CN101967623A - 双结构涂层硬质合金刀具 - Google Patents

Abstract

本发明为双结构涂层硬质合刀具，解决已有刀具表面粗糙度高度，耐腐性差，韧性和抗热震性差的问题。硬质合金基体上有中高温连续化学复合涂层，在中高温连续化学复合涂层喷砂处理后覆有采用物理沉积方法沉积的表面TiN涂层。

Description

双结构涂层硬质合金刀具

技术领域：

本发明涉及的是一种陶瓷涂层刀具，具体为：化学涂层(CVD)+物理涂层(PVD)双结构涂层，用于高速高效切削的硬质合金刀具。

技术背景：

硬质涂层是现代制造业的关键技术之一，制造业的技术进步对工具的硬质涂层提出越来越高的要求。切削刀具在切削加工过程中承受极大的机械负荷和热负荷、极易产生磨损、磨耗损伤，致使其使用寿命急剧下降。因此，对切削刀具进行表面改性，提高表面性能，对提高切削刀具寿命极其重要。切削刀具采用表面涂层技术能有效地提高其切削性能和使用寿命，使刀具获得优异的综合性能，从而可大幅度提高机械加工效率。

在硬质涂层的种类和品种方面，随着制造业规模化的发展，现在的单一化合物涂层和多元化合物涂层，如TiN、TiC、CrN、与TiCN、TiAlN等，已经不能满足高速、高效、绿色切削方式对工具硬质涂层提出的苛刻要求，需要硬质涂层在硬度、结合力、抗高温氧化等诸多性能上有进一步的提高。为满足这些要求，发达国家已经投入大量的财力和人力进行涂层方面的研究，并且已经取得了很多成果并进入了市场，在CVD涂层方面，主要是对各种涂层进行组合，形成复合涂层，如TiCN/Al₂O₃、TiCN/TiC/TiN、TiCN/TiC/Al₂O₃、TiCN/Al₂O₃/TiN、TiCN/TiC/Al₂O₃/TiN、TiCN/Al₂O₃/TiCN、TiN，TiC/TiCN/TiN、TiN/TiCN/TiN，但CVD涂层在表面会生成较大颗粒的反应物，这些大颗粒在切削过程中会造成刀具过早失效，同时由于CVD是高温反应，所以不可避免的会产生较高的应力，所以近些年来，特别注重CVD涂层的后处理(美国专利号No.4643620，欧洲专利EP-B-298729，瑞典专利No.9402543-4)，从而大幅提高刀具的切削性能和使用寿命。

在此所指的后处理主要手段为喷砂，它不仅可以去除CVD涂层过程中生成的大颗粒物质，降低涂层表面的粗糙度，还可以喷掉结合力较差的TiN颗粒，同时通过喷砂的振动效应还可以有效降低涂层内应力。为了进一步降低涂层表面的粗糙度并改善涂层表面质量，我们创造性的提出在经过后处理的CVD涂层上再沉积一层PVD-TiN涂层，之后再进行喷砂处理，这样做的好处是：PVD-TiN的颗粒相比CVD-TiN更小，所以其表面更致密，自润滑性更好，增加了对Al₂O₃涂层的保护作用，另外，在对CVD涂层进行喷砂处理后，有可能造成部分结合力较差的TiN颗粒剥落，使下层的Al₂O₃涂层暴露出来，若CVD涂层进行喷砂处理后表面TiN涂层剥落的较多，表面会形成黄黑相间的花纹，影响刀片美观。

发明内容：

本发明的目的是提供一种降低表面粗糙度，提高刀片的耐磨性、韧性、抗热震性能好的双结构涂层硬质合金刀具。

本发明是这样实现的：

本发明双结构涂层硬质合金刀具，硬质合金基体上有中高温连续化学复合涂层，在中高温连续化学复合涂层喷砂处理后覆有采用物理沉积方法沉积的表面TiN涂层。

中高温连续化学复合涂层从最底层到最外层依次为第一TiN层、TiCN层、过渡层、α-Al₂O₃、第二TiN层，第一TiN层为中温涂层，反应温度为850-910℃，涂层厚度为0.5-1.0μm，TiCN为中温涂层，反应温度为850-910℃，涂层厚度为4-10μm，过渡层为高温涂层，过渡层由Ti(C，N，O)或Ti(C，O)组成，反应气体CO₂气体流量百分比在3.5-4％之间，反应温度为1000-1015℃，涂层厚度为0.2-0.4μm，α-Al₂O₃层为高温涂层，反应温度为1000-1015℃，涂层厚度为2-12μm，第2TiN层高温涂层，反应温度为1000-1015℃，涂层厚度为1.0-1.5μm，第2TiN层上为表面TiN涂层。

