CN103286537B - 一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涂层刀具的制备方法，特别是一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法。包括对刀具基体进行的预处理，之后在刀具基体上沉积涂层的步骤，其特征在于：先在刀具基体上开设激光槽，之后在刀具基体上沉积涂层。本发明所制备的涂层刀具的涂层与刀具基体之间的结合强度得到了极大的提升，减缓了涂层刀具在使用过程中受到的切削应力磨损，延长了涂层刀具的使用寿命。

Description

一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法

技术领域

本发明涉及一种涂层刀具的制备方法，特别是一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法。

背景技术

涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物（也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上）而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，涂层刀具的构成减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。

传统的涂层刀具在制备时均是先对刀具基体进行一系列的预处理，然后直接在刀具基体表面沉积涂层，这种方法所制的涂层刀具的涂层与刀具基体之间的结合强度低，容易出现裂纹、破损脱落等缺陷，极大的影响涂层刀具的抗磨性能，缩短了其使用寿命，这就增大了企业的生产成本，缩小了利润空间。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有高抗磨性的涂层刀具的制备方法，本发明所制的涂层刀具能够获得优良的抗磨性能，并能有效延长涂层刀具的使用寿命，所制备的刀具极易适合高强度钢的切削加工。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法，包括对刀具基体进行的预处理，之后在刀具基体上沉积涂层的步骤，先对刀具基体进行镜面加工，然后在刀具基体上开设激光槽，之后在刀具基体上沉积涂层。

本发明在对刀具进行预处理后在刀具基体上开设激光槽，之后进行涂层的沉积，所述的激光槽采用现有的激光打孔技术开设，通过这种方法制得的涂层刀具能够使得涂层与刀具基体之间形成可以相互卡和的结构，而且由激光打孔所开设的激光槽的孔径能够达到微米级别，这样在受到切削应力时，涂层与基体之间除了相互沉积所产生的能够起到保护作用的结合应力外，还会使涂层通过激光槽与刀具基体之间产生一个卡和力，这就使得涂层与刀具基体之间的结合强度得到了极大的提升，有效的减缓了涂层刀具在切削过程中产生的切削磨损，延长了涂层刀具的使用寿命。

作为一种改进，对刀具基体进行预处理后，在刀具基体上开设激光槽，然后对刀具基体进行清洁处理，所述的清洁处理包括清除金属屑、去氧化层、超声清洗、干燥的步骤，之后开始在刀具基体上沉积涂层。

所述在刀具基体上沉积涂层的步骤采用包括物理气相沉积法和化学气相沉积法在内的刀具涂层沉积方法，对于现有技术中在刀具基体上沉积涂层的方法，即本发明既能适用于物理气相沉积法也能适用于化学气相沉积法。

在使用物理气相沉积法时，所述对刀具基体的预处理步骤包括对刀具基体进行的镜面加工、去油、去锈以及在沉积涂层之前对刀具基体进行离子清洗等的步骤。

在使用化学气相沉积法时，所述对刀具基体的预处理步骤包括镜面加工、去油、去锈处理或者镜面加工、去油、去锈、加热处理的步骤。

有益效果：

1.本发明一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法在沉积涂层之前在刀具基体上开设激光槽，之后在进行涂层的沉积，使得涂层与刀具基体之间形成了一个近似卡和的结构，与传统的涂层刀具的制作方法所制得的涂层刀具相比，本发明所制备的涂层刀具的涂层与刀具基体之间的结合强度得到了极大的提升，减缓了涂层刀具在使用过程中受到的切削应力磨损，延长了涂层刀具的使用寿命；

2.在刀具基体上用物理气相沉积法沉积涂层时，利用本发明中开设的激光槽能够使得该过程中由涂层材料电离出的离子能够同时覆盖沉积在刀具基体表面与激光槽内壁上，沉积过程完成后，涂层材料会同时沉积在刀具基体表面和刀具基体上的激光槽内，而且，位于刀具基体上的涂层材料与激光槽内的涂层材料连接成一体状，在激光槽内的部分涂层与激光槽的结合力的作用下，使得涂层整体与刀具基体的结合强度得到了极大的提升，增强了涂层刀具的抗磨性；

