專利名稱：一種硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂層浸蝕劑，尤其是涉及一種用于硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦(TiAlN)涂層顯微結(jié)構(gòu)分析用浸蝕劑的配方及其使用方法。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，由于傳統(tǒng)涂層，如單元、二元及單層膜等的性能存在不足之處，已經(jīng)不能完全適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的要求，例如傳統(tǒng)的TiN或TiC在高溫下易被氧化，不適合高溫下作業(yè)(1、 SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 72 (1995) 71-77 ;2、 THINSOLIDFILMS 339 (1999) 203-208)。而在傳統(tǒng)TiN涂層中引入Al得到的TiAlN三元復(fù)合涂層在硬度、耐磨性、高溫氧化性及與基體之間的結(jié)合力等方面表現(xiàn)出比TiN涂層更優(yōu)異的性能，該涂層克服了 TiN涂層所存在的一些缺陷，其顯微硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TiN涂層，最高可達(dá)47GPa，并且具有很好的熱穩(wěn)定性，在70(TC高溫下仍很定，而TiN涂層在50(TC時(shí)就已經(jīng)被氧化。TiAlN涂層顯微結(jié)構(gòu)同樣是其各項(xiàng)性能優(yōu)劣的重要決定因素之一。除上述提到的高硬度、耐高溫之外，TiAlN涂層還具有抗磨損、摩擦系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)及熱傳導(dǎo)系數(shù)低等特性，這些特性與涂層中Al的含量多少有關(guān)，Al含量的改變會(huì)導(dǎo)致涂層顯微結(jié)構(gòu)的變化，從而也使其性能發(fā)生變化(3、 WEAR 258(2005) 1813-1824 ;4、 WEAR 262 (2007) 380-389 ;5、MATERIALSSCIENCE AND ENGINEERING A342 (2003) 58-79)。有資料顯示，PVD制備的TiAlN涂層厚度較薄(1 2ym)，涂層的晶粒度較小，且晶粒排列十分致密，因此觀察其顯微結(jié)構(gòu)更加困難。 而硬質(zhì)合金刀具涂層的顯微結(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。對(duì)于硬質(zhì)涂層的顯微結(jié)構(gòu)分析，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。由于硬質(zhì)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(guó)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、浸蝕四個(gè)步驟。鑲嵌一般采用熱壓鑲嵌法，以酚醛樹(shù)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(guò)程中的關(guān)鍵步驟，試樣經(jīng)磨光后，表面仍有細(xì)微的磨痕以及形變擾動(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。對(duì)于拋光好的試樣，要分析、觀察其顯微組織，甚至區(qū)分表面涂層的晶界，試樣還必須經(jīng)過(guò)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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供一種可以有效地顯示硬質(zhì)合金表面TiAlN涂層組織結(jié)構(gòu)，以達(dá)到區(qū)分涂層晶界、表征涂層組織結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑及其制備 方法。 本發(fā)明的另一目的在于提供一種硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑的使用方 法。 所述硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑的組成及其按體積百分比的含量為
硝酸40% 55%，冰醋酸15% 20%，氫氟酸15% 25%，去離子水5% 20%。
所述硝酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可為65% 68%，所述冰醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可> 99. 5%，所述 氫氟酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可>40%，所述硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑的制備方法是將硝 酸、冰醋酸和氫氟酸為原料，加入溶劑去離子水混合后即得到硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂 層浸蝕劑。 所述硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑的使用方法包括以下步驟
