权利要求
1.一种高硬度高强度硬质合金涂层刀片，其特征在于，包括基体和涂层;
按重量百分比计，所述基体原料由碳化钨WC：89～90%、Co：6～7%、钨钛固溶体：1～3%、钽铌固溶体：1～3%组成;
所述涂层包括AlTiN基底层、TiAlSiN功能层和TiSiN表面层;所述AlTiN基底层的厚度为1.0～1.5μm。
2.根据权利要求1所述的高硬度高强度硬质合金涂层刀片，其特征在于，所述TiAlSiN功能层的厚度为2.0～3.0μm和TiSiN表面层的厚度为0.1～0.5μm。
3.根据权利要求1所述的高硬度高强度硬质合金涂层刀片，其特征在于，所述涂层采用电弧离子镀技术沉积而成。
4.根据权利要求1所述的高硬度高强度硬质合金涂层刀片，其特征在于，所述基体的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照配方比例将原料粉末加入球磨机中进行研磨，加入1～3wt%石蜡成型剂，球料比为5～7：1，以酒精作湿磨介质，液固比为1:(1～3)，球磨时间30～35h，经制粒制得混合料粉末;
(2)将混合料粉末压制成刀片，刀片放置于压力烧结一体炉中进行烧结，经脱蜡烧结处理、真空烧结处理、分压烧结处理和高温高压烧结处理后，冷却至室温，获得刀片基体。
5.根据权利要求4所述的高硬度高强度硬质合金涂层刀片，其特征在于，所述步骤(2)中，脱蜡烧结处理的温度为室温～500℃，脱蜡烧结处理的总时间为450～550min，升温速率为3～5℃/min，脱蜡烧结处理的真空度为800～900Pa;真空烧结处理的温度为500～1340℃，真空烧结处理的真空度为5～15Pa，升温速率为3～5℃/min，烧结时间为200～400min;分压烧结处理的温度为1340～1460℃，分压烧结真空度为900～1000Pa，升温速率为3～5℃/min，烧结时间为100～150min;高温高压烧结处理的温度为1460～1500℃，加压压力为3～6MPa，保温时间为20～40min。
6.根据权利要求3所述的高硬度高强度硬质合金涂层刀片，其特征在于，在刀片基体上制备所述涂层的方法，包括如下步骤：
1)将刀片基体进行精磨、喷砂、钝化处理后，再经过等离子体清洗处理10～30min;
2)沉积涂层：将刀片基体装入电弧离子镀膜系统中，经过Ar等离子体清洗10～30min，调整试样架转速为2～4rpm，真空室温度控制在500～600℃之间，在基体上依次沉积AlTiN基底层、TiAlSiN功能层和TiSiN表面层。
7.根据权利要求6所述的高硬度高强度硬质合金涂层刀片，其特征在于，所述步骤2)中，沉积AlTiN基底层的条件为偏压设置为50～100V，通入反应气体N2，调整N2流量，使真空室气压为1.0～5.0Pa，开启Al0.67Ti0.33合金靶，控制靶弧电流为50～120A，开始在基体上沉积AlTiN基底层，沉积时间45～60min。
8.根据权利要求6所述的高硬度高强度硬质合金涂层刀片，其特征在于，所述步骤2)中，沉积TiAlSiN功能层的条件为偏压调整为80～150V，开启Ti0.85Si0.15合金靶，控制靶弧电流为80～120A，沉积时间50～100min。
9.根据权利要求6所述的高硬度高强度硬质合金涂层刀片，其特征在于，所述步骤2)中，沉积TiSiN表面层的条件为关闭Al0.67Ti0.33合金靶，将偏压调整为80～150V，开启Ti0.85Si0.15合金靶，控制靶弧电流为80～120A，沉积时间10～30min。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于硬质合金材料制备技术领域，尤其涉及一种高硬度高强度硬质合金涂层刀片。
背景技术
