CN103741117A

CN103741117A - 用于低速重载车削钢、不锈钢的刀具涂层

Info

Publication number: CN103741117A
Application number: CN201310718314.0A
Authority: CN
Inventors: 李洪林; 周彤; 曾祥才; 胡恒宁; 吴春涛; 李波; 薛峰
Original assignee: CHENGDU TOOL RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: CHENGDU TOOL RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2014-04-23

Abstract

本发明为用于低速重载车削钢、不锈钢的刀具涂层，解决已有刀具涂层工艺复杂，而且工艺气体耗费较高的问题。所述的涂层为复合涂层，复合涂层与基体接触的为第一TiN层，依次沉积第一TiC层、第一TiCN、第二TiC、第二TiCN、第二TiN层，第一TiN层的沉积温度880900℃，沉积压力95—101KPa，使用气体为TiCl₄、H₂、N₂、Ar，其中TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度0.5—1um，第一TiC层沉积温度1000—1100℃，沉积压力6kPa—50kPa，使用气体为TiCl₄、H₂、CH₄，TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度0.5—1um，第一TiCN层沉积温度1000—1100℃，沉积压力6kPa—50kPa，使用气体为TiCl₄、H₂、CH₄、N₂、Ar，涂层厚度2—4um，第二TiC层沉积工艺及厚度与第一TiC层完全一致，第二TiCN层沉积工艺及厚度与第一TiCN完全一致。

Description

用于低速重载车削钢、不锈钢的刀具涂层

技术领域：

本发明涉及的是一种采用高温化学气相沉积（CVD）方法制备的多层复合硬质刀具陶瓷涂层，尤其与用于低速重载车削钢、不锈钢领域的刀具涂层。

背景技术：

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。

化学气相沉积分为高温化学气相沉积（HT—CVD）和中温化学气相沉积（MT—CVD）两种。HT—CVD沉积温度大于900℃，主要沉积种类为金属碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物等单层及多层复合涂层。MT—CVD沉积温度低于900℃，于20世纪90年代中期发展成熟，其主要目的就是为了替代HT—TiCN，由于沉积时采用含有C—N原子团的有机化合物，可以在相对较低的温度下以更快的速度制取TiCN，并且MT—TiCN较HT—TiCN相比组织结构更致密，应力也小，所以具有更好的耐磨损性能和韧性，同时，由于温度较低，还会避免产生对涂层刀具产生负面影响的脱碳层,降低涂层刀具的脆性，防止刀具在切削过程中崩碎。MT—CVD方法还可以沉积TiN、TiSiN等涂层，近期也有用MT—CVD方法沉积κ—Al₂O₃和γ— Al₂O₃的报道，但是工艺并不成熟。

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、TiCN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，如早期的TiC/TiN、TiC/TiCN/TiN等，但是随着加工技术和材料技术的不断发展，对涂层的硬度、韧性、耐磨损性能及耐高温氧化等诸多性能提出了更高的要求，因此出现了含有Al₂O₃的复合涂层，如TiCN/Al₂O₃、TiCN/TiC/Al₂O₃、TiCN/Al₂O₃/TiN、TiCN/TiC/Al₂O₃/TiN、TiCN/Al₂O₃/TiCN等，目前这些涂层广泛的应用于钢、不锈钢、铸铁等材料的加工领域。但是，这同样也给我们造成了一个误区，认为凡是含有Al₂O₃的涂层都比不含有Al₂O₃的涂层好用，但事实却并非如此，在低速重载车削钢、不锈钢等易加工材料过程中，由于发热量相对较少，刀片温度相对较低，Al₂O₃优异的耐高温氧化性能根本体现不出来，普通的TiC/TiCN涂层就可以胜任，效果甚至可能更好，此外，为了控制Al₂O₃涂层稳定的成核、生长并获得良好的结合力，需要对HCl、H₂S、CO₂、CO等各种反应气体进行精确控制，不仅时间长、工艺复杂，而且工艺气体耗费较高，

发明内容：

本发明的目的是提供一种工艺简单，耗费较低，使用寿命长的用于低速重载车削钢、不锈钢的刀具涂层。

本发明是这样实现的：

所述的涂层为复合涂层，复合涂层与基体接触的为第一TiN层，依次沉积第一TiC层、第一TiCN、第二TiC、第二TiCN、第二TiN层，第一TiN层的沉积温度880—900℃，沉积压力95—101KPa，使用气体为TiCl₄、H₂、N₂、Ar，其中TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度0.5—1um，反应方程式如下：