1)試樣制備 (1)熱壓鑲嵌將樣品在熱壓鑲嵌機(jī)上制成大小規(guī)整的試樣，以酚醛樹(shù)脂粉末為 鑲嵌填料，加壓成型，得鑲嵌好的試樣； (2)研磨拋光將鑲嵌好的試樣進(jìn)行研磨，拋光，清洗，除去磨屑和油污；
2)用浸蝕劑浸蝕。 在步驟1)第(1)部分中，所述加壓的溫度可為13(TC，加壓的時(shí)間可為6min。
在步驟1)第(2)部分中，所述研磨可將鑲嵌好的試樣分別在600M和1200M的金 剛石砂輪盤(pán)上進(jìn)行粗磨和細(xì)磨；所述拋光可采用金剛石粉末拋光劑為介質(zhì)在拋光機(jī)上進(jìn)行 拋光，所述粗磨、細(xì)磨和拋光可采用500r/min的轉(zhuǎn)速，所述清洗可采用超聲清洗，超聲清洗 的時(shí)間最好不少于2min。 在步驟2)中，所述用浸蝕劑浸蝕的具體方法可為 浸蝕前，先將試樣用去離子水超聲清洗1 2min，再以無(wú)水乙醇漂洗，熱風(fēng)烘干。 3(TC恒溫水浴下，將試樣浸入浸蝕劑中25 40s后取出，用清水沖洗以使反應(yīng)停止，再將試 樣置于無(wú)水乙醇中超聲漂洗1 2min，最后以熱風(fēng)烘干，置于干燥器中保存，待鏡下觀察。
本發(fā)明采用化學(xué)試劑浸蝕法處理拋光好的試樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。試樣在一定組成和 一定濃度的化學(xué)試劑作用下，不僅能溶去表面的擾亂層，更主要的是能使涂層的各種組織 間、單相材料的晶粒間或晶界處因化學(xué)活性不同而受到不同程度的浸蝕，這種被浸蝕后呈 現(xiàn)出的表面高低不平的組織在顯微鏡下觀察時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出明暗襯度，從而達(dá)到顯示組織結(jié)構(gòu) 的目的。 本發(fā)明建立了一種快速分析細(xì)晶單相涂層結(jié)構(gòu)方法，為涂層和界面性能表征研究 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。
圖2為實(shí)施例2浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖。
圖3為實(shí)施例3浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖。
圖4為實(shí)施例4浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖。
圖5為實(shí)施例5浸蝕劑浸蝕后涂層的截面形貌SEM圖。
在圖1 5中，標(biāo)尺均為2iim。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 1.試樣制備(1)熱壓鑲嵌取樣品(廈門(mén)金鷺特種合金有限公司提供的Ti : Al原子比為l : 1的TiAlN硬質(zhì)涂層刀片)，以酚醛樹(shù)脂粉末為填料在熱壓鑲嵌機(jī)上制成直徑30mm的規(guī)整試樣。(2)研磨拋光將鑲嵌好的試樣分別在600M和1200M的金剛石砂輪盤(pán)上進(jìn)行充分的(各5 10min)粗磨和細(xì)磨，然后再以金剛石粉末拋光劑為介質(zhì)在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光(時(shí)間視拋光效果而定，約8 10min)，每步磨、拋操作之間都對(duì)試樣進(jìn)行充分的超聲清洗并吹干。 2.浸蝕劑的配制40%硝酸、20%冰醋酸、20%氫氟酸和20%去離子水。 3.浸蝕操作浸蝕前，先將試樣用去離子水超聲清洗1 2min，再以無(wú)水乙醇漂
洗，熱風(fēng)烘干。在3(TC恒溫水浴條件下，將試樣浸入浸蝕劑中，作用25s后馬上取出，用大量
清水沖洗，再將試樣置于無(wú)水乙醇中超聲漂洗1 2min，最后以熱風(fēng)烘干，置于干燥器中保
存，待鏡下觀察。 圖1為浸蝕后試樣的截面形貌，由圖1可觀察到涂層晶體顆粒的細(xì)小棱柱狀結(jié)構(gòu)，
以及涂層晶體的生長(zhǎng)方向。
實(shí)施例2 1.試樣制備(1)熱壓鑲嵌同實(shí)施例1。
(2)研磨拋光同實(shí)施例1。
2.浸蝕劑的配制45%硝酸、18%冰醋酸、18%氫氟酸和19%去離子水。
3.浸蝕操作同實(shí)施例1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1相比，浸蝕劑組成中主要成分硝酸的濃度增大，浸蝕時(shí)間增加，因此對(duì)比實(shí)施例1形貌，浸蝕效果得到一定的優(yōu)化。
實(shí)施例3 1.試樣制備(1)熱壓鑲嵌同實(shí)施例1。
(2)研磨拋光同實(shí)施例1。
2.浸蝕劑的配制50%硝酸、17%冰醋酸、17%氫氟酸和16%去離子水。
3.浸蝕操作同實(shí)施例1進(jìn)行浸蝕，時(shí)間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)施例1、2相比增
高，浸蝕時(shí)間延長(zhǎng)至30s，觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)，浸蝕深度得到了加強(qiáng)，涂層局部顆粒的分界變
得更明顯。 實(shí)施例4 1.試樣制備(1)熱壓鑲嵌同實(shí)施例1。
(2)研磨拋光同實(shí)施例1。
2.浸蝕劑的配制50%硝酸、17%冰醋酸、25%氫氟酸和8%去離子水。
3.浸蝕操作同實(shí)施例1進(jìn)行浸蝕，浸蝕時(shí)間30s。 圖4為浸蝕后試樣的截面形貌，從圖中觀察可以發(fā)現(xiàn)，硝酸濃度小幅度降低，但是浸蝕深度有一定程度的增加，涂層和基體都有局部的脫落，一些局部的形貌得到了更佳的效果。 實(shí)施例5 1.試樣制備(1)熱壓鑲嵌同實(shí)施例1。