[0002]硬质合金有高硬度、高强度、高耐磨性及较高的高温硬度、良好的化学稳定性等一系列优良的特性，被广泛应用于现代加工切削领域。随着科学技术的发展，硬质合金的用途愈来愈广泛，人们对硬质合金的性能要求也越来越高，随之涂层硬质合金发展迅速，产量大幅度增加，应用领域不断扩大，得到了广泛的工业应用。
[0003]硬质合金材料中普遍存在硬度-强度之间的矛盾，采用涂层技术可以有效解决硬质合金材料中的矛盾，即保持基体材料的韧性，又提高了刀具的耐磨性，提升刀具的切削性能。此外，随着现在各种难加工材料的使用愈日俱增，在切削加工过程中，难加工材料的热导率低，导致切削时热量无法扩散，致使硬质合金刀刃温度过高，刀具在高温下的粘结强度下降，加速刀具磨损，降低加工寿命。硬质合金刀具表面涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的摩擦系数，有效的减少刀具与工件摩擦所产生的热量，降低硬质合金刀具的月牙洼磨损，显著提高了加工效率、加工精度和刀具的使用寿命。
[0004]随着制造业的不断发展，对材料表面硬度、耐磨性、抗氧化性等要求的不断提升，单一膜层材料难以满足提高零件综合性能的要求，通过在二元氮化物膜层TiN中加入不同合金元素获得的多元复合涂层，有效的提升了涂层的综合性能。Ti-Al-Si-N系涂层具有硬度高、优异的抗磨损、抗高温氧化性能和热稳定性能等特点，成为表面涂层领域的研究热点。
[0005]中国发明专利CN106480417A公开了一种TiAlSiN-AlTiN复合涂层及制备工艺，所述涂层采用电弧与磁控溅射复合镀膜技术，其中Al、Ti元素的原子成分比例为Al/Ti=67/33，Al、Ti、Si元素的原子成分比例为Al/Ti/Si=60/30/10，在基体表面沉积形成TiAlSiN-AlTiN复合涂层，所制备的涂层厚度约为3.5μm，涂层显微硬度24.5GPa，具有高硬度的优良特性。
[0006]中国发明专利CN111500998A公开了一种AlTiN/TiAlSiN梯度纳米复合结构涂层及其一体化制备方法与应用，所述涂层采用电弧离子镀(Arc)、高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)及其复合的(Arc-HiPIMS)沉积技术制备，涂层厚度为0.5～2μm;Arc沉积的AlTiN打底层作为基体与涂层之间过渡层，Arc-HiPIMS复合技术沉积的AlTiN/TiAlSiN亚纳米级梯度复合结构做为中间层，涂层厚度为1～4μm;顶层的TiAlSiN功能层由HiPIMS技术沉积，涂层厚度为0.15～2μm。所述涂层组织结构致密，结合力高，在不锈钢上高达80N以上。
[0007]上述现有技术中的硬质合金涂层的硬度和耐磨性虽有所提升，但是均采用复合工艺制备涂层，工艺相对复杂，成本也随之增加。涂层的厚度也会影响到切削刀具的加工寿命，涂层过薄不能很好地起到隔热、耐磨等作用，过厚的涂层存在较高的内应力，涂层易剥落，使刀具的综合性能应用较差，且大大提高了生产制造成本。
发明内容
[0008]本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种高硬度高强度硬质合金涂层刀片，具体的技术方案如下：
[0009]一种高硬度高强度硬质合金涂层刀片，包括基体和涂层;
[0010]按重量百分比计，所述基体原料由碳化钨WC：89～90%、Co：6～7%、钨钛固溶体((W，Ti)C)：1～3%、钽铌固溶体((Ta，Nb)C)：1～3%组成;
[0011]所述涂层包括AlTiN基底层、TiAlSiN功能层和TiSiN表面层;所述AlTiN基底层的厚度为1.0～1.5μm，所述TiAlSiN功能层的厚度为2.0～3.0μm和TiSiN表面层的厚度为0.1～0.5μm。
