CN104400024A - AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片及其制备方法 - Google Patents

AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片及其制备方法，涉及涂层刀片及其制备方法技术领域，所述车削刀片包括刀片基体，在刀片基体的表面上自里向外依次设有Ti连接层、TiN梯度过渡层、AlZrTiN梯度过渡层、AlZrTiN外耐磨层和TiN梯度过渡外润滑层，所述AlZrTiN梯度过渡层内自里向外Al、Zr和N元素的含量逐渐增加，TiN梯度过渡外润滑层内自里向外Ti元素的含量逐渐增加。制备过程为：先将刀片基体进行清洗，再将刀片基体与所需靶材放入磁控溅射镀膜机的真空室内进行镀膜完成。本发明的多涂层车削刀片中涂层与刀片基体、涂层与涂层之间的结合强度高，涂层内应力低，具有优良的耐磨性能和综合的机械性能。

Description

AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片及其制备方法
技术领域
本发明涉及涂层刀片及其制备方法技术领域，具体涉及一种AlZrTiN复合多梯度多涂层的车削刀片及其制备方法。
背景技术
在装备制造业中，切削加工占主导地位，而高速、高精度加工是高效切削加工的发展方向。高端数控设备和刀具是实现高效加工不可或缺的加工工具，其中，刀具在高速、高效加工中起最主要的作用。涂层刀具在刀具基体上涂覆有涂层，由于涂层具有较高的耐热性、硬度和耐磨性，而刀具基体则具有较高的强度和韧性，两者结合起来使得涂层刀具具有优良的综合机械性能，因此涂层刀具在实际生产中的应用非常广泛。
由于目前常用的PVD涂层制备工艺的处理温度较低，因此涂层与刀具基体、涂层与涂层之间的界面结合强度较低，使涂层厚度受到了限制，同时使涂层在切削负荷的作用下很快因开裂和剥落而失效，涂层与刀具基体的性能差异较大，涂层内易形成较大的残余应力，导致刀具在高效切削难加工材料的强负荷作用下，易产生微裂纹。
发明内容
本发明的目的是提供一种AlZrTiN复合多梯度多涂层的车削刀片及其制备方法，以提高涂层与刀片基体、涂层与涂层之间的结合强度，降低涂层内应力，同时使刀片在切削难加工材料时实现减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片，包括刀片基体，在刀片基体的表面上自里向外依次设有Ti连接层、TiN梯度过渡层、AlZrTiN梯度过渡层、AlZrTiN外耐磨层和TiN梯度过渡外润滑层，所述AlZrTiN梯度过渡层内自里向外Al、Zr和N元素的含量逐渐增加，TiN梯度过渡外润滑层内自里向外Ti元素的含量逐渐增加。
所述刀片基体为硬质合金材质。
所述的AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片的制备方法：先对刀片基体进行清洗，再将刀片基体与所需靶材放入镀膜机的真空室内进行镀膜，镀膜工艺步骤如下：
（1）、Ti连接层镀膜阶段：真空室抽真空后，通入Ar气，使真空室内Ar气的气体分压为0.4~0.6Pa，刀片基体两端偏压调为100~250V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，镀膜时间为3.5~4.5min；
（2）、TiN梯度过渡层镀膜阶段：向真空室内通入N2，并调整Ar气的通入量，使N2与Ar气的分压比为1.5：1，真空室内的气压为0.4~0.6Pa，刀片基体两端偏压调为100V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使Al靶电流自此镀膜阶段开始至结束从0.4A逐渐增加至1A，Zr靶电流自此镀膜阶段开始至结束从0.2A逐渐增加至1A，镀膜时间为7.5~8.5min；
（3）、AlZrTiN梯度过渡层镀膜阶段：调整N2和Ar气的通入量，使N2与Ar气的分压比为1：1，真空室内的气压为0.4~0.6Pa，刀片基体两端偏压保持100V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使Al靶电流和Zr靶电流自此镀膜阶段开始至结束均从1A逐渐增加至25A，同时使N2与Ar气的分压比自此镀膜阶段开始至结束从1：1逐渐增加至1.5：1，镀膜时间为14.5~15.5min；
