CN101407905B

CN101407905B - 一种多组元涂层的硬质合金切削刀具

Info

Publication number: CN101407905B
Application number: CN2008100319030A
Authority: CN
Inventors: 李佳; 陈利; 王社权; 李屏
Original assignee: Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co Ltd
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2028-07-28
Also published as: CN101407905A

Abstract

本发明公开了一种多组元涂层的硬质合金切削刀具，包括基体和用PVD方法在其上涂覆的涂层，该涂层包括一层涂覆于基体上的基底结合层和一层涂覆于基底结合层上的包含纳米晶/非晶组成的复合混晶结构层，基底结合层至少包含一层Ti基金属层，而Ti基金属层至少含有Al、Si、IVB族、VB族、VIB族金属元素中的一种；复合混晶结构层的元素构成为Ti_1-a-b-cAl_aM_bSi_cN，其中M为金属元素Ta、Nb、Zr、Cr、Hf、W中的一种或多种。本发明的硬质合金切削刀具具有高耐磨性、高强度、耐高温、抗冲击且被覆涂层与基体结合性好等优点。

Description

一种多组元涂层的硬质合金切削刀具

技术领域

本发明涉及一种带涂层的硬质合金切削刀具，尤其涉及一种用物理气相沉积方法(PVD)涂覆的多组元涂层硬质合金切削刀具。

背景技术

众所周知采用PVD涂层方法在刀具表面上涂覆一层薄的金属氧化物、碳化物或氮化物可以极大的提高刀具的耐磨损性能和使用寿命，TiN、TiCN及TiAlN系列涂层是目前商业化的切削工具PVD涂层中应用最为广泛的几种。随着切削技术的发展及被加工材料要求，对切削刀具涂层提出了更加苛刻的要求。近年来，许多研究都报道了在上述传统的涂层中添加其它元素，如Cr，Zr，V，Mo，Ta，Nb，W，Si，B，Hf等，涂层的性能会进一步提升，特别是现在的多层涂层技术、梯度涂层技术及纳米多层膜技术的发展，极大地提高了传统涂层的使用性能和应用领域。提高PVD涂层硬度、韧性及耐高温性能一直成为从事刀具涂层研究工作者所追求的目标。在PVD涂层中添加Si元素已被认为是一种十分有效的提高涂层性能的方法和手段。

中国专利文献CN1820880A介绍了一种适用于硬质合金的TiAlSiN材料涂层，涂层包括上部层和下部层，上部层由交替层叠结构的[Ti_1-(A+B)Al_ASi_B]N和[Ti_1-(C+D)Al_CSi_D]N构成，下部层为单一相结构的(Ti，Al，Si)N涂层。

中国专利文献CN101077645A介绍了一种适用于立方氮化硼的TiAlSiN材料涂层，涂层包括上部层和下部层，上部层由交替层叠结构的[Ti_1-(A+B)Al_ASi_B]N和TiN构成，下部层为单一相结构的(Ti，Al，Si)N涂层。

中国专利文献CN101048528A介绍了一种Al_1-a-b-c-dCr_aX_bSi_cB_dZ的AlCr基金属氮化物涂层，提到在AlCrN中添加Nb、Mo和W元素，产生了有利的强化效果，此外添加准金属Si或B也能产生类似效果，所述的准金属能形成共价键合的氮化物，并产生包围AlCrN微晶的单独的非晶或半结晶相，使得硬度进一步提高。

中国专利文献CN1898406A和国际申请专利文献WO2006041366A1介绍了一种至少包含MX/LX/MX/LX层状多层结构的涂层，其中交替层MX和LX为氮化物或碳氮化物，且元素M和L选至Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、Al、Si或W及其混合物组成，整个多层结构中基本上是非周期结构的，并且MX和LX层中至少一种是电绝缘的。

欧洲专利文献EP1422311A2介绍了一种采用电弧离子镀方法制备的涂层，涂层的金属组分为Al_xCr_1-x-ySi_y，非金属组分N_1-α-β-γB_αC_βO_γ，并且涂层晶界的氧含量高于晶内，利于阻止外部氧元素向晶内扩散。

美国专利US7150925介绍了一种适用于高速切削的涂层，该涂层由两层组成，包括一层0.05～0.5μm碳氮化物优选(Ti_1-x，Al_x)(C_1-yN_y)的晶体取向滞后层和一层2～15μm优选(Ti_1-(A+B)Al_ASi_B)N的硬质层。