3.在刀具基体上采用化学气相沉积法沉积涂层时，利用本发明中开设的激光槽能够使得该过程中处于气态条件下的涂层材料能够同时与刀具基体表面、刀具基体上的激光槽内发生化学反应，沉积过程完成后，涂层材料会同时沉积在刀具基体表面和刀具基体上的激光槽内，而且，位于刀具基体上的涂层材料与激光槽内的涂层材料连接成一体状，在激光槽内的部分涂层与激光槽的结合力的作用下，使得涂层整体与刀具基体的结合强度得到了极大的提升，增强了涂层刀具的抗磨性，能够有效的延长涂层刀具的使用寿命；

4.经试验测定，通过本发明所制备的涂层刀具能够显著的增强涂层与刀具基体的结合强度，从使用情况上来看，经过激光开槽处理后再沉积涂层的刀具在长时间、高强度使用的情况下从开始切削工作到刀具出现裂纹的时间能够得到明显的延长，即本发明能够明显提高涂层与刀具的结合强度，延长涂层刀具的使用寿命；

5.本发明一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法容易实施，且成本低廉，效果好。

附图说明

图1为本发明所制得的涂层刀具的切面结构的放大状态示意图；

图2是本发明所制得的双梯度涂层刀具的切面结构的放大状态示意图；

图3为本发明的磨损实验中单涂层刀具的磨损形貌在万能工具显微镜下的照片；

图4为本发明的磨损实验中单涂层刀具的磨损形貌的局部A的放大照片；

图5为本发明的磨损实验中梯度多涂层刀具的磨损形貌在万能工具显微镜下的照片；

图6为本发明的磨损实验中梯度多涂层刀具的磨损形貌的局部B的放大照片；

图7为本发明的磨损实验中打激光槽梯度多涂层刀具的磨损形貌在万能工具显微镜下的照片；

图8为本发明的磨损实验中打激光槽梯度多涂层刀具的磨损形貌的局部C的放大图；

图9为各组刀具切削高强钢时后刀面磨损量与切削时间的关系图。

图中标记：1、刀具基体，2、涂层，3、多梯度涂层，4、崩碎，5、沟槽磨损，6、片状涂层剥落，7、沟槽磨损，8、大面积涂层脱落部。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法，先对刀具基体进行镜面加工，然后经去油、去锈、离子清洗等预处理，之后在刀具基体上开设激光槽，在将开设激光槽之后残留的金属屑、氧化层等去除后，再对刀具进行超声清洗、离子清洗，待其干燥后，开始在刀具基体上沉积涂层，所制得的涂层刀具，其刀具基体1与涂层2之间的结构如图1所示。

本方法对于刀具涂层加工过程中的所用到的物理气相沉积法与化学气相沉积法均可适用。

当用物理气相沉积法在刀具基体上沉积涂层时，首先采用镜面加工、去油、去锈、离子清洗等预处理手段来处理刀具基体，之后在刀具基体上开设激光槽，然后将开设激光槽过程中产生的金属屑、氧化层等清除干净后，对刀具基体进行超声清洗，待其干燥后再进行离子清洗，之后便可开始在刀具基体上沉积涂层。

当用化学气相沉积法在刀具基体上沉积涂层时，先用常规的镜面加工、去油、去锈、离子清洗等预处理手段来处理刀具基体，之后在刀具基体上开设激光槽，然后将开设激光槽过程中产生的金属屑、氧化层等清除干净后，对刀具基体进行超声清洗，待其干燥后再进行离子清洗，需要对刀具基体加热的可将其加热至适当温度，之后便可开始在刀具基体上沉积涂层。

本发明同样适用于复合双梯度涂层刀具的制备，而且，在制备双梯度涂层刀具或多梯度涂层刀具时，可通过控制激光槽的大小，使得多梯度涂层3在激光槽处形成凹形叠加，其效果如图2所示，如此以来，多个涂层的凹形叠加能够进一步的增强涂层与刀具基体之间、涂层与涂层之间的结合强度，从而达到提高涂层刀具的抗磨性能，延长其使用寿命的效果。