（4）、AlZrTiN外耐磨层镀膜阶段：将真空室内的气压调整为0.4~0.6Pa，刀片基体两端偏压保持100V，N2与Ar气的分压比调整为1：1，开启并保持Ti靶电流为15A，Al靶电流为25A，Zr靶电流为25A，镀膜时间为55.5~60.5min；
（5）、TiN梯度过渡外润滑层镀膜阶段：使真空室内的气压保持为0.4~0.6Pa，刀片基体两端偏压保持100V，N2与Ar气的分压比保持为1：1，开启Ti靶电流并使其自该镀膜阶段开始至结束从15A逐渐增加至25A，镀膜时间为120min。
有益效果：本发明刀片表面的AlZrTiN涂层具有5层结构，层与层之间为梯度过渡结合，这样整个涂层与刀片基体之间能够形成强的结合界面，提高整个涂层与刀片基体的结合强度。TiN梯度过渡层内含有少量的Al和Zr，AlZrTiN梯度过渡层内Al、Zr和N的含量逐渐增加，由此，多层梯度过渡结合既使得涂层与刀片基体，更使整个涂层内部都具有高的结合强度，同时降低了涂层的内应力。
本发明的AlZrTiN复合涂层较现有的TiCN、TiA1N等多元复合涂层具有更优良的耐磨性能和综合的机械性能。涂层最外部的TiN梯度过渡外润滑层能够使刀片在切削难加工材料时，除了能够达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的，更重要的是能够配合切削润滑剂中的微纳米颗粒实现TiN梯度过渡外润滑层的原位自修复，进而提高刀片的寿命和减少切削过程中刀片的换刀次数，减少整体工件的重复定位误差，提高大型或精密工件的加工精度。
附图说明
图1为本发明刀片基体的结构示意图。
图中标记为：1、刀体，11、侧面2、安装孔，3、断屑槽，31、槽沿，4、凸起结构，5、凸台。
具体实施方式
如图1所示，本发明的AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片的刀片基体结构为：包括一个横截面为正方形的刀体1，刀体1整体结构为长方体，刀体1具有上、下两个端面和四个侧面11，刀体1的中心设有安装孔2，安装孔2用于将刀片安装到刀柄上，刀体1的上端面设有断屑槽3，断屑槽3由四个纵切面为梯形的槽沿31围成，所述的四个槽沿31分别与刀体1的四个侧面11相对应，槽沿31顶面的宽度小于底面的宽度，相邻的两个槽沿31的外侧面之间通过弧面过渡连接，此弧面设计能够进一步强化刀尖的抗疲劳和抗冲击性能，所述槽沿31的内侧面由槽沿31的顶面向断屑槽3内部倾斜，槽沿31的外侧面由槽沿31的顶面向断屑槽3外部倾斜，槽沿31外侧面的底端与刀体1的侧面11相接，所述安装孔2位于断屑槽3的中心位置。
所述刀体1整体的横截面的尺寸为16mm×16mm，断屑槽3槽底正方形的尺寸设计为8mm×8mm。槽沿31顶面的宽度为1.5mm，槽沿31内侧面的倾斜角度为35°，外侧面的倾斜角度为35°~45°。槽沿31顶面的宽度为1.5mm，内侧面的倾斜角度为35°，这样能够更进一步提高断屑槽的效果。
所述刀体1相邻的两个侧面11之间通过圆弧面过渡连接。圆弧形切削过渡刃可以使切削刃的有效长度达到最大化，使切削更为顺利、平稳，并且具有一定的自锐特性，同时提高了刀尖的抗冲击破损能力，增强了切削区域抗疲劳性能。
所述槽沿31外侧面的底端与刀体1的侧面11之间通过一个半径为1.5mm的圆弧面过渡连接，此圆弧面设计能够减少切削过程中，工件对刀片尖端的冲击应力，避免切削过程中崩刃情况的发生。
所述断屑槽3的内侧面和外侧面上均设置有多个凸起结构4。凸起结构4可以呈一字排开状或者呈阵列均匀分布，以提高刀片的散热性能。凸起结构4的形状为椭球形、圆形或圆柱形。
为进一步强化刀尖的结构，在相邻的两个槽沿31顶面的相交处设有凸台5，凸台5侧面对应于断屑槽3内部的部分与槽沿31的顶面平齐，凸台5其余部分的侧面为弧形面，该弧形面与所述的相邻两个槽沿31外侧面之间的弧面平滑过渡连接。凸台5侧面的弧形面结构设计更有利于提高刀尖的抗冲击破损能力。凸台5整体还可以设置为圆形或三角形等形状，为了进一步强化刀尖结构，在凸台5上还可以使用激光加工一些微米级微结构和沟槽，这样能够与切削液里的修复颗粒相配合实现强化刀尖结构的切削自修复。
本发明的镀膜工艺中，镀膜机设备采用非平衡闭合场磁控溅射离子镀装置，镀膜工艺中，Ar气是溅射发生的媒体，也是等离子体的主要来源。
实施例1
AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片的制备方法：先对刀片基体进行清洗，再将刀片基体与所需靶材放入镀膜机的真空室内进行镀膜，镀膜工艺步骤如下：