目前的许多研究还报道了fcc-(Ti，Al，Si)N单相涂层及其多层叠层结构的涂层，例如美国专利US7348074就介绍了一种fcc-(Cr，Al，Si)N基多叠层涂层，该涂层至少包含一层(Al_1-yCr_y)X层和/或(Ti_1-zSi_z)层，X为N，C，B，CN，BN，CBN，NO，CO，BO，CNO，BNO，CBNO，优选为N，CN；另外该涂层还至少包括一层由(Al_1-yCr_y)X和(Ti_1-zSi_z)X交替叠层结构组成的硬质层。但由于在高温条件下多层膜层间扩散和层内扩散影响到了涂层的热稳定性能，切削性能恶化。

美国专利US7354640介绍了一种涂层，包含Si、Al、B和至少一种4a、5a、6a过渡族金属元素，以及C、N、O至少其中之一的非金属元素。该涂层为柱状晶结构，柱状晶内包含多层不同Si含量的多组元涂层，这种多层涂层间的界面层上晶格条纹是连续的，并且每一层的厚度为0.1～100nm。

众所周知在目前的TiAlN系列涂层中，由于切削加工中的高温氧化作用，Al元素选择性优先向涂层表面迁移形成Al₂O₃，Al元素起到了耐热和抗氧化效果，而Ti元素则是涂层韧性的保证。在涂层中添加Si元素能够同时提高涂层的硬度和抗高温性能，上述已公开的专利文献中基本以交替沉积的含Si元素的多层膜为基础，如CN1820880A、CN101077645A及US7150925等公开了(Ti，Al，Si)N基叠层结构涂层，但直接在基体表面沉积(Ti，Al，Si)N或(Ti，Al)(C，N)硬质层与基体的结合力不好；传统的氮化物或碳氮化物过渡层韧性差，效果不够理想，而纯金属Ti过渡层韧性好，但是高温下容易软化，影响了与硬质涂层的结合效果；而专利文献CN101048528A和EP1422311A2等介绍了AlCrSiN基涂层，中国专利文献CN101048528A中提到在AlCrN中添加准金属Si或B，所述的准金属能形成共价键合的氮化物，并产生包围(Cr，Al)N微晶的单独的非晶或半结晶相，使得硬度进一步提高，但由于涂层中不含Ti或含Ti含量较低，涂层的韧性不好，这些对于涂层刀具的使用性能都是不利的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高耐磨性、高强度、耐高温、抗冲击且被覆涂层与基体结合性好的多组元涂层的硬质合金切削刀具。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种多组元涂层的硬质合金切削刀具，包括基体和用PVD方法在其上涂覆的涂层，所述涂层包括一层涂覆于基体上的基底结合层和一层涂覆于基底结合层上的包含纳米晶/非晶组成的复合混晶结构层，其特征在于：所述基底结合层至少包含一层Ti基金属层，所述Ti基金属层至少含有Al、Si、IVB族、VB族、VIB族金属元素(按元素周期表中的排列位置)中的一种；所述复合混晶结构层的元素构成为Ti_1-a-b-cAl_aM_bSi_cN，其中0.1≤a≤0.65，0≤b≤0.2，0.02≤c≤0.18且a+b+c≤0.8，M为金属元素Ta、Nb、Zr、Cr、Hf、W中的一种或多种。

上述技术方案中，所述Ti基金属层中Ti元素的原子百分比含量不低于30％。

上述技术方案中，所述基底结合层的厚度为5～300nm。如果厚度太厚，则容易高温软化；厚度太薄，则在基体与硬质涂层间起不到好的结合效果。

上述技术方案中，所述包含纳米晶/非晶组成的复合混晶结构层是指该复合混晶结构层包含有面心立方结构的(Ti，Al，M)N纳米晶相和非晶结构的Si₃N₄相。所述复合混晶结构层的厚度为0.5～12μm，优选为1～8μm。如果Si元素以亚稳状态处于(Ti，Al，M)N纳米晶相晶体内，会增大涂层应力，对涂层韧性及涂层与基体结合力会产生消极影响；而本发明的Si元素主要以非晶结构的Si₃N₄相形式存在，所述的Si₃N₄相包覆于(Ti，Al，M)N纳米晶相的晶界处，形成网状骨架结构。该网状骨架结构的Si₃N₄相层的平均厚度为0.5～2nm。所述(Ti，Al，M)N纳米晶相的晶粒尺寸为3～35nm。

