構(gòu) 分析的浸蝕劑配方及其使用方法。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)控機(jī)床和加工中心的普及，高效高速高精度切削成了現(xiàn)代加工技術(shù)的主要發(fā)展方 向，對(duì)刀具的性能相應(yīng)也提出了更高的要求。由于刀具進(jìn)行涂層處理是提高刀具性能的重要 途徑之一，因此刀具涂層技術(shù)近幾年取得了重大進(jìn)展。切削刀具表面涂層化主要是通過物理 氣相沉積和化學(xué)氣相沉積兩種沉積工藝實(shí)現(xiàn)，其中化學(xué)氣相沉積涂層仍然是可轉(zhuǎn)位刀片的主 要涂層工藝，已開發(fā)出MT-CVD (中溫化學(xué)氣相沉積)碳氮化鈦(1、 Te-HuaFang,Sheng-Rui Jian, Der-San Chuu. APPLIED SURFACE SCIENCE 228(2004) 365-372; 2、 S. Kudapa, K. Narasimhan, P.Boppana et al. SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 120-121(1999) 259-264) 、 HT-CVD (高溫化學(xué)氣相沉積)厚膜氧化鋁等新工藝、新涂層，其中使用MT-CVD 制備的碳氮化鈦具有高的硬度、抗磨損性能和較高的韌性(3. S丄Hull,D.GBhat，M.H.Staia. SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 163-164(2003) 499-506; 4. S丄Hull， D.G Bhat, M.H.Staia.SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 163-164(2003)507-514; .5. H. Holzschuh. INTERNATIONAL JOURNAL OF REFRACTORY METALS & HARD MATERIALS 20 (2002) 143-149)，這對(duì)提高涂層刀具在高速重切削、干切削等惡劣條件下使用的機(jī)械加 工刀具壽命是非常重要的。
硬質(zhì)合金刀具表面涂層的顯微結(jié)構(gòu)是涂層顯微硬度、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度以及涂層高 溫摩擦磨損等力學(xué)性能優(yōu)劣的決定性因素之一，因此涂層顯微結(jié)構(gòu)的分析不僅是評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì) 量的必要手段，更有助于改進(jìn)涂層制備工藝。由于硬質(zhì)合金涂層具有硬、脆、薄的特點(diǎn)，一 般截面試樣制備比較困難，同時(shí)國內(nèi)外關(guān)于硬質(zhì)細(xì)晶單相涂層的浸蝕劑研究較少，組織結(jié)構(gòu) 資料缺乏。
細(xì)晶單相涂層顯微結(jié)構(gòu)分析的樣品制備，包括鑲嵌、研磨、拋光、浸蝕等4個(gè)步驟。鑲 嵌一般采用熱壓鑲嵌法，以酚醛樹脂粉末為填充料，在熱壓鑲樣機(jī)上進(jìn)行；研磨是金相試樣制備過程中的關(guān)鍵步驟，試樣經(jīng)磨光后，有細(xì)微的磨痕以及表面仍有金屬的形變擾動(dòng)層，影 響正確的顯示組織，因此必須拋光；拋光好的試樣，要求達(dá)到磨面光亮如鏡，完整保留各相 的效果。拋光好的試樣表面光亮如鏡，但在顯微鏡下觀察時(shí)只能看到夾雜物、氣孔和裂縫等， 要分析、觀察試樣的顯微組織，甚至區(qū)分表面涂層的晶界，試樣還必須經(jīng)過組織顯示的操作。 組織顯示的方法主要可以分為兩大類化學(xué)法與物理法。前者通常包括化學(xué)試劑浸蝕、電解 浸蝕、氧化法等；而后者則包括熱蝕、真空鍍膜、陰極離子刻蝕、磁性法等。
涂層顯微結(jié)構(gòu)觀察可以采用金相顯微鏡、掃描以及透射電子顯微鏡，由于氣相沉積制備 的涂層晶粒尺寸為亞微米級(jí)，因此分辨率低的光學(xué)顯微鏡已經(jīng)無法用于涂層顯微結(jié)構(gòu)的分析。 雖然目前的透射電鏡結(jié)合離子減薄法可獲得一些信息，但是制作樣品非常復(fù)雜，不能適時(shí)跟 蹤。掃描電鏡具有分辨率高，景深大，可以作為涂層顯微結(jié)構(gòu)分析方便、快捷、有效、可靠 的表征手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以有效地顯示硬質(zhì)合金刀具表面MT-CVD碳氮化鈦涂層 顯微結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化釹涂層浸蝕劑及其使用方法，以達(dá)到顯示涂層晶粒的尺 寸和結(jié)構(gòu)、區(qū)分涂層晶粒之間晶界的目的。
