一种硬质合金刀具表面氮铝钛涂层浸蚀剂及其使用方法 【技术领域】
本发明涉及一种涂层浸蚀剂，尤其是涉及一种用于硬质合金刀具表面氮铝钛(TiAlN)涂层显微结构分析用浸蚀剂的配方及其使用方法。
背景技术
随着工业生产的迅猛发展，由于传统涂层，如单元、二元及单层膜等的性能存在不足之处，已经不能完全适应工业生产的要求，例如传统的TiN或TiC在高温下易被氧化，不适合高温下作业(1、SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 72(1995)71-77；2、THIN SOLIDFILMS 339(1999)203-208)。而在传统TiN涂层中引入Al得到的TiAlN三元复合涂层在硬度、耐磨性、高温氧化性及与基体之间的结合力等方面表现出比TiN涂层更优异的性能，该涂层克服了TiN涂层所存在的一些缺陷，其显微硬度远远高于TiN涂层，最高可达47GPa，并且具有很好的热稳定性，在700℃高温下仍很定，而TiN涂层在500℃时就已经被氧化。TiAlN涂层显微结构同样是其各项性能优劣的重要决定因素之一。除上述提到的高硬度、耐高温之外，TiAlN涂层还具有抗磨损、摩擦系数小、热膨胀系数及热传导系数低等特性，这些特性与涂层中Al的含量多少有关，Al含量的改变会导致涂层显微结构的变化，从而也使其性能发生变化(3、WEAR 258(2005)1813-1824；4、WEAR 262(2007)380-389；5、MATERIALSSCIENCE AND ENGINEERING A342(2003)58-79)。有资料显示，PVD制备的TiAlN涂层厚度较薄(1～2μm)，涂层的晶粒度较小，且晶粒排列十分致密，因此观察其显微结构更加困难。
而硬质合金刀具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。对于硬质涂层的显微结构分析，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。由于硬质涂层具有硬、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、浸蚀四个步骤。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，表面仍有细微的磨痕以及形变扰动层，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。对于抛光好的试样，要分析、观察其显微组织，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。
【发明内容】
本发明的目的旨在提供一种可以有效地显示硬质合金表面TiAlN涂层组织结构，以达到区分涂层晶界、表征涂层组织结构的硬质合金刀具表面氮铝钛涂层浸蚀剂及其制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种硬质合金刀具表面氮铝钛涂层浸蚀剂的使用方法。
所述硬质合金刀具表面氮铝钛涂层浸蚀剂的组成及其按体积百分比的含量为：
硝酸40％～55％，冰醋酸15％～20％，氢氟酸15％～25％，去离子水5％～20％。
所述硝酸的质量分数可为65％～68％，所述冰醋酸的质量分数可≥99.5％，所述氢氟酸的质量分数可≥40％，所述硬质合金刀具表面氮铝钛涂层浸蚀剂的制备方法是将硝酸、冰醋酸和氢氟酸为原料，加入溶剂去离子水混合后即得到硬质合金刀具表面氮铝钛涂层浸蚀剂。
所述硬质合金刀具表面氮铝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：将样品在热压镶嵌机上制成大小规整的试样，以酚醛树脂粉末为镶嵌填料，加压成型，得镶嵌好的试样；
(2)研磨抛光：将镶嵌好的试样进行研磨，抛光，清洗，除去磨屑和油污；
2)用浸蚀剂浸蚀。
在步骤1)第(1)部分中，所述加压的温度可为130℃，加压的时间可为6min。
在步骤1)第(2)部分中，所述研磨可将镶嵌好的试样分别在600M和1200M的金刚石砂轮盘上进行粗磨和细磨；所述抛光可采用金刚石粉末抛光剂为介质在抛光机上进行抛光，所述粗磨、细磨和抛光可采用500r/min的转速，所述清洗可采用超声清洗，超声清洗的时间最好不少于2min。