上述本发明的硬质合金切削刀具提出了一种新的基底结合层的设计方式，采用至少含有Al、Si、IVB族、VB族、VIB族金属元素中一种元素的Ti基合金靶作为基底结合层涂层源，沉积一层至少含有Al、Si、IVB族、VB族、VIB族金属元素中一种元素的Ti基金属层，克服了传统的氮化物或碳氮化物过渡层韧性差、效果不够理想的缺点；与纯金属Ti过渡层相比，本发明结合层在Ti基合金中增加了Al、Si、IVB族、VB族、VIB族金属元素中的一种或多种，形成了共价化合物弥散强化粒子或固溶体，提高了结合层的剪切强度与抗高温蠕变性能。该Ti基金属层中，Ti元素的原子百分比含量不低于30％，且基底结合层厚度控制在5～300nm，这样既能保持该层具有足够的强度，也不会导致韧性的显著下降。

上述本发明的硬质合金切削刀具还提出了一种新的纳米晶/非晶组成的复合混晶结构层的设计方式。众所周知，TiN是第一代PVD涂层，研究表明在fcc(面心立方)-TiN晶胞中固容引入Al元素形成fcc-(Ti，Al)N，能够同时提高涂层的硬度和抗氧化性能，但是当Al元素的原子百分比含量超过70％以上，涂层会发生fcc结构向hcp(密排六方)结构的转变，涂层性能会严重恶化，因此本发明的复合混晶结构层中Al元素的原子百分比含量设计在65％以下。Al元素含量影响涂层耐热性及抗氧化性，而Ti元素则是涂层韧性的保证。新近的研究表明，在fcc-(Ti，Al)N涂层中添加Si元素能够进一步提高涂层的硬度和耐热性能，而本发明正是在上述研究基础上采用多靶沉积技术，在相对较高的涂层温度400～800℃条件下沉积多组元Ti_1-a-b-cAl_aM_bSi_cN涂层。Si元素不溶于fcc-(Ti，Al)N晶胞，但是在PVD沉积中由于高能粒子作用可能使得Si元素植入(Ti，Al)N晶胞，形成fcc-(Ti，Al，Si)N亚稳结构。本发明涂层选取相对较高的涂层温度，使得Si元素能够充分在fcc-(Ti，Al，M)N晶内和晶界迁移，即使暂时植入(Ti，Al，M)N晶胞的Si元素也能够迅速向晶界迁移，从而形成非晶结构的Si₃N₄相，包覆在纳米晶fcc-(Ti，Al，M)N晶界，形成网状骨架结构(见图2)。本发明的XPS分析结果证实了本发明产品中fcc-(Ti，Al)N和非晶Si₃N₄两相的存在(见图3)。这种独特的非晶Si₃N₄相包覆纳米晶fcc-(Ti，Al)N的网状骨架结构，能够抑制涂层沉积过程中的晶粒长大，并且位错难以在(Ti，Al)N纳米晶内部形成，即使形成也难以穿过纳米晶之间的非晶薄层，从而大大提高涂层的硬度和弹性模量，此外还能在高温条件下抑制涂层晶界的扩散和迁移，保持优异的耐热性，并且Si₃N₄具有比(Ti，Al)N更高的抗氧化性能，可以进一步制止氧原子向涂层晶界和晶内的扩散，提高涂层的抗氧化性能。根据上述对各元素特点分析及实际试验的效果，该层Ti_1-a-b-cAl_aM_bSi_cN成分设计为0.1≤a≤0.65，0≤b≤0.2，0.02≤c≤0.18，a+b+c≤0.8。

由上可见，本发明通过采用PVD技术，首先在基体与硬质涂层之间沉积一层至少含有Al、Si、IVB族、VB族、VIB族金属元素中一种元素的Ti基金属层作为基底结合层，然后通过多靶沉积方式在相对较高的涂层温度条件下沉积纳米晶/非晶组成的复合混晶结构层作为硬质涂层，本发明对涂层的结构和组分设计(图1所示)，不仅提高了刀具的强度和韧性，而且提高了刀具的耐磨性和抗氧化性；而且本发明刀具上涂覆的涂层，其与基体的结合性能良好，延长了刀具的使用寿命。本发明刀具的涂层具有较高的涂层硬度和抗氧化性能，适用于硬质合金可更换刀片及整体硬质合金钻头、立铣刀产品，同时也可以应用于TiCN基金属陶瓷、非金属陶瓷及立方氮化硼等切削刀具材料。

