CN101603894B

CN101603894B - 一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂及其使用方法

Info

Publication number: CN101603894B
Application number: CN2009101122151A
Authority: CN
Inventors: 王周成; 孙鹏; 祁正兵
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: CN101603894A

Abstract

一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂及其使用方法，涉及一种刀具涂层浸蚀剂，尤其是涉及一种用于硬质合金刀具表面的MT-CVD碳氮化钛涂层显微结构分析的浸蚀剂配方及其使用方法。提供一种可以有效地显示硬质合金刀具表面MT-CVD碳氮化钛涂层显微结构的硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂及其使用方法。浸蚀剂为硝酸30～40，氢氟酸10，水10。浸蚀剂的使用方法为试样制备：热压镶嵌后研磨，研磨后抛光；浸蚀操作：浸蚀前，先将试样清洗，烘干后放入浸蚀剂中浸蚀，取出后冲洗，再将试样置于无水乙醇中超声清洗，烘干，置于干燥器中保存，待扫描电镜观察。

Description

一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种刀具涂层浸蚀剂，尤其是涉及一种用于硬质合金刀具表面的MT-CVD(moderate temperature chemical vapor deposition，中温化学气相沉积)碳氮化钛涂层显微结构分析的浸蚀剂配方及其使用方法。

背景技术

随着数控机床和加工中心的普及，高效高速高精度切削成了现代加工技术的主要发展方向，对刀具的性能相应也提出了更高的要求。由于刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，因此刀具涂层技术近几年取得了重大进展。切削刀具表面涂层化主要是通过物理气相沉积和化学气相沉积两种沉积工艺实现，其中化学气相沉积涂层仍然是可转位刀片的主要涂层工艺，已开发出MT-CVD(中温化学气相沉积)碳氮化钛(1、Te-Hua Fang，Sheng-RuiJian，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(高温化学气相沉积)厚膜氧化铝等新工艺、新涂层，其中使用MT-CVD制备的碳氮化钛具有高的硬度、抗磨损性能和较高的韧性(3.S.J.Hull，D.G Bhat，M.H.Staia.SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 163-164(2003)499-506；4.S.J.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 MATERIALS20(2002)143-149)，这对提高涂层刀具在高速重切削、干切削等恶劣条件下使用的机械加工刀具寿命是非常重要的。

硬质合金刀具表面涂层的显微结构是涂层显微硬度、涂层与基体的结合强度以及涂层高温摩擦磨损等力学性能优劣的决定性因素之一，因此涂层显微结构的分析不仅是评价产品质量的必要手段，更有助于改进涂层制备工艺。由于硬质合金涂层具有硬、脆、薄的特点，一般截面试样制备比较困难，同时国内外关于硬质细晶单相涂层的浸蚀剂研究较少，组织结构资料缺乏。

细晶单相涂层显微结构分析的样品制备，包括镶嵌、研磨、抛光、浸蚀等4个步骤。镶嵌一般采用热压镶嵌法，以酚醛树脂粉末为填充料，在热压镶样机上进行；研磨是金相试样制备过程中的关键步骤，试样经磨光后，有细微的磨痕以及表面仍有金属的形变扰动层，影响正确的显示组织，因此必须抛光；抛光好的试样，要求达到磨面光亮如镜，完整保留各相的效果。抛光好的试样表面光亮如镜，但在显微镜下观察时只能看到夹杂物、气孔和裂缝等，要分析、观察试样的显微组织，甚至区分表面涂层的晶界，试样还必须经过组织显示的操作。组织显示的方法主要可以分为两大类：化学法与物理法。前者通常包括化学试剂浸蚀、电解浸蚀、氧化法等；而后者则包括热蚀、真空镀膜、阴极离子刻蚀、磁性法等。

涂层显微结构观察可以采用金相显微镜、扫描以及透射电子显微镜，由于气相沉积制备的涂层晶粒尺寸为亚微米级，因此分辨率低的光学显微镜已经无法用于涂层显微结构的分析。虽然目前的透射电镜结合离子减薄法可获得一些信息，但是制作样品非常复杂，不能适时跟踪。扫描电镜具有分辨率高，景深大，可以作为涂层显微结构分析方便、快捷、有效、可靠的表征手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效地显示硬质合金刀具表面MT-CVD碳氮化钛涂层显微结构的硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂及其使用方法，以达到显示涂层晶粒的尺寸和结构、区分涂层晶粒之间晶界的目的。

本发明所述一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂的成分及其按体积比的含量为：

硝酸(HNO₃)3～4，氢氟酸(HF)1，水(H₂O)1。

硝酸的质量分数最好为65％～68％，氢氟酸的质量分数最好≥40％，水最好采用去离子水。

配制所述一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂的方法可在硝酸和氢氟酸中加入溶剂去离子水好可。