2TiCl₄+ N₂+ 4H₂→ 2TiN + 2HCl

第一TiC层沉积温度1000—1100℃，沉积压力6kPa—50kPa，使用气体为TiCl₄、H₂、CH₄，TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度0.5—1um，反应方程式如下：

TiCl₄+ CH4→ TiC + 4HCl

第一TiCN层沉积温度1000—1100℃，沉积压力6kPa—50kPa，使用气体为TiCl₄、H₂、CH₄、N₂、Ar，TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度2—4um，反应方程式如下：

4TiCl₄+ N₂+ 2CH₄ + 4H₂→ 2（TiN + TiC） + 16HCl

第二TiC层沉积工艺及厚度与第一TiC层完全一致，

第二TiCN层沉积工艺及厚度与第一TiCN完全一致，

第二TiN层，可以采用HT—CVD方法沉积，也可以采用MT—CVD方法沉积，主要作用是为了用TiN涂层美丽的金黄色判断刀具刃口的使用情况，便于用户管理，其沉积温度850—1100℃，沉积压力95—101KPa，使用气体为TiCl₄、H₂、N₂、Ar，其中TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度0.5—1um。

所述的涂层在沉积完毕，冷却至室温后，需要进行喷砂处理，砂子使用150—400目的金刚砂，喷砂压力1—3Bar，喷砂时间20—60秒。

基体材料为陶瓷材料或WC—Co基硬质合金材料或钢材料。

本发明中为了避免产生脱碳相，先在基体表面采用MT—CVD方法沉积一层稳定性好的TiN，即第一TiN层，

本发明最外层为第二TiN层，可以采用HT—CVD方法沉积，也可以采用MT—CVD方法沉积，主要作用是为了用TiN涂层美丽的金黄色判断刀具刃口的使用情况，便于用户管理。

本发明所述的涂层在沉积完毕，冷却至室温后，需要进行喷砂处理，砂子使用150—400目的金刚砂，喷砂压力1—3Bar，喷砂时间20—60秒。通过喷砂处理，可以有效改善涂层内部的应力状况，降低涂层表面粗糙度，提高刀具的寿命。

本发明中TiN+TiC+TiCN的结构可以使TiN逐步过渡到TiCN，可以降低涂层应力，增强涂层间的结合力，而使用（TiC+TiCN）+（TiC+TiCN）这样的结构其目的是控制单层TiC和TiCN的晶粒尺寸，防止涂层微观裂纹的产生。

本发明工艺简单，耗费较低，使用寿命长。本发明切削距离1238m，正常磨损0.09mm。而用于对比的已有涂层刀具切削距离214m，刀尖崩碎。

附图说明：

图1 本发明涂层的结构

图2 未沉积第一层TiN的涂层金相照片及脱碳相（基体附近的黑点）

图3 本发明涂层的金相照片

图4 未经喷砂的涂层扫描电镜图像

图5 本发明涂层的扫描电镜图像

具体实施方式：

实施例：

用于实现本发明所述的涂层的设备为可进行中、高温连续沉积的化学气相沉积炉，适用于本发明的基体材料为TiCN、Al₂O₃、Si₃N₄等陶瓷材料、WC—Co基硬质合金材料及钢材料。

本发明所述的涂层与基体接触的为第一层，依次沉积第二层至最外层。涂层结构为及成分为：TiN（第一层）+TiC+TiCN+TiC+TiCN+TiN（最外层）（如图1、3所示）。

本发明中为了避免产生脱碳相，先在基体表面采用MT—CVD方法沉积一层稳定性好的TiN，即第一层TiN，（未沉积该层的涂层及脱碳相如图2所示）沉积温度880—900℃，沉积压力95—101KPa，使用气体为TiCl₄、H₂、N₂、Ar，其中TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度0.5—1um。反应方程式如下：

2TiCl₄+ N₂+ 4H₂→ 2TiN + 2HCl

本发明第二层为TiC涂层，采用HT—CVD方法沉积，沉积温度1000—1100℃，沉积压力6kPa—50kPa，使用气体为TiCl₄、H₂、CH₄，TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度0.5—1um。反应方程式如下：