附图说明

图1为本发明刀具涂层的构造示意图，其中1——纳米晶/非晶组成的复合混晶结构层，2——基底结合层，3——基体；

图2为复合混晶结构层的结构示意图；

图3为本发明涂层的XPS图谱：其中(a)图为N1s键的键能曲线；(b)图为Si2p3键的键能曲线；

图4为本发明涂层与传统(Ti，Al)N涂层的XRD衍射图谱对比图；

图5(a)为Jade软件分析的实施例2所述涂层沉积态下的XRD衍射图谱，图5(b)为Jade软件分析的实施例2所述涂层在1100℃退火时的XRD衍射图谱；

图6(a)为Jade软件分析的实施例3-1所述涂层沉积态下的XRD衍射图谱，图6(b)为Jade软件分析的实施例3-1所述涂层在900℃退火时的XRD衍射图谱，图6(c)为Jade软件分析的实施例3-1所述涂层在1100℃退火时的XRD衍射图谱。

具体实施方式

下述各实施例中的多组元涂层的硬质合金切削刀具可以采用以下方法制备：首先根据现有的粉末冶金技术制作硬质合金基本胚料，并经过后期的磨削加工制备得到特定形状的刀具基体，然后根据各个产品的要求采用多种不同成分的合金靶材作为涂层源，采用真空电弧涂层技术首先在刀具基体表面沉积一层'基金属的基底结合层，然后以N₂气作为反应气体在基底结合层上再沉积一层纳米晶/非晶组成的复合混晶结构层，最终形成所述涂层；涂层制备具体的沉积工艺参数如下：

基底结合层沉积：基体温度：250～650℃

基体负偏电压：50～200V

单个阴极电流：80～150A

基座转速：1～5rpm

复合混晶结构层沉积：基体温度：400～800℃

基体负偏电压：20～180V

单个阴极电流：100～250A

N₂气压力：0.5～5Pa

基座转速：1～5rpm。

实施例1：

一种本发明的涂层刀片，刀片型号为CNMG120408型标准刀片，其基体为硬质合金，包括重量百分比为10％的Co，0.5％的TaC，0.5％的Cr₂C₃，余量为粒度0.8μm的WC；刀片涂层的基本参数如表一所示。

对比刀片1和2与本实施例1的涂层刀片具有相同的型号及相同组分的硬质合金基体，其涂层为TiAlN涂层，涂层基本参数见表一。

表一：实施例1的刀片涂层及对比涂层的参数

上述三种刀片的切削条件和加工参数如下：

加工材料为1Cr18Ni9Ti；

加工方式为外圆车削；

切削速度Vc＝120m/min；

切削深度ap＝1.0mm；

每转进给量f＝0.2mm/r；

冷却方式：水性冷却液；

产品寿命的标准为：后刀面磨损量Vb超过0.2mm，或者沟槽磨损超过1mm。

试验结果如下：

本实施例涂层刀片寿命为72min；对比刀片1寿命为56min；对比刀片2寿命为59min。该条件下，本实施例涂层刀片的寿命较现有技术提高了20％以上。

实施例2：

一种本发明的涂层刀片，刀片型号为SEET12T3型标准刀片，其基体为硬质合金，包括重量百分比为10％的Co，1％的TaC，余量为粒度3μm的WC；刀片涂层的基本参数如表二所示。

对比刀片3与本实施例2的涂层刀片具有相同的型号及相同组分的硬质合金基体，其涂层为TiAlN涂层，基本参数见表二。

表二：实施例2的刀片涂层及对比涂层的参数

上述两种刀片的切削条件和加工参数如下：

加工材料为1Cr18Ni9Ti；

加工方式为平面铣削；

切削速度Vc＝200m/min；

切削深度ap＝1.0mm；

切削宽度ae＝30mm；

每齿进给量f＝0.2mm/r；

冷却方式：水性冷却液；

产品寿命的标准为：后刀面磨损量Vb超过0.2mm，或者刃部发生崩缺。

试验结果如下：

本实施例涂层刀片寿命为60min；对比刀片3寿命为45min。该条件下，本实施例涂层刀片的寿命较现有技术提高了30％以上。

图4为本实施例所述涂层刀片的XRD图谱，相比于普通TiAlN涂层，本发明涂层(200)晶面(晶面取向)衍射峰明显宽化，表明涂层晶粒得到细化。图5(a)和图5(b)为采用Jade软件对涂层(200)衍射峰进行分析，并基于半高宽原理计算涂层的平均晶粒尺寸，本实施例的涂层在1100℃条件下退火前后，涂层晶粒保持在18nm左右，未发生明显长大，表明了该涂层的热稳定温度大于1100℃。

实施例3：

一种本发明的涂层刀具，为直径6mm的标准两刃平头立铣刀，其基体为硬质合金，包括重量百分比为10％的Co，0.5％的Cr₂C₃，余量为粒度0.8μm的WC；分别采用两种不同类型的刀片涂层(3-1、3-2)，基本参数如表三所示。