本發(fā)明所述一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑的成分及其按體積比的含量為
硝酸(HN03) 3 4，氫氟酸(HF) 1，水(H20) 1。
硝酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最好為65% 68%，氫氟酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最好^40%，水最好采用去離子水。 配制所述一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑的方法可在硝酸和氫氟酸中加入溶 劑去離子水好可。
本發(fā)明所述一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑的使用方法包括以下步驟 1)試樣制備
(1) 熱壓鑲嵌將硬質(zhì)合金涂層刀具樣品在熱壓鑲嵌機(jī)上制成圓柱試樣，以酚醛樹脂粉 末為鑲嵌填料，成型后得鑲嵌好的試樣；
(2) 研磨將鑲嵌好的試樣粗磨和細(xì)磨，清洗，烘干；
(3) 拋光將研磨后的試樣用金剛石拋光粉進(jìn)行拋光，拋光完成后將試樣放在無水乙醇 中，超聲清洗，以除去拋光過程中試樣表面的油污以及拋光粉等雜質(zhì)；
2)浸蝕操作
浸蝕前，先將試樣清洗，烘干后放入浸蝕劑中浸蝕，取出后沖洗，再將試樣置于無水乙 醇中超聲清洗，烘干，置于干燥器中保存，待掃描電鏡觀察。在步驟l)中，所述圓柱試樣的直徑最好為30mm，成型的溫度最好為130°C，成型時(shí)最 好加壓保溫5 inin。所述粗磨最好在600目金剛石砂輪盤上進(jìn)行粗磨，所述細(xì)磨最好在1200 目金剛石砂輪盤上進(jìn)行粗磨，粗磨的時(shí)間最好為3 6min，細(xì)磨的時(shí)間最好為3 6min，粗磨 和細(xì)磨可采用自動(dòng)研磨拋光機(jī)，轉(zhuǎn)速最好為500rpm/min，在粗磨與細(xì)磨之間最好對(duì)試樣進(jìn)行 超聲清洗，超聲清洗的時(shí)間最好為2min。所述金剛石拋光粉可采用W2.5的金剛石拋光粉， 拋光的時(shí)間可為10min，超聲清洗的時(shí)間最好為5 min。
在步驟2)中，所述先將試樣清洗可先用去離子水超聲清洗2min，再以無水乙醇清洗。 所述放入浸蝕劑中浸蝕最好將試樣放入浸蝕劑中3(TC恒溫水浴，浸蝕30 40s，所述取出后 沖洗最好用水沖洗。
本發(fā)明采用熱壓鑲嵌、研磨拋光結(jié)合超聲清洗的金相制備方法制備了碳氮化鈦涂層刀具 的截面試樣，用化學(xué)浸蝕法，通過掃描電鏡觀察，得到涂層的顯微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明選取硝酸和 氫氟酸的水溶液作為浸蝕劑，可以達(dá)到顯示碳氮化鈦涂層的柱狀結(jié)構(gòu)，得到晶粒的尺寸大小， 有效地區(qū)分柱狀晶粒之間的晶界。
本發(fā)明采用化學(xué)試劑浸蝕法處理拋光好的試樣進(jìn)行細(xì)晶單相涂層的顯微結(jié)構(gòu)分析。試樣 在一定濃度的化學(xué)試劑作用下，不僅能溶去表面的擾亂層，更主要的是能使合金的各種組織 間、單相材料的晶粒間或晶界處因腐蝕抗力不同而受到不同程度的侵蝕，這種被侵蝕后呈現(xiàn) 出的表面高低不平的結(jié)構(gòu)在顯微鏡下觀察時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出明暗襯度，從而達(dá)到顯示顯微結(jié)構(gòu)的目 的。
由此可見，本發(fā)明建立了一種快速分析細(xì)晶單相涂層顯微結(jié)構(gòu)方法，為涂層結(jié)構(gòu)和性能 的表征研究提供有效手段。


圖1為實(shí)施例1浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖(X5000)。 圖2為實(shí)施例2浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖(X5000)。 圖3為實(shí)施例3浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖(X5000)。 圖4為實(shí)施例4浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖(X5000)。 圖5為MT-CVD碳氮化鈦涂層的表面形貌SEM圖(X5000)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
