一种高硬度刀片及其制备方法与流程

本申请涉及硬质合金材料，特别涉及一种高硬度刀片及其制备方法。

背景技术：

1、硬质合金（wc-co）切削刀片因其高硬度、高耐磨性，被广泛用于金属切削加工领域。随着高速切削、干式切削和硬态切削等先进加工技术的快速发展，切削工况日趋苛刻，对刀片基体的强韧性匹配、涂层结合可靠性提出了更高要求。

2、在材料组分方面，现有技术普遍通过在碳化钨（wc）基体中加入钴（co）作为粘接相来平衡硬度和韧性。但常规co含量的基体硬度不足，难以满足高速切削需求；降低co含量虽可提升硬度，却伴随致密化困难和韧性下降。为此，研究人员尝试添加过渡金属碳化物（cr3c2、vc等）作为晶粒生长抑制剂，或引入纳米级弥散相进行强化。然而，上述措施多为单一维度的性能补偿，缺乏系统性协同设计，特别是纳米强化相易团聚且会增大液相烧结粘度，现有工艺未对此作出针对性适配，制约了强化收益的发挥。

3、在烧结工艺方面，目前工业上主要采用真空烧结和气压烧结。真空烧结虽能有效排除坯体气体，但在高温阶段金属co易挥发逸出，导致刀片表面形成贫co疏松层，该疏松层在后续涂层沉积时无法提供刚性支撑，是涂层早期剥落的重要诱因。常规氩气保护烧结可抑制co挥发，但缺乏对粉末表面氧化物的化学净化作用，wo3和co3o4等氧化膜恶化co液相对wc的润湿性，导致残余孔隙率偏高。

4、在涂层技术方面，物理气相沉积（pvd）涂层已成为提升刀片性能的标配手段。现有涂层技术面临两大长期未解的难题：其一，硬质合金基体与tialn/alcrn涂层之间存在显著的热膨胀系数失配，冷却后界面产生残余拉应力，叠加切削交变载荷易诱发涂层剥落。现有技术主要通过设置中间过渡层进行缓冲，但未从根本上改变界面应力分布状态，基体自身的残余应力未被纳入涂层界面设计的考量范畴。其二，高功率脉冲磁控溅射（hipims）膜层致密但沉积速率极低，难以匹配批量生产节拍且设备成本高昂；多弧离子镀（aip）效率高但存在“液滴喷溅”缺陷，表面光洁度差；中频磁控溅射（ms）表面光滑但结合力弱。如何在保持高效沉积的同时兼顾涂层质量和界面结合力，是工具涂层领域长期未解的矛盾。因此，现有技术中硬质合金刀片抗剥落性能和服役寿命有待进一步提升。

技术实现思路

1、本申请是鉴于上述问题而进行的，其目的在于，提供一种高硬度刀片及其制备方法。

2、具体如下，本申请第一方面提供了一种高硬度刀片的制备方法，包括以下依次进行的步骤：

3、（1）将碳化钨粉末、钴粉末、复合晶粒抑制剂粉末及纳米氮化钛粉末混合后压制成型，得到压坯；

4、（2）将所述压坯进行烧结，得到烧结体；

5、（3）将所述烧结体置于-190℃以下的低温环境中进行深冷处理；

6、（4）将深冷处理后的刀片进行低温回火处理；

7、（5）将回火处理的刀片进行物理气相沉积，在所述刀片表面沉积多层复合涂层，得到涂层刀片。

8、进一步地，步骤（2）中所述烧结包括依次进行的低温脱脂、氢气还原、固相预烧结和液相烧结；

9、所述氢气还原为：在420~760℃温度区间，通入分压为30~40kpa的氢气，保温0.5~1.5小时。

10、进一步地，所述固相预烧结为：在760~1280℃温度区间，通入n2和ar混合气并维持炉压150~250pa，保温60~90分钟。

11、进一步地，所述液相烧结的温度为1420~1430℃，总保温时间为45~60min。

12、进一步地，步骤（1）的粉末原料由以下质量百分比的组分组成：碳化钨为余量，钴为8.0~9.0%，碳化铬为0.8~1.2%，碳化钒为0.3~0.6%，纳米氮化钛为0.5~1.0%。

13、进一步地，所述碳化钨粉末为双峰粒度分布，其中粗颗粒占比65~75%、细颗粒占比25~35%，所述粗颗粒的平均粒度为1.2~1.6μm，所述细颗粒的平均粒度为0.4~0.6μm；所述纳米氮化钛的平均粒度≤80nm。

14、进一步地，步骤（3）中所述深冷处理为以4~8℃/min的冷却速率降温至-196℃，并在-196℃保温2~5小时；

15、步骤（4）中所述低温回火处理为在120~150℃保温3~8小时。

16、进一步地，步骤（5）中所述物理气相沉积的温度为440~460℃，所述多层复合涂层依次包括ti底层、tin过渡层、tialn主耐磨层和alcrn最外层，所述最外层沉积过程中对基体施加周期性动态变化的偏压。