(2)研磨拋光同實(shí)施例1。
5
2.浸蝕劑的配制55%硝酸、17%冰醋酸、20%氫氟酸和8%去離子水。
3.浸蝕操作同實(shí)施例1進(jìn)行浸蝕，浸蝕時(shí)間40s。 圖5為浸蝕后試樣的截面形貌，從圖中觀察可以發(fā)現(xiàn)，硝酸濃度達(dá)到適用范圍的 上限55%，浸蝕時(shí)間也繼續(xù)有一定程度的延長(zhǎng)，通過(guò)浸蝕顯現(xiàn)的形貌效果也更加明顯，但此 時(shí)要注意合理控制浸蝕時(shí)間和浸蝕劑濃度，以免出現(xiàn)過(guò)度浸蝕而得到負(fù)面效果。
權(quán)利要求
一種硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑，其特征在于其組成及其按體積百分比的含量為硝酸40％～55％，冰醋酸15％～20％，氫氟酸15％～25％，去離子水5％～20％。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑，其特征在于所述 硝酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65% 68%，所述冰醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)> 99. 5%，所述氫氟酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù) > 40%。
3. 如權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑的制備方法，其特征在于 將硝酸、冰醋酸和氫氟酸為原料，加入溶劑去離子水混合后即得到硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁 鈦涂層浸蝕劑。
4. 如權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁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) 熱壓鑲嵌將樣品在熱壓鑲嵌機(jī)上制成大小規(guī)整的試樣，以酚醛樹(shù)脂粉末為鑲嵌 填料，加壓成型，得鑲嵌好的試樣；(2) 研磨拋光將鑲嵌好的試樣進(jìn)行研磨，拋光，清洗，除去磨屑和油污；2) 用浸蝕劑浸蝕。
5. 如權(quán)利要求4所述的硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在于 在步驟l)第(1)部分中，所述加壓的溫度為13(TC，加壓的時(shí)間為6min。
6. 如權(quán)利要求4所述的硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在于 在步驟1)第(2)部分中，所述研磨是將鑲嵌好的試樣分別在600M和1200M的金剛石砂輪 盤(pán)上進(jìn)行粗磨和細(xì)磨。
7. 如權(quán)利要求4所述的硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在于 在步驟l)第(2)部分中，所述拋光是采用金剛石粉末拋光劑為介質(zhì)在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光， 所述粗磨、細(xì)磨和拋光采用500r/min的轉(zhuǎn)速。
8. 如權(quán)利要求4所述的硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在于 在步驟l)第(2)部分中，所述清洗是采用超聲清洗，超聲清洗的時(shí)間不少于2min。
9. 如權(quán)利要求4所述的硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑的使用方法，其特征在于 在步驟2)中，所述用浸蝕劑浸蝕的具體方法為浸蝕前，先將試樣用去離子水超聲清洗1 2min，再以無(wú)水乙醇漂洗，熱風(fēng)烘干，3(TC 恒溫水浴下，將試樣浸入浸蝕劑中25 40s后取出，用清水沖洗以使反應(yīng)停止，再將試樣置 于無(wú)水乙醇中超聲漂洗1 2min，最后以熱風(fēng)烘干，置于干燥器中保存，待鏡下觀察。
全文摘要
一種硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑及其使用方法，涉及一種涂層浸蝕劑。提供一種可以有效地顯示硬質(zhì)合金表面TiAlN涂層組織結(jié)構(gòu)，以達(dá)到區(qū)分涂層晶界、表征涂層組織結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑及其制備方法和使用方法。硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層浸蝕劑的組成及其按體積百分比的含量為硝酸40％～55％，冰醋酸15％～20％，氫氟酸15％～25％，去離子水5％～20％。使用方法是先制備試樣，再用浸蝕劑浸蝕。浸蝕后的碳氮化鈦涂層顯示明顯的柱狀結(jié)構(gòu)，能夠有效地區(qū)分晶粒之間的晶界，可應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具表面氮鋁鈦涂層顯微結(jié)構(gòu)的快速分析和表征。
文檔編號(hào)C23F1/16GK101775602SQ20101011602
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月23日
發(fā)明者孫鵬, 王周成, 祁正兵 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)