1.試樣制備(l)熱壓鑲嵌取樣品(中溫化學(xué)氣相沉積法制備的TiCN硬質(zhì)涂層刀具)， 以酚醛樹脂粉末為填料在熱壓鑲嵌機(jī)上制成直徑30mm的規(guī)整圓柱試樣，成型溫度為13(TC、加壓保溫5 min。 (2)研磨將鑲嵌好的試樣分別在600目和1200目的金剛石砂輪盤上進(jìn)行 充分的粗磨和細(xì)磨，粗細(xì)磨的時(shí)間控制在5 min左右，以上研磨都采用自動(dòng)研磨拋光機(jī)，轉(zhuǎn) 速為500r/min，研磨過程中不斷通冷卻水，粗、細(xì)研磨之間都要對(duì)試樣進(jìn)行充分的超聲清洗 (在無水乙醇中超聲清洗時(shí)間2min)并以10(TC烘箱烘干，以除去磨屑和油污。 (3)拋光試樣經(jīng)過研磨拋光后，再用W2.5的金剛石拋光粉進(jìn)行拋光，拋光時(shí)間為10min， 同時(shí)在拋光過程中合理控制冷卻水的用量；拋光完成后將試樣放在無水乙醇中，超聲清洗5 min，以除去拋光過程中試樣表面的油污以及拋光粉雜質(zhì)等。
2. 浸蝕劑的配制分別用玻璃量筒量取30 ml濃HN03 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%)和10 ml H20 加到塑料燒杯中，再用塑料量筒量取10ml濃HF (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%)加到燒杯中，放至超聲 器中超聲2 miri至溶液均勻混合。
3. 浸蝕操作浸蝕前，先將試樣用去離子水超聲清洗2min，再以無水乙醇清洗，經(jīng)過 IO(TC烘箱烘干后，將試樣放入浸蝕劑中(3(TC恒溫水浴)，浸蝕30s后取出，用水沖洗，再 將試樣置于無水乙醇中超聲清洗2min，經(jīng)過烘箱烘干，置于干燥器中保存，待掃描電鏡觀 察。
圖1為浸蝕后試樣的截面形貌，由圖1可以比較清楚地觀察到涂層晶粒的柱狀結(jié)構(gòu)生長 方式和涂層晶粒之間的晶界。 實(shí)施例2
1. 試樣制備(1)熱壓鑲嵌同實(shí)施例l。 (2)研磨同實(shí)施例l。 (3)拋光同實(shí)施例1。
2. 浸蝕劑的配制分別用玻璃量筒量取35 ml濃HN03 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%)和10 ml H20 加到塑料燒杯中，再用塑料量筒量取10ml濃HF (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%)加到燒杯中，放至超聲 器中超聲2 min至溶液均勻混合。
3. 浸蝕操作同實(shí)施例l進(jìn)行浸蝕，浸蝕時(shí)間為30s。
圖2為浸蝕后試樣的截面形貌，同實(shí)施例l相比，浸蝕劑組成中硝酸的濃度增大，浸蝕 時(shí)間相同，對(duì)比實(shí)施例1形貌可以發(fā)現(xiàn)隨著浸蝕劑中硝酸濃度的增大，浸蝕深度增加。圖2 中可以清晰的觀察到涂層晶粒的柱狀結(jié)構(gòu)生長方式，柱狀晶的寬度在0.3-0.9 pm之間。圖5 為MT-CVD碳氮化鈦涂層的表面SEM圖，碳氮化鈦涂層表面晶粒為四角錐型，表面晶粒結(jié) 構(gòu)堆積致密，晶粒大小為0.4-1.0 nm之間，與涂層截面的柱狀晶寬度相似。 實(shí)施例3
1.試樣制備試樣制備(1)熱壓鑲嵌同實(shí)施例1。 (2)研磨同實(shí)施例1。 (3)拋光同實(shí)施例1。
2. 浸蝕劑的配制分別用玻璃量筒量取40 ml濃HN03 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66%)和10 ml H20 加到塑料燒杯中，再用塑料量筒量取10ml濃HF (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%)加到燒杯中，放至超聲 器中超聲2 min至溶液均勻混合。
3. 浸蝕操作同實(shí)施例l進(jìn)行浸蝕，浸蝕時(shí)間為30s。
圖3為浸蝕后試樣的截面形貌，此例中浸蝕劑中硝酸的濃度與實(shí)例1、2相比進(jìn)一步增大， 浸蝕時(shí)間仍為30 s，觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)，浸蝕深度進(jìn)一步加深，涂層局部晶粒出現(xiàn)了過度浸 蝕的現(xiàn)象，因此硝酸的體積不應(yīng)超過40ml。
實(shí)施例4
1. 試樣制備試樣制備試樣制備(1)熱壓鑲嵌同實(shí)施例l。 (2)研磨同實(shí)施例l。 (3)拋光同實(shí)施例1。
2. 浸蝕劑的配制分別用玻璃量筒量取30 ml濃HN03 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67%)和10 ml H20 加到塑料燒杯中，再用塑料量筒量取10ml濃HF (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%)加到燒杯中，放至超聲 器中超聲2 min至溶液均勻混合。
3. 浸蝕操作同實(shí)施例l進(jìn)行浸蝕，浸蝕時(shí)間改為40s。