17、进一步地，所述多层复合涂层采用同炉混合物理气相沉积方式，其中所述ti底层和tin过渡层采用多弧离子镀技术沉积，所述tialn主耐磨层和alcrn最外层采用磁控溅射技术沉积；所述alcrn最外层沉积时偏压以正弦波形式在-40v至-90v之间周期性变化，变化周期为4~8分钟。

18、本申请第二方面提供了一种高硬度刀片，采用所述的制备方法制得。

19、本发明具有以下有益效果：

20、本发明通过组分设计、烧结工艺、涂层工艺和后处理工艺的系统性协同设计，实现了硬质合金刀片硬度、韧性与涂层结合性能的同步提升：

21、在基体组分上，本发明采用双峰粒度分布的碳化钨搭配复合晶粒抑制剂与低含量纳米氮化钛强化相，既可以利用细晶提升基体硬度，又能够通过粗颗粒保持韧性，纳米氮化钛弥散分布进一步细化晶粒、强化晶界，避免了单一降钴带来的韧性大幅下降问题；复合抑制剂与纳米氮化钛协同作用，能够更精准地抑制wc晶粒异常长大，获得更均匀的细晶组织。

22、在烧结工艺上，本发明采用氢气还原结合低压氩气固相预烧结、高温液相烧结的分步工艺，先通过氢气还原脱除粉末表面氧化物，改善co对wc的润湿性，再在低压n2和ar混合气保护下进行预烧结和液相烧结，既抑制了高温下co的挥发，避免表面贫co疏松层的产生，又能够保证烧结体的低孔隙率，获得致密性良好的基体，为后续涂层提供稳定的刚性支撑。

23、烧结后对刀片进行深冷和回火处理，进一步提升基体的硬度和尺寸稳定性，提前在基体内部引入一定的压应力场，抵消后续涂层沉积冷却时产生的界面残余拉应力，从根源上改善涂层与基体的界面应力匹配状态，降低涂层早期剥落的风险。

24、在涂层工艺上，本发明采用同炉混合物理气相沉积工艺，结合了多弧离子镀沉积速率快和磁控溅射涂层表面质量高的优势，在ti底层和tin过渡层的制备中利用多弧离子镀的高沉积效率，在主耐磨层和最外层使用磁控溅射保证涂层光洁度，同时在alcrn最外层沉积过程中施加周期性动态偏压，既可以保证离子轰击效果，优化涂层致密度，又避免了固定高偏压带来的热损伤，能够进一步调控涂层的内应力状态，提升涂层结合性能。

1.一种高硬度刀片的制备方法，其特征在于，包括以下依次进行的步骤：

2.根据权利要求1所述的高硬度刀片的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述烧结包括依次进行的低温脱脂、氢气还原、固相预烧结和液相烧结；

3.根据权利要求2所述的高硬度刀片的制备方法，其特征在于，所述固相预烧结为：在760~1280℃温度区间，通入n2和ar混合气并维持炉压150~250pa，保温60~90分钟。

4.根据权利要求2所述的高硬度刀片的制备方法，其特征在于，所述液相烧结的温度为1420~1430℃，总保温时间为45~60min。

5.根据权利要求1所述的高硬度刀片的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的复合晶粒抑制剂粉末包括碳化铬和碳化钒；

6.根据权利要求5所述的高硬度刀片的制备方法，其特征在于，所述碳化钨粉末为双峰粒度分布，其中粗颗粒占比65~75%、细颗粒占比25~35%，所述粗颗粒的平均粒度为1.2~1.6μm，所述细颗粒的平均粒度为0.4~0.6μm；所述纳米氮化钛的平均粒度≤80nm。

7.根据权利要求1所述的高硬度刀片的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述深冷处理为以4~8℃/min的冷却速率降温至-196℃，并在-196℃保温2~5小时；

8.根据权利要求1所述的高硬度刀片的制备方法，其特征在于，步骤（5）中所述物理气相沉积的温度为440~460℃，所述多层复合涂层依次包括ti底层、tin过渡层、tialn主耐磨层和alcrn最外层，所述最外层沉积过程中对基体施加周期性动态变化的偏压。

9.根据权利要求8所述的高硬度刀片的制备方法，其特征在于，所述多层复合涂层采用同炉混合物理气相沉积方式，其中所述ti底层和tin过渡层采用多弧离子镀技术沉积，所述tialn主耐磨层和alcrn最外层采用磁控溅射技术沉积；所述alcrn最外层沉积时偏压以正弦波形式在-40v至-90v之间周期性变化，变化周期为4~8分钟。

10.一种高硬度刀片，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的制备方法制得。