表面TiN涂层为采用热阴极离子镀膜设备继续沉积的物理涂层，反应温度400-500℃，涂层厚度1.5-2.5μm，对表面TiN涂层作喷砂处理，两次喷砂处理的喷砂压力在1.0-1.2kg/cm²，时间在0.5-1.0min之间。

本发明复合涂层为化学涂层，最底层为中温TiN涂层，即第1TiN层，该层可以有效地阻止刀具在沉积时硬质合金基体发生脱碳的现象，从而提高刀具的抗崩刃能力，增加涂层刀具的抗冲击韧性。

本发明中所述的中温TiCN涂层具有显微组织更为细密，不易出现疏松、孔隙和枝状结晶等优点。因此，涂层后的刀具在性能方面将表现出耐磨性能好，韧性高，抗热震性能好。

本发明中过渡层由Ti(C，N，O)或Ti(C，O)组成，它的存在不但能提高TiCN和α-Al₂O₃涂层之间的结合强度，防止在使用时出现涂层剥离的现象，同时对防止产生非α相的Al₂O₃也有一定的作用。

本发明中α-Al₂O₃，是目前用于涂层材料中抗高温氧化性能最好的材料，它能有效地阻止高温氧化层向其它涂层材料扩散，因此能大幅度的提高涂层刀具在苛刻切削条件下的抗高温氧化性能，在本发明中，通过严格控制反应温度在1000-1015℃之间，确保了所有的Al₂O₃均为α相，且是从过渡层表面晶格不产生畸变的延续生长而成，减少了涂层之间产生的应力和应变，从而提高了涂层之间的结合强度，延长刀具的使用寿命。

本发明表面TiN涂层为物理涂层，虽然硬度不算高，但它具有良好的自润滑性能，不易与被加工材料产生粘附现象，所以多数复合涂层都用TiN作为最外层。此外，TiN涂层呈美丽的金黄色，易于识别，便于用户使用管理。

上述方案所述的喷砂处理为采用220目金刚砂的干喷砂处理，该方法可以有效的降低刀具表面的粗糙度，未经喷砂的CVD涂层表面粗糙度为Ra＝0.52μm，经喷砂处理后涂层表面粗糙度为Ra＝0.32μm，物理涂层后经喷砂处理的涂层表面粗糙度为Ra＝0.21μm，对应的表面形貌如图1-3所示。

本发明的关键在于化学涂层温度的控制和喷砂压力及时间的确定。针对化学涂层，首先要控制最底层中温TiN的生长，必须严格控制反应温度在850-910℃之间，若偏离过多基体很容易产生脱碳相，严重影响刀具的使用寿命；其次，刀具优异的耐磨性和抗高温氧化性主要由α-Al₂O₃提供，但在生长过程中，很容易形成κ-Al₂O₃，所以要严格控制α-Al₂O₃的反应温度在1000-1015℃之间以确保α-Al₂O₃的纯度；第三，过渡层的控制，由于过渡层起到承上启下的作用，起关键作用的α-Al₂O₃也是由过渡层表面的晶格中无畸变的延续生长而成，若过渡层沉积的不好，很容易造成α-Al₂O₃质量下降，降低涂层间的结合强度，所以除了要严格控制反应温度在1000-1015℃之间以外，还必须严格控制反应气体CO₂气体流量百分比在3.5％-4％之间；第四，喷砂压力和喷砂时间的确定，在本发明中，喷砂压力严格控制在1.0-1.2Kg/cm²之间，喷砂时间控制在0.5-1.0min之间，喷砂压力过大，时间过长，容易造成刀尖崩刃，而压力过小，时间过短，又不能起到理想的效果。

本发明中，CVD涂层沉积在WC-Co硬质合金表面上，对CVD涂层经过适当的后处理后在其表面沉积PVD涂层。CVD涂层为中高温连续复合涂层，对CVD涂层表面进行干喷砂处理后采用热阴极离子镀膜机设备沉积物理涂层，涂层之后再对表面进行喷砂处理。本发明所得的双结构涂层硬质合金刀具不仅具有优异的耐磨性和抗高温氧化性，而且由于PVD涂层的存在和适当的涂层后处理工序，使这种双涂层刀具具有较低的应力和摩擦系数，能有效提高刀具的使用寿命。该涂层因为其优异的性能，可广泛应用于高速高效切削领域，也可运用于各行业的工模具及机械零件的表面耐磨处理，具有十分广泛的应用前景，具有极大的应用价值和推广的可能性。