[0012]本发明通过添加(W，Ti)C和(Ta，Nb)C固溶剂，提高合金的硬度、耐高温性、抗热震性及抗氧化性，制备出高硬度、高强度的硬质合金基体，实现强度和硬度的良好匹配，提升硬质合金的综合性能，可以加工钢件、铸铁、高温合金等难加工材料，是一种通用性较好的合金基体。本发明涂层的第一层AlTiN基底层、第二层AlTiSiN功能层和第三层TiSiN表面层，如图1所所示，涂层的3层结构硬度不同，组成了特定的梯度复合结构，减少涂层内部缺陷，降低涂层内应力，进而提高了涂层的韧性、膜基结合力，提高了涂层结合强度，保证了切削过程中涂层稳定性，进而提升刀片寿命，有利于拓展该涂层的应用领域和工业化生产规模;涂层中Al元素的添加提高了膜层的抗高温氧化性，且TiN溶解大量的Al元素，可以细化晶粒，提高涂层的硬度;此外，Si元素添加至AlTiN结构中，形成nc-TiAlN/α-Si3N4非晶复合结构，非晶Si3N4作为界面相，大多填充在晶界区域，位错会穿过硬度较小的非晶，受阻于晶界上模量较高的非晶Si3N4相，裂纹被Si3N4阻止和反射而发生偏转，并有效阻挡氧元素向涂层内部扩散，使得涂层具有更高的硬度和抗高温氧化性，增加了膜层的韧性，提高了膜基结合力。
[0013]进一步地，所述涂层采用电弧离子镀技术沉积而成。
[0014]本发明采用电弧离子镀沉积技术，具有沉积速率快，结合强度高，制备的涂层均匀致密，硬度高，涂层与切削刀片基体的良好搭配，使刀片寿命大幅度提高。
[0015]进一步地，所述基体的制备方法，包括如下步骤：
[0016](1)按照配方比例将原料粉末加入球磨机中进行研磨，加入1～3wt%石蜡成型剂，球料比为5～7：1，以酒精作湿磨介质，液固比为1:(1～3)，球磨时间30～35h，经制粒制得混合料粉末;
[0017](2)将混合料粉末压制成刀片，刀片放置于压力烧结一体炉中进行烧结，经脱蜡烧结处理、真空烧结处理、分压烧结处理和高温高压烧结处理后，冷却至室温，获得刀片基体。
[0018]进一步地，所述步骤(2)中，将混合料粉末压制成刀片时的温度为18～24℃，湿度为40～50%，压制压力15-25KN。
[0019]进一步地，所述步骤(2)中，脱蜡烧结处理的温度为室温～500℃，脱蜡烧结处理的时间为450～550min，升温速率为3～5℃/min，脱蜡烧结处理的真空度为800～900Pa;真空烧结处理的温度为500～1340℃，真空烧结处理的真空度为5～15Pa，升温速率为3～5℃/min，烧结时间为200～400min;分压烧结处理的温度为1340～1460℃，分压烧结真空度为900～1000Pa，升温速率为3～5℃/min，烧结时间为100～150min;高温高压烧结处理的温度为1460～1500℃，加压压力为3～6MPa，保温时间为20～40min。
[0020]本发明制得的刀片基体进行性能测试，抗弯强度值可达到3092MPa，维氏硬度值可达到1593HV30，Hc值可达到16.74KA/m。
[0021]进一步地，在刀片基体上制备所述涂层的方法，包括如下步骤：
[0022]1)将刀片基体进行精磨、喷砂、钝化处理后，再经过等离子体清洗处理10～30min;
[0023]2)沉积涂层：将刀片基体装入电弧离子镀膜系统中，经过Ar等离子体清洗10～30min，调整试样架转速为2～4rpm，真空室温度控制在500～600℃之间，在基体上依次沉积AlTiN基底层、TiAlSiN功能层和TiSiN表面层。
[0024]进一步地，所述步骤2)中，沉积AlTiN基底层的条件为偏压设置为50～100V，通入反应气体N2，调整N2流量，使真空室气压为1.0～5.0Pa，开启Al0.67Ti0.33合金靶，控制靶弧电流为50～120A，开始在基体上沉积AlTiN基底层，沉积时间45～60min。
[0025]进一步地，所述步骤2)中，沉积TiAlSiN功能层的条件为偏压调整为80～150V，开启Ti0.85Si0.15合金靶，控制靶弧电流为80～120A，沉积时间50～100min。