本发明中所述的物理气相沉积法与化学气相沉积法的实施过程及之前所做的预处理均为现有技术，在此不再复述。

由于涂层材料性能的不同，部分涂层材料需要先对刀具基体进行镜面加工，使刀具基体光滑平整，之后再沉积涂层，使得涂层材料与刀具基体之间的结合更为紧密，以提高涂层材料与基体之间的结合强度。本发明对在刀具基体进行镜面加工后直接沉积涂层的方式和对刀具基体进行镜面加工后开设激光槽，之后再沉积涂层两种加工方式进行了对比，发现在进行镜面加工后的刀具基体上先开设激光槽再沉积刀具涂层，所得的涂层刀具的涂层与刀具基体之间的结合强度，比单纯的在进行镜面加工后的刀具基体上沉积涂层所得涂层刀具的涂层与刀具基体之间的结合强度更高。但是，开设激光槽的数量有一定要求，不能太多，一般为开设激光槽的总面积占刀具基体上需沉积涂层的面积的15%-35%，这是因为，当激光槽数量太少时，对于提高涂层与刀具基体的结合强度来说起不到明显的效果，而过多时由于激光槽的存在而导致的涂层与刀具基体之间的拉扯作用反而使得涂层刀具容易破坏；本发明在开设激光槽时，不能破坏基体其余部分已加工好的镜面。

切削磨损实验

1.实验仪器

CA6140卧式车床（沈阳第一机床厂），棒状40Cr高强钢（抗拉强度σ_b=960MPa），切削刀具分别采用：

a.单涂层刀具，采用YT15硬质合金作为刀具基体（质量分数79%WC+15%TiC+6%Co），在对刀具基体进行镜面加工后通过物理气相沉积技术在刀具基体上沉积TiN涂层；

b.梯度多涂层刀具，采用YT15硬质合金作为刀具基体（质量分数79%WC+15%TiC+6%Co），在对刀具基体进行镜面加工后通过物理气相沉积技术在刀具基体上相继沉积Ti过渡层、TiN过渡层、AlTiN过渡涂层和AlTiN最外层涂层）；

c.打激光槽梯度多涂层刀具，先打激光槽，然后沉积多梯度涂层的刀具，采用YT15硬质合金作为刀具基体（质量分数79%WC+15%TiC+6%Co），在对刀具基体进行镜面加工后通过物理气相沉积技术在刀具基体上相继沉积Ti过渡层、TiN过渡层、AlTiN过渡涂层和AlTiN最外层涂层）。

表面先涂Ti过渡层的原因：因为YT15硬质合金本身含有TiC，先涂Ti金属层有利于涂层与硬质合金基体的物理与化学的过渡匹配性，更利于涂层整体的结合。

2.实验步骤

将不同刀具进行分组，a组：单涂层刀具；b组：梯度多涂层刀具；c组：先开设激光槽，然后沉积多梯度涂层的刀具。

刀具性能对比试验：通过大量的切削实验，对比试验选择涂层刀具加工40Cr高强钢较优的切削参数（同样切削效率下涂层刀具寿命相对较高、加工工件精度相对较好的参数）：切削速度v _c=120m/min，进给量f=0.4mm/r，切削深度a _p=2mm，对比试验的切削时间为12min。

刀具寿命试验：在某切削参数试验中，每经过1min，将刀片卸下，利用万能工具显微镜观察后刀面的磨损情况，刀具失效判据为平均后刀面磨损量VB=0.3mm或最大后刀面磨损量VB_max=0.6mm；若前刀面的月牙洼磨损深度KT=0.2mm或是有严重的沟槽磨损同样认为达到了刀具切削寿命。

3.实验结果与讨论分析

图3-图8为上述三组刀具性能对比试验后的刀具磨损形貌图，切削速度v _c=120m/min，进给量f=0.4mm/r，切削深度a _p=2mm；对比试验的切削时间为12min。