本发明所述一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂的使用方法包括以下步骤：

1)试样制备

(1)热压镶嵌：将硬质合金涂层刀具样品在热压镶嵌机上制成圆柱试样，以酚醛树脂粉末为镶嵌填料，成型后得镶嵌好的试样；

(2)研磨：将镶嵌好的试样粗磨和细磨，清洗，烘干；

(3)抛光：将研磨后的试样用金刚石抛光粉进行抛光，抛光完成后将试样放在无水乙醇中，超声清洗，以除去抛光过程中试样表面的油污以及抛光粉等杂质；

2)浸蚀操作

浸蚀前，先将试样清洗，烘干后放入浸蚀剂中浸蚀，取出后冲洗，再将试样置于无水乙醇中超声清洗，烘干，置于干燥器中保存，待扫描电镜观察。

在步骤1)中，所述圆柱试样的直径最好为30mm，成型的温度最好为130℃，成型时最好加压保温5min。所述粗磨最好在600目金刚石砂轮盘上进行粗磨，所述细磨最好在1200目金刚石砂轮盘上进行粗磨，粗磨的时间最好为3～6min，细磨的时间最好为3～6min，粗磨和细磨可采用自动研磨抛光机，转速最好为500rpm/min，在粗磨与细磨之间最好对试样进行超声清洗，超声清洗的时间最好为2min。所述金刚石抛光粉可采用W2.5的金刚石抛光粉，抛光的时间可为10min，超声清洗的时间最好为5min。

在步骤2)中，所述先将试样清洗可先用去离子水超声清洗2min，再以无水乙醇清洗。所述放入浸蚀剂中浸蚀最好将试样放入浸蚀剂中30℃恒温水浴，浸蚀30～40s，所述取出后冲洗最好用水冲洗。

本发明采用热压镶嵌、研磨抛光结合超声清洗的金相制备方法制备了碳氮化钛涂层刀具的截面试样，用化学浸蚀法，通过扫描电镜观察，得到涂层的显微结构。本发明选取硝酸和氢氟酸的水溶液作为浸蚀剂，可以达到显示碳氮化钛涂层的柱状结构，得到晶粒的尺寸大小，有效地区分柱状晶粒之间的晶界。

本发明采用化学试剂浸蚀法处理抛光好的试样进行细晶单相涂层的显微结构分析。试样在一定浓度的化学试剂作用下，不仅能溶去表面的扰乱层，更主要的是能使合金的各种组织间、单相材料的晶粒间或晶界处因腐蚀抗力不同而受到不同程度的侵蚀，这种被侵蚀后呈现出的表面高低不平的结构在显微镜下观察时会呈现出明暗衬度，从而达到显示显微结构的目的。

由此可见，本发明建立了一种快速分析细晶单相涂层显微结构方法，为涂层结构和性能的表征研究提供有效手段。

附图说明

图1为实施例1浸蚀剂浸蚀后涂层的截面形貌SEM图(×5000)。

图2为实施例2浸蚀剂浸蚀后涂层的截面形貌SEM图(×5000)。

图3为实施例3浸蚀剂浸蚀后涂层的截面形貌SEM图(×5000)。

图4为实施例4浸蚀剂浸蚀后涂层的截面形貌SEM图(×5000)。

图5为MT-CVD碳氮化钛涂层的表面形貌SEM图(×5000)。

具体实施方式

实施例1

1.试样制备：(1)热压镶嵌：取样品(中温化学气相沉积法制备的TiCN硬质涂层刀具)，以酚醛树脂粉末为填料在热压镶嵌机上制成直径30mm的规整圆柱试样，成型温度为130℃、加压保温5min。(2)研磨：将镶嵌好的试样分别在600目和1200目的金刚石砂轮盘上进行充分的粗磨和细磨，粗细磨的时间控制在5min左右，以上研磨都采用自动研磨抛光机，转速为500r/min，研磨过程中不断通冷却水，粗、细研磨之间都要对试样进行充分的超声清洗(在无水乙醇中超声清洗时间2min)并以100℃烘箱烘干，以除去磨屑和油污。(3)抛光：试样经过研磨抛光后，再用W2.5的金刚石抛光粉进行抛光，抛光时间为10min，同时在抛光过程中合理控制冷却水的用量；抛光完成后将试样放在无水乙醇中，超声清洗5min，以除去抛光过程中试样表面的油污以及抛光粉杂质等。

2.浸蚀剂的配制：分别用玻璃量筒量取30ml浓HNO₃(质量分数为68％)和10ml H₂O加到塑料烧杯中，再用塑料量筒量取10ml浓HF(质量分数为40％)加到烧杯中，放至超声器中超声2min至溶液均匀混合。

3.浸蚀操作：浸蚀前，先将试样用去离子水超声清洗2min，再以无水乙醇清洗，经过100℃烘箱烘干后，将试样放入浸蚀剂中(30℃恒温水浴)，浸蚀30s后取出，用水冲洗，再将试样置于无水乙醇中超声清洗2min，经过烘箱烘干，置于干燥器中保存，待扫描电镜观察。