[0026]进一步地，所述步骤2)中，沉积TiSiN表面层的条件为关闭Al0.67Ti0.33合金靶，将偏压调整为80～150V，开启Ti0.85Si0.15合金靶，控制靶弧电流为80～120A，沉积时间10～30min。
[0027]本发明的有益效果为：
[0028]本发明通过添加(W，Ti)C和(Ta，Nb)C固溶剂制备出高硬度、高强度的硬质合金基体，再结合电弧离子镀技术沉积出特定梯度复合结构的涂层，减少涂层内部缺陷，降低涂层内应力，提高了涂层的韧性、膜基结合力，且涂层均匀致密，具有硬度高和抗高温氧化性，涂层与刀片基体的良好搭配，使刀片寿命大幅度提高。本发明工艺方法简单、操作方便、成本低、生产效率高，产品具有更好的切削使用寿命，可以实现批量生产。
附图说明
[0029]图1为本发明涂层的结构示意图;
[0030]由下而上依次为硬质合金基体、AlTiN基底层、TiAlSiN功能层、TiSiN表面层;
[0031]图2为本发明实施例1制备的硬质合金基体的SEM图;
[0032]图3为本发明实施例1制备的涂层截面SEM图。
具体实施方式
[0033]以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0034]实施例1
[0035]一种高硬度高强度硬质合金涂层刀片的制备，包括如下步骤：
[0036]一、基体的制备
[0037](1)按照相应的配方比例分别称取对应的原料：WC：89.5%、Co：6.5%、(W，Ti)C：2.0%、(Ta，Nb)C：2.0%，将混合料粉末加入球磨机中，加入2wt%石蜡成型剂，球料比为6:1，以酒精作湿磨介质，液固比为1:2，球磨时间32h，经制粒制得混合料粉末。
[0038](2)将混合料粉末压制成尺寸为6.50×5.25×20mm的PS21B压坯试样条和APMT11T320PDER-M8型刀片，温度为20℃，湿度为45%，压制压力20KN，压制高度4.8mm，单重2.40g。将所制试样条及刀片放置于压力烧结一体炉中进行烧结，依次经脱蜡烧结处理、真空烧结处理、分压烧结处理和高温高压烧结处理。脱蜡烧结处理：温度为室温～500℃，脱蜡烧结处理的总时间为480min，升温速率为4℃/min，脱蜡烧结处理的真空度为870Pa;真空烧结处理：温度为500～1340℃，真空烧结处理的真空度为10Pa，升温速率为4℃/min，烧结时间为300min;分压烧结处理：温度为1340～1460℃，分压烧结真空度为930Pa，升温速率为4℃/min，烧结时间为120min;高温高压烧结处理：温度为1460℃，加压压力为5MPa，保温时间为30min;随炉冷却至室温，将试样条和刀片基体取出。
[0039](3)将制得的PS21B试样条和APMT11T320PDER-M8型刀片基体进行性能测试，试样条用于抗弯强度性能的检测，刀片产品用于维氏硬度、Hc值的检测，抗弯强度值为3092MPa，维氏硬度值为1593HV30，Hc值为16.74KA/m。
[0040]二、涂层的制备
[0041](1)将烧结后的刀片基体进行精磨、喷砂、钝化等涂层前处理，再经过等离子体清洗处理20min。
[0042](2)沉积涂层：将合金刀片装入INGENIA电弧离子镀膜系统的试样架上，经过Ar等离子体清洗20min，调整试样架转速为3rpm，真空室温度控制在550℃之间，将偏压设置为50V，通入反应气体N2，调整N2流量，使真空室气压为1.0Pa，开启Al0.67Ti0.33合金靶，控制靶弧电流为80A，开始在基体上沉积AlTiN基底层，沉积时间45min，涂层厚度为1.0μm;将偏压调整为80V，开启Ti0.85Si0.15合金靶，控制靶弧电流为80A，沉积TiAlSiN功能层，沉积时间50min，涂层厚度为2.0μm;关闭Al0.67Ti0.33合金靶，将偏压调整为80V，控制靶弧电流为80A，沉积TiSiN表面层，沉积时间10min，涂层厚度为0.1μm，涂层总厚度约为3.0μm。