对比刀具4与本实施例3的涂层刀具具有相同的型号及相同组分的硬质合金基体，其涂层为TiAlN涂层，基本参数见表三。

表三：实施例3的刀具涂层及对比涂层的参数

上述三种刀具的切削条件和加工参数如下：

加工材料为1Cr18Ni9Ti；

加工方式为往复式侧铣；

切削速度Vc＝70m/min；

切削深度ap＝3.0mm；

切削宽度ae＝0.5mm；

每齿进给量f＝0.12mm/r；

冷却方式：压缩空气；

加工时间为180min；

试验结果如下：

本实施例3-1的涂层刀具后刀面磨损量Vb为0.14mm，可继续加工；本实施例3-2的涂层刀具后刀面磨损量Vb为0.12mm，可继续加工；对比刀具4的后刀面磨损量Vb为0.18mm，并且刃部发生了局部崩缺，不可继续加工。该条件下，本实施例涂层刀具较现有技术磨损量小，具有更长的使用寿命。

图6(a)、图6(b)和图6(c)为采用Jade软件对涂层(200)衍射峰进行分析，并基于半高宽原理计算涂层的平均晶粒尺寸，实施例3-1涂层在900℃条件下退火前后，涂层晶粒保持在14nm左右，未发生明显长大，在1100℃条件下退火，涂层晶粒长大至22nm左右，表明了该涂层的热稳定温度介于900～1100℃之间。

实施例4：

一种本发明的涂层刀具，为直径6mm的标准四刃圆角立铣刀，其基体为硬质合金，包括重量百分比为12％的Co，1％的Cr₂C₃和VC，余量为粒度0.4μm的WC；其涂层的基本参数如表四所示。

对比刀具5与本实施例4的涂层刀具具有相同的型号及相同组分的硬质合金基体，其涂层为TiAlN涂层，基本参数见表四。

表四：实施例4的刀具涂层及对比涂层的参数

上述两种刀具的切削条件和加工参数如下：

加工材料为GCr15(HRC55-62)；

加工方式为摆线方式加工键槽；

切削速度Vc＝10000r/min；

切削深度ap＝6.0mm；

切削宽度ae＝0.1mm；

每齿进给量f＝0.2mm/r；

冷却方式：压缩空气；

试验结果如下：

本发明涂层刀具加工90min以后，后刀面磨损量Vb为0.11mm，可继续加工；对比刀具5加工60min以后，后刀面磨损量Vb为0.13mm，并且刃部发生了崩缺，不可继续加工。该条件下，本发明涂层刀具较现有技术磨损量小，具有更长的使用寿命。

Claims

1.一种多组元涂层的硬质合金切削刀具，包括基体和其上涂覆的涂层，所述涂层包括一层涂覆于基体上的基底结合层和一层涂覆于基底结合层上的包含纳米晶/非晶组成的复合混晶结构层，其特征在于：所述基底结合层至少包含一层Ti基金属层，所述Ti基金属层至少含有Al、Si、IVB族、VB族、VIB族金属元素中的一种；所述复合混晶结构层的元素构成为Ti_1-a-b-cAl_aM_bSi_cN，其中0.1≤a≤0.65，0≤b≤0.2，0.02≤c≤0.18且a+b+c≤0.8，M为金属元素Ta、Nb、Zr、Cr、Hf、W中的一种或多种；所述包含纳米晶/非晶组成的复合混晶结构层是指该复合混晶结构层包含有面心立方结构的(Ti，Al，M)N纳米晶相和非晶结构的Si₃N₄相；所述非晶结构的Si₃N₄相包覆在(Ti，Al，M)N纳米晶相的晶界，形成网状骨架结构。

2.根据权利要求1所述的硬质合金切削刀具，其特征在于所述Ti基金属层中Ti元素的原子百分比含量不低于30％。

3.根据权利要求1所述的硬质合金切削刀具，其特征在于所述基底结合层的厚度为5～300nm。

4.根据权利要求1所述的硬质合金切削刀具，其特征在于所述复合混晶结构层的厚度为0.5～12μm。

5.根据权利要求4所述的硬质合金切削刀具，其特征在于所述复合混晶结构层的厚度为1～8μm。

6.根据权利要求1所述的硬质合金切削刀具，其特征在于所述网状骨架结构的Si₃N₄相层的平均厚度为0.5～2nm。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的硬质合金切削刀具，其特征在于所述(Ti，Al，M)N纳米晶相的晶粒尺寸为3～35nm。