附图说明：

图1为连续化学复合涂层表面未喷砂刃口处形貌。

图2为连续化学复合涂层表面喷砂刃口处形貌。

图3为双结构涂层刃口处形貌。

具体实施方式：

实施例1：

在WC-Co硬质合金基体上沉积中高温连续化学涂层，其结构依次为：中温TiN(0.5μm)+中温TiCN(7μm)+过渡层+高温α-Al₂O₃(4μm)+高温TiN(1.0μm)。

中温-TiN：

反应气体：     H₂、 N₂

气体流量(SLM)：64   38

TiCl₄水浴温度55℃；CH₃CN水浴温度30℃

反应温度：850-910℃

炉内压强：15Kpa

沉积时间：5min

中温-TiCN：

反应气体：      H₂、  N₂   CH₄

气体流量(SLM)： 64    18   2

TiCl₄水浴温度55℃；CH₃CN水浴温度30℃

反应温度：850-910℃

炉内压强：10Kpa

沉积时间：45min

过渡层：Ti(C，N，O)或Ti(C，O)

反应气体：      H₂  CH₄  Ar  CO₂  HCl

气体流量(SLM)： 45  2.5  3   2    3

反应温度：1000-1015℃

炉内压强：10Kpa

沉积时间：10min

α-Al₂O₃：

反应气体：      H₂  Ar   CO₂  HCl  CO

气体流量(SLM)： 55  6.5  4.5  6.5  1.5

反应温度：1000-1015℃

炉内压强：10Kpa

沉积时间：60min

高温-TiN：

反应气体：      H₂、 N₂  Ar

气体流量(SLM)：58    32  10

TiCl₄水浴温度55℃

反应温度：1000-1015℃

炉内压强：大气压

沉积时间：40min

采用220目的金刚砂对涂层表面进行了干喷砂处理，喷压1.0Kg/cm²，时间0.5min。

在喷砂处理后在涂层表面采用热阴极离子镀膜方法沉积一层厚度1.5μm的物理TiN涂层，之后再次用220目金刚砂对涂层表面进行干喷砂处理，喷压1.0Kg/cm²，时间0.5min，物理涂层沉积工艺如下所示：

工件预加热：主弧电流180A，磁线圈电流18A，加入Ar后炉内压强3.4×10^-1Pa，加热时间90min；

刻蚀：主弧电流110A，磁线圈电流8A，加入Ar厚炉内压强2.1×10^-1Pa，偏压200V，刻蚀时间20min；

沉积：主弧电流210A，磁线圈电流28A，加入Ar和N2后炉内压强2.3×10^-1Pa，偏压110V，沉积时间50min。

根据加工60钢时加工工件的数量来测试刀具。切削参数如下：

速率：90m/min

切深：4-8mm

进给量：1.2-2.5mm/转

Claims (3)

1.双结构涂层硬质合金刀具，其特征在于硬质合金基体上有中高温连续化学复合涂层，在中高温连续化学复合涂层喷砂处理后覆有采用物理沉积方法沉积的表面TiN涂层。

2.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于中高温连续化学复合涂层从最底层到最外层依次为第一TiN层、TiCN层、过渡层、α-Al₂O₃、第二TiN层，第一TiN层为中温涂层，反应温度为850-910℃，涂层厚度为0.5-1.0μm，TiCN为中温涂层，反应温度为850-910℃，涂层厚度为4-10μm，过渡层为高温涂层，过渡层由Ti(C，N，O)或Ti(C，O)组成，反应气体CO₂气体流量百分比在3.5-4％之间，反应温度为1000-1015℃，涂层厚度为0.2-0.4μm，α-Al₂O₃层为高温涂层，反应温度为1000-1015℃，涂层厚度为2-12μm，第2TiN层高温涂层，反应温度为1000-1015℃，涂层厚度为1.0-1.5μm，第2TiN层上为表面TiN涂层。

3.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于表面TiN涂层为采用热阴极离子镀膜设备继续沉积的物理涂层，反应温度400-500℃，涂层厚度1.5-2.5μm，对表面TiN涂层作喷砂处理，两次喷砂处理的喷砂压力在1.0-1.2kg/cm²之间，喷砂时间在0.5-1.0mim之间。

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