图3、图4为单涂层刀具的磨损形貌，刀具的主要磨损包含了沟槽磨损、崩碎和片状涂层剥落，沟槽磨损会引起加工工件的表面质量下降和切削刃的破裂，主要因为涂层的结合力较弱，引起涂层脱落后，硬质合金基体发生氧化后的磨损所致。崩碎主要会引起加工工件的表面质量急速下降，而且会造成刀面的过度磨损，因为在切削的高温高压下，涂层与刀具基体的匹配性变差，涂层的结合强度和自身韧性变差，最终导致崩碎。片状涂层剥落会引起大面积的硬质合金基体出现直接参与切削加工，刀具磨损速度会加快，切削工件表面质量下降。因为在切削的高温高压下，涂层与刀具基体的匹配性变差，涂层的结合强度和自身韧性变差造成的。

图5、图6为梯度多涂层刀具的磨损形貌，从图中可以看出，在切削条件相同的情况下，梯度多涂层刀具的磨损要明显低于多涂层刀具，其主要磨损包括沟槽磨损和涂层脱落。沟槽磨损主要是涂层的结合力较弱，在涂层脱落后，硬质合金基体发生氧化后的磨损所致。从图中可以看出，刀具边缘轮廓还是比较明显，梯度多涂层的结合力要明显好于单涂层刀具，但是在切削高强钢的过程中还是有大面积涂层脱落的现象，所以在切削高强钢等难加工材料时急需要有其他手段来提高涂层的结合力。

图7、图8为打激光槽梯度多涂层刀具的磨损形貌，从图中可以看出，在切削条件相同的情况下，打激光槽梯度多涂层刀具磨损要明显低于前面两类刀具，刀具的边缘轮廓非常明显，涂层没有明显的脱落。由于高强钢本身的抗拉强度非常高，在刀具的前刀面有一定粘结，但是打激光槽梯度多涂层刀具的涂层结合力非常强，刀具前刀面只出现了渐进式涂层磨损，如图8中所示，抗磨性明显强于前面两类刀具，是加工高强钢等难加工材料的更为合理的涂层刀具。

图9为单涂层、梯度多涂层与打激光槽后的梯度多涂层刀具切削高强钢时后刀面磨损量与切削时间的关系，从图中可以看出，相同条件下单涂层的切削寿命为12min，梯度多涂层刀具的切削寿命为15min，而打激光槽后的梯度多涂层刀具的切削寿命为20min，其寿命比单涂层刀具的提高了66.7%，比梯度多涂层刀具提高了33.3%。而且打激光槽梯度多涂层刀具的中间正常磨损时间有10min，明显高于单涂层和梯度多涂层刀具，由于不需要经常换刀，避免了重复定位误差，保证了可以长时间切削难加工材料时的加工精度，极为适合超精密加工的需求。

经测试，上述实验结果同样适用于使用化学气相沉积法制备的涂层刀具，在此不再一一列出。

Claims (8)

1.一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法，包括对刀具基体进行的预处理和在刀具基体上沉积涂层的步骤，其特征在于：在对刀具基体进行预处理后，先对刀具基体进行镜面加工，然后在不破坏刀具基体其余部分镜面的情况下在基体表面开设激光槽，之后在刀具基体上沉积涂层，使涂层材料同时沉积在刀具基体表面和激光槽内，并连接成一体，所述激光槽的孔径是微米级，激光槽在刀具基体上均匀分布，激光槽的开设总面积占刀具基体上需沉积涂层面积的15%-35%。

2.如权利要求1所述的一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法，其特征在于：在刀具基体上开设激光槽后，对刀具基体进行清洁处理，之后开始在刀具基体上沉积涂层。

3.如权利要求1所述的一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述在刀具基体上沉积涂层的步骤采用物理气相沉积法或化学气相沉积法。

4.如权利要求3所述的一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述对刀具基体的预处理步骤包括用于物理气相沉积法的对刀具基体进行的去油、去锈以及在沉积涂层之前对刀具基体进行离子清洗的步骤。

5.如权利要求3所述的一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述对刀具基体的预处理步骤包括用于化学气相沉积法的去油、去锈处理的步骤。

6.如权利要求5所述的一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述对刀具基体的预处理步骤还包括加热处理的步骤。

7.如权利要求2所述的一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述对刀具基体进行的清洁处理包括清除金属屑、去氧化层、超声清洗和干燥的步骤。

8.如权利要求1-7中任一项所述的一种具有高抗磨性涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述在刀具基体上沉积的涂层为复合多梯度涂层。