在步骤2)中，所述用浸蚀剂浸蚀的具体方法可为：
浸蚀前，先将试样用去离子水超声清洗1～2min，再以无水乙醇漂洗，热风烘干。30℃恒温水浴下，将试样浸入浸蚀剂中25～40s后取出，用清水冲洗以使反应停止，再将试样置于无水乙醇中超声漂洗1～2min，最后以热风烘干，置于干燥器中保存，待镜下观察。
本发明采用化学试剂浸蚀法处理抛光好的试样进行结构分析。试样在一定组成和一定浓度的化学试剂作用下，不仅能溶去表面的扰乱层，更主要的是能使涂层的各种组织间、单相材料的晶粒间或晶界处因化学活性不同而受到不同程度的浸蚀，这种被浸蚀后呈现出的表面高低不平地组织在显微镜下观察时会呈现出明暗衬度，从而达到显示组织结构的目的。
本发明建立了一种快速分析细晶单相涂层结构方法，为涂层和界面性能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。
图2为实施例2浸蚀剂浸蚀后涂层的截面形貌SEM图。
图3为实施例3浸蚀剂浸蚀后涂层的截面形貌SEM图。
图4为实施例4浸蚀剂浸蚀后涂层的截面形貌SEM图。
图5为实施例5浸蚀剂浸蚀后涂层的截面形貌SEM图。
在图1～5中，标尺均为2μm。
【具体实施方式】
实施例1
1.试样制备：(1)热压镶嵌：取样品(厦门金鹭特种合金有限公司提供的Ti∶Al原子比为1∶1的TiAlN硬质涂层刀片)，以酚醛树脂粉末为填料在热压镶嵌机上制成直径30mm的规整试样。(2)研磨抛光：将镶嵌好的试样分别在600M和1200M的金刚石砂轮盘上进行充分的(各5～10min)粗磨和细磨，然后再以金刚石粉末抛光剂为介质在抛光机上进行抛光(时间视抛光效果而定，约8～10min)，每步磨、抛操作之间都对试样进行充分的超声清洗并吹干。
2.浸蚀剂的配制：40％硝酸、20％冰醋酸、20％氢氟酸和20％去离子水。
3.浸蚀操作：浸蚀前，先将试样用去离子水超声清洗1～2min，再以无水乙醇漂洗，热风烘干。在30℃恒温水浴条件下，将试样浸入浸蚀剂中，作用25s后马上取出，用大量清水冲洗，再将试样置于无水乙醇中超声漂洗1～2min，最后以热风烘干，置于干燥器中保存，待镜下观察。
图1为浸蚀后试样的截面形貌，由图1可观察到涂层晶体颗粒的细小棱柱状结构，以及涂层晶体的生长方向。
实施例2
1.试样制备：(1)热压镶嵌：同实施例1。(2)研磨抛光：同实施例1。
2.浸蚀剂的配制：45％硝酸、18％冰醋酸、18％氢氟酸和19％去离子水。
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，浸蚀剂组成中主要成分硝酸的浓度增大，浸蚀时间增加，因此对比实施例1形貌，浸蚀效果得到一定的优化。
实施例3
1.试样制备：(1)热压镶嵌：同实施例1。(2)研磨抛光：同实施例1。
2.浸蚀剂的配制：50％硝酸、17％冰醋酸、17％氢氟酸和16％去离子水。
3.浸蚀操作：同实施例1进行浸蚀，时间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施例1、2相比增高，浸蚀时间延长至30s，观察图像可以发现，浸蚀深度得到了加强，涂层局部颗粒的分界变得更明显。
实施例4
1.试样制备：(1)热压镶嵌：同实施例1。(2)研磨抛光：同实施例1。
2.浸蚀剂的配制：50％硝酸、17％冰醋酸、25％氢氟酸和8％去离子水。
3.浸蚀操作：同实施例1进行浸蚀，浸蚀时间30s。
图4为浸蚀后试样的截面形貌，从图中观察可以发现，硝酸浓度小幅度降低，但是浸蚀深度有一定程度的增加，涂层和基体都有局部的脱落，一些局部的形貌得到了更佳的效果。
实施例5
1.试样制备：(1)热压镶嵌：同实施例1。(2)研磨抛光：同实施例1。
2.浸蚀剂的配制：55％硝酸、17％冰醋酸、20％氢氟酸和8％去离子水。
3.浸蚀操作：同实施例1进行浸蚀，浸蚀时间40s。
图5为浸蚀后试样的截面形貌，从图中观察可以发现，硝酸浓度达到适用范围的上限55％，浸蚀时间也继续有一定程度的延长，通过浸蚀显现的形貌效果也更加明显，但此时要注意合理控制浸蚀时间和浸蚀剂浓度，以免出现过度浸蚀而得到负面效果。