圖4為浸蝕后試樣的截面形貌，從圖中觀察可以發(fā)現(xiàn)，相比于實(shí)施例l，雖然浸蝕劑的 成分相同，但是由于浸蝕時(shí)間增加，浸蝕的程度明顯加深，涂層和基體都有不同程度的脫落， 因此浸蝕時(shí)間不應(yīng)超過40 s。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑，其特征在于其成分及其按體積比的含量為硝酸30～40，氫氟酸10，水10。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑，其特征在于硝酸的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%~68%，氫氟酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)^40%。
3. 如權(quán)利要求1所述一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于包括以下步驟1) 試樣制備(1) 熱壓鑲嵌將硬質(zhì)合金涂層刀具樣品在熱壓鑲嵌機(jī)上制成圓柱試樣，以酚醛樹脂粉末為鑲嵌填料，成型后得鑲嵌好的試樣；(2) 研磨將鑲嵌好的試樣粗磨和細(xì)磨，清洗，烘干；G)拋光將研磨后的試樣用金剛石拋光粉進(jìn)行拋光，拋光完成后將試樣放在無水乙醇 中，超聲清洗，以除去拋光過程中試樣表面的油污以及拋光粉；2) 浸蝕操作浸蝕前，先將試樣清洗，烘干后放入浸蝕劑中浸蝕，取出后沖洗，再將試樣置于無水乙 醇中超聲清洗，烘干，置于干燥器中保存，待掃描電鏡觀察。
4. 如權(quán)利要求3所述一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于在步驟l)中，所述圓柱試樣的直徑為30mm。
5. 如權(quán)利要求3所述一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于在步驟l)中，成型的溫度為13(TC，成型時(shí)加壓保溫5min。
6. 如權(quán)利要求3所述一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于在步驟l)中，所述粗磨是在600目金剛石砂輪盤上進(jìn)行粗磨，所述細(xì)磨是在1200目金剛 石砂輪盤上進(jìn)行粗磨，粗磨的時(shí)間為3 6min，細(xì)磨的時(shí)間為3 6min。
7. 如權(quán)利要求6所述一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于在步驟l)中，粗磨和細(xì)磨采用自動(dòng)研磨拋光機(jī)，轉(zhuǎn)速為500rpm/min，在粗磨與細(xì)磨之間 對(duì)試樣進(jìn)行超聲清洗，超聲清洗的時(shí)間為2min。
8. 如權(quán)利要求3所述一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于在步驟l)中，所述金剛石拋光粉采用W2.5的金剛石拋光粉，拋光的時(shí)間為10min，超聲 清洗的時(shí)間為5min。
9. 如權(quán)利要求3所述一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在 于在步驟2)中，所述先將試樣清洗是先用去離子水超聲清洗2min，再以無水乙醇清洗。
10. 如權(quán)利要求3所述一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征 在于在步驟2)中，所述放入浸蝕劑中浸蝕是將試樣放入浸蝕劑中3(TC恒溫水浴，浸蝕30 40s，所述取出后沖洗是用水沖洗。
全文摘要
一種硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑及其使用方法，涉及一種刀具涂層浸蝕劑，尤其是涉及一種用于硬質(zhì)合金刀具表面的MT-CVD碳氮化鈦涂層顯微結(jié)構(gòu)分析的浸蝕劑配方及其使用方法。提供一種可以有效地顯示硬質(zhì)合金刀具表面MT-CVD碳氮化鈦涂層顯微結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具表面碳氮化鈦涂層浸蝕劑及其使用方法。浸蝕劑為硝酸30～40，氫氟酸10，水10。浸蝕劑的使用方法為試樣制備熱壓鑲嵌后研磨，研磨后拋光；浸蝕操作浸蝕前，先將試樣清洗，烘干后放入浸蝕劑中浸蝕，取出后沖洗，再將試樣置于無水乙醇中超聲清洗，烘干，置于干燥器中保存，待掃描電鏡觀察。
文檔編號(hào)G01N1/32GK101603894SQ20091011221
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者鵬 孫, 王周成, 祁正兵 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)