图1为浸蚀后试样的截面形貌，由图1可以比较清楚地观察到涂层晶粒的柱状结构生长方式和涂层晶粒之间的晶界。

实施例2

1.试样制备：(1)热压镶嵌：同实施例1。(2)研磨：同实施例1。(3)抛光：同实施例1。

2.浸蚀剂的配制：分别用玻璃量筒量取35ml浓HNO₃(质量分数为65％)和10ml H₂O加到塑料烧杯中，再用塑料量筒量取10ml浓HF(质量分数为45％)加到烧杯中，放至超声器中超声2min至溶液均匀混合。

3.浸蚀操作：同实施例1进行浸蚀，浸蚀时间为30s。

图2为浸蚀后试样的截面形貌，同实施例1相比，浸蚀剂组成中硝酸的浓度增大，浸蚀时间相同，对比实施例1形貌可以发现随着浸蚀剂中硝酸浓度的增大，浸蚀深度增加。图2中可以清晰的观察到涂层晶粒的柱状结构生长方式，柱状晶的宽度在0.3-0.9μm之间。图5为MT-CVD碳氮化钛涂层的表面SEM图，碳氮化钛涂层表面晶粒为四角锥型，表面晶粒结构堆积致密，晶粒大小为0.4-1.0μm之间，与涂层截面的柱状晶宽度相似。

实施例3

1.试样制备：试样制备：(1)热压镶嵌：同实施例1。(2)研磨：同实施例1。(3)抛光：同实施例1。

2.浸蚀剂的配制：分别用玻璃量筒量取40ml浓HNO₃(质量分数为66％)和10ml H₂O加到塑料烧杯中，再用塑料量筒量取10ml浓HF(质量分数为45％)加到烧杯中，放至超声器中超声2min至溶液均匀混合。

3.浸蚀操作：同实施例1进行浸蚀，浸蚀时间为30s。

图3为浸蚀后试样的截面形貌，此例中浸蚀剂中硝酸的浓度与实例1、2相比进一步增大，浸蚀时间仍为30s，观察图像可以发现，浸蚀深度进一步加深，涂层局部晶粒出现了过度浸蚀的现象，因此硝酸的体积不应超过40ml。

实施例4

1.试样制备：试样制备：试样制备：(1)热压镶嵌：同实施例1。(2)研磨：同实施例1。(3)抛光：同实施例1。

2.浸蚀剂的配制：分别用玻璃量筒量取30ml浓HNO₃(质量分数为67％)和10ml H₂O加到塑料烧杯中，再用塑料量筒量取10ml浓HF(质量分数为40％)加到烧杯中，放至超声器中超声2min至溶液均匀混合。

3.浸蚀操作：同实施例1进行浸蚀，浸蚀时间改为40s。

图4为浸蚀后试样的截面形貌，从图中观察可以发现，相比于实施例1，虽然浸蚀剂的成分相同，但是由于浸蚀时间增加，浸蚀的程度明显加深，涂层和基体都有不同程度的脱落，因此浸蚀时间不应超过40s。

Claims

1.一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂的使用方法，其特征在于所述一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂其成分及其按体积比的含量为硝酸3～4，氢氟酸1，水1；所述硝酸的质量浓度为65％～68％，氢氟酸的质量浓度≥40％；

所述一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂的使用方法包括以下步骤：

1)试样制备

(1)热压镶嵌：将硬质合金涂层刀具样品在热压镶嵌机上制成圆柱试样，以酚醛树脂粉末为镶嵌填料，成型后得镶嵌好的试样，所述成型的温度为130℃，成型时加压保温5min；

(2)研磨：将镶嵌好的试样粗磨和细磨，清洗，烘干，所述粗磨是在600目金刚石砂轮盘上进行粗磨，所述细磨是在1200目金刚石砂轮盘上进行细磨，粗磨的时间为3～6min，细磨的时间为3～6min，粗磨和细磨采用自动研磨抛光机，转速为500rpm/min，在粗磨与细磨之间对试样进行超声清洗，超声清洗的时间为2min；

(3)抛光：将研磨后的试样用金刚石抛光粉进行抛光，抛光完成后将试样放在无水乙醇中，超声清洗，以除去抛光过程中试样表面的油污以及抛光粉，所述金刚石抛光粉采用W2.5的金刚石抛光粉，抛光的时间为10min，超声清洗的时间为5min；

2)浸蚀操作

2.如权利要求1所述一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂的使用方法，其特征在于在步骤1)中，所述圆柱试样的直径为30mm。

3.如权利要求1所述一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂的使用方法，其特征在于在步骤2)中，所述先将试样清洗是先用去离子水超声清洗2min，再以无水乙醇清洗。

4.如权利要求1所述一种硬质合金刀具表面碳氮化钛涂层浸蚀剂的使用方法，其特征在于在步骤2)中，所述放入浸蚀剂中浸蚀是将试样放入浸蚀剂中30℃恒温水浴，浸蚀30～40s，所述取出后冲洗是用水冲洗。