[0043]实施例2
[0044]一种高硬度高强度硬质合金涂层刀片的制备，包括如下步骤：
[0045]一、基体的制备
[0046]与实施例1的制备方法相同，此处不再赘述。
[0047]二、涂层的制备
[0048](1)将烧结后的刀片基体进行精磨、喷砂、钝化等涂层前处理，再经过等离子体清洗处理20min。
[0049](2)沉积涂层：将合金刀片装入INGENIA电弧离子镀膜系统的试样架上，经过Ar等离子体清洗20min，调整试样架转速为3rpm，真空室温度控制在550℃之间，将偏压设置为80V，通入反应气体N2，调整N2流量，使真空室气压为3.0Pa，开启Al0.67Ti0.33合金靶，控制靶弧电流为100A，开始在基体上沉积AlTiN基底层，沉积时间50min，涂层厚度为1.2μm;将偏压调整为100V，开启Ti0.85Si0.15合金靶，控制靶弧电流为100A，沉积TiAlSiN功能层，沉积时间80min，涂层厚度为2.4μm;关闭Al0.67Ti0.33合金靶，将偏压调整为100V，控制靶弧电流为100A，沉积TiSiN表面层，沉积时间20min，涂层厚度为0.3μm，涂层总厚度约为4.0μm。
[0050]实施例3
[0051]一种高硬度高强度硬质合金涂层刀片的制备，包括如下步骤：
[0052]一、基体的制备
[0053]与实施例1的制备方法相同，此处不再赘述。
[0054]二、涂层的制备
[0055](1)将烧结后的刀片基体进行精磨、喷砂、钝化等涂层前处理，再经过等离子体清洗处理20min。
[0056](2)沉积涂层：将合金刀片装入INGENIA电弧离子镀膜系统的试样架上，经过Ar等离子体清洗20min，调整试样架转速为3rpm，真空室温度控制在550℃之间，将偏压设置为100V，通入反应气体N2，调整N2流量，使真空室气压为5.0Pa，开启Al0.67Ti0.33合金靶，控制靶弧电流为120A，开始在基体上沉积AlTiN基底层，沉积时间60min，涂层厚度约为1.5μm;将偏压调整为150V，开启Ti0.85Si0.15合金靶，控制靶弧电流为120A，沉积TiAlSiN功能层，沉积时间100min，涂层厚度约为3.0μm;关闭Al0.67Ti0.33合金靶，将偏压调整为150V，控制靶弧电流为120A，沉积TiSiN表面层，沉积时间30min，涂层厚度约为0.5μm，涂层总厚度约为5.0μm。
[0057]图2为本发明实施例1制备的硬质合金基体的显微组织形貌图，从图中可以看出，WC晶粒平均尺寸较小，致密度高，内部无明显孔隙，无异常长大晶粒。
[0058]图3为本发明实施例1制备的涂层截面形貌，从图中可以看出，涂层主要有3部分组成：AlTiN基底层、TiAlSiN功能层、TiSiN表面层。涂层结构致密，无孔洞和裂纹出现，涂层和基体间结合良好。
[0059]通过洛氏硬度压痕法对实施例1-3的硬质合金涂层刀片进行压痕形貌测试，实施例1的涂层显微硬度为35GPa，实施例2的涂层显微硬度为32GPa，实施例3的涂层显微硬度为30GPa;测量结合力均为HF1级，说明涂层具有良好的结合力。
[0060]硬质合金涂层刀片切削对比实验：
[0061]采用本发明实施例制备的刀片APMT11T320PDER-M8和现有技术的刀片ASMT11T320PDPR-MJ进行切削测试，被加工产品材质为QT600，切削条件为：铣削：湿式切削;切削速度Vc=301m/min;进给量f=0.54mm/r;切削深度ap=0.15mm;测试结果如表1所示。
[0062]表1切削性能测试结果表
[0063]
[0064]由表1可见，在切削条件相同的情况下，本发明制备的硬质合金涂层刀片与畅销的具有可比性的市售产品刀片相比，在铣削下的使用寿命更高，性能更好。
[0065]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(3)