TiCl₄+ CH4→ TiC + 4HCl

本发明第三层为TiCN涂层，采用HT—CVD方法沉积，沉积温度1000—1100℃，沉积压力6kPa—50kPa，使用气体为TiCl₄、H₂、CH₄、N₂、Ar，TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度2—4um。反应方程式如下：

4TiCl₄+ N₂+ 2CH₄ + 4H₂→ 2（TiN + TiC） + 16HCl

本发明第四层为TiC涂层，采用HT—CVD方法沉积，沉积工艺及厚度与第二层TiC完全一致。

本发明第五层为TiCN涂层，采用HT—CVD方法沉积，沉积工艺及厚度与第三层TiCN完全一致。

本发明最外层为TiN涂层，可以采用HT—CVD方法沉积，也可以采用MT—CVD方法沉积，主要作用是为了用TiN涂层美丽的金黄色判断刀具刃口的使用情况，便于用户管理，其沉积温度850—1100℃，沉积压力95—101KPa，使用气体为TiCl₄、H₂、N₂、Ar，其中TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度0.5—1um。

本发明所述的涂层在沉积完毕，冷却至室温后，需要进行喷砂处理，砂子使用150—400目的金刚砂，喷砂压力1—3Bar，喷砂时间20—60秒。通过喷砂处理，可以有效改善涂层内部的应力状况，降低涂层表面粗糙度（如图4、5所示），提高刀具的寿命。

选用硬质合金刀具B8N2—3H作为基体，刀片经清洗清洗、纯净水漂洗、酒精漂洗、烘干等清洗步骤后，置于专用卡具装入涂层炉中，升温到位后进行涂层的沉积。其中一片按照本发明的方法进行沉积，另一片没有本发明中的第一层TiN，其他涂层工艺及结构与本发明完全相同，TiC和TiCN厚度均为2um，最外层TiN厚度0.5um，喷砂处理后进行切削对比，喷砂处理的砂子使用220目的金刚砂，喷砂压力2Bar，喷砂时间60秒。涂层工艺参数如下表：

切削参数：

切削方式：干式带槽车削

被加工材料：40Cr钢件

切深ap：0.5mm

切削速度：150m/min

进给量f：0.2mm/r

切削结果：本发明涂层刀具切削距离1238m，正常磨损0.09mm用于对比的涂层刀具切削距离214m，刀尖崩碎。

Claims

1.用于低速重载车削钢、不锈钢的刀具涂层，其特征在于所述的涂层为复合涂层，复合涂层与基体接触的为第一TiN层，依次沉积第一TiC层、第一TiCN、第二TiC、第二TiCN、第二TiN层，第一TiN层的沉积温度880—900℃，沉积压力95—101KPa，使用气体为TiCl₄、H₂、N₂、Ar，其中TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度0.5—1um，第一TiC层沉积温度1000—1100℃，沉积压力6kPa—50kPa，使用气体为TiCl₄、H₂、CH₄，TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度0.5—1um，第一TiCN层沉积温度1000—1100℃，沉积压力6kPa—50kPa，使用气体为TiCl₄、H₂、CH₄、N₂、Ar，TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度2—4um，第二TiC层沉积工艺及厚度与第一TiC层完全一致，第二TiCN层沉积工艺及厚度与第一TiCN完全一致，第二TiN层，可以采用HT—CVD方法沉积，也可以采用MT—CVD方法沉积，主要作用是为了用TiN涂层美丽的金黄色判断刀具刃口的使用情况，便于用户管理，其沉积温度850—1100℃，沉积压力95—101KPa，使用气体为TiCl₄、H₂、N₂、Ar，其中TiCl₄用载H₂带入反应炉中，TiCl₄水温45—48℃，涂层厚度0.5—1um。

2.根据权利要求1所述的用于低速重载车削钢、不锈钢的刀具涂层，其特征在于所述的涂层在沉积完毕，冷却至室温后，需要进行喷砂处理，砂子使用150—400目的金刚砂，喷砂压力1—3Bar，喷砂时间20—60秒。

3.根据权利要求1所述的用于低速重载车削钢、不锈钢的刀具涂层，其特征在于基体材料为陶瓷材料或WC—Co基硬质合金材料或钢材料。