（1）、Ti连接层镀膜阶段：真空室抽真空后，通入Ar气，使真空室内Ar气的气体分压为0.4Pa，刀片基体两端偏压调为100V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，镀膜时间为3.5min；
（2）、TiN梯度过渡层镀膜阶段：向真空室内通入N2，并调整Ar气的通入量，使N2与Ar气的分压比为1.5：1，真空室内的气压为0.4Pa，刀片基体两端偏压调为100V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使Al靶电流自此镀膜阶段开始至结束从0.4A逐渐增加至1A，Zr靶电流自此镀膜阶段开始至结束从0.2A逐渐增加至1A，镀膜时间为7.5min；
（3）、AlZrTiN梯度过渡层镀膜阶段：调整N2和Ar气的通入量，使N2与Ar气的分压比为1：1，真空室内的气压为0.4Pa，刀片基体两端偏压保持100V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使Al靶电流和Zr靶电流自此镀膜阶段开始至结束均从1A逐渐增加至25A，同时使N2与Ar气的分压比自此镀膜阶段开始至结束从1：1逐渐增加至1.5：1，镀膜时间为14.5min；
（4）、AlZrTiN外耐磨层镀膜阶段：将真空室内的气压调整为0.4Pa，刀片基体两端偏压保持100V，N2与Ar气的分压比调整为1：1，开启并保持Ti靶电流为15A，Al靶电流为25A，Zr靶电流为25A，镀膜时间为55.5min；
（5）、TiN梯度过渡外润滑层镀膜阶段：使真空室内的气压保持为0.4Pa，刀片基体两端偏压保持100V，N2与Ar气的分压比保持为1：1，开启Ti靶电流并使其自该镀膜阶段开始至结束从15A逐渐增加至25A，镀膜时间为120min。
实施例2
AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片的制备方法：先对刀片基体进行清洗，再将刀片基体与所需靶材放入镀膜机的真空室内进行镀膜，镀膜工艺步骤如下：
（1）、Ti连接层镀膜阶段：真空室抽真空后，通入Ar气，使真空室内Ar气的气体分压为0.6Pa，刀片基体两端偏压调为250V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，镀膜时间为4.5min；
（2）、TiN梯度过渡层镀膜阶段：向真空室内通入N2，并调整Ar气的通入量，使N2与Ar气的分压比为1.5：1，真空室内的气压为0.6Pa，刀片基体两端偏压调为100V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使Al靶电流自此镀膜阶段开始至结束从0.4A逐渐增加至1A，Zr靶电流自此镀膜阶段开始至结束从0.2A逐渐增加至1A，镀膜时间为8.5min；
（3）、AlZrTiN梯度过渡层镀膜阶段：调整N2和Ar气的通入量，使N2与Ar气的分压比为1：1，真空室内的气压为0.6Pa，刀片基体两端偏压保持100V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使Al靶电流和Zr靶电流自此镀膜阶段开始至结束均从1A逐渐增加至25A，同时使N2与Ar气的分压比自此镀膜阶段开始至结束从1：1逐渐增加至1.5：1，镀膜时间为15.5min；
（4）、AlZrTiN外耐磨层镀膜阶段：将真空室内的气压调整为0.6Pa，刀片基体两端偏压保持100V，N2与Ar气的分压比调整为1：1，开启并保持Ti靶电流为15A，Al靶电流为25A，Zr靶电流为25A，镀膜时间为57.5min min；
（5）、TiN梯度过渡外润滑层镀膜阶段：使真空室内的气压保持为0.6Pa，刀片基体两端偏压保持100V，N2与Ar气的分压比保持为1：1，开启Ti靶电流并使其自该镀膜阶段开始至结束从15A逐渐增加至25A，镀膜时间为120min。
实施例3
AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片的制备方法：先对刀片基体进行清洗，再将刀片基体与所需靶材放入镀膜机的真空室内进行镀膜，镀膜工艺步骤如下：
（1）、Ti连接层镀膜阶段：真空室抽真空后，通入Ar气，使真空室内Ar气的气体分压为0.5Pa，刀片基体两端偏压调为200V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，镀膜时间为4min；
（2）、TiN梯度过渡层镀膜阶段：向真空室内通入N2，并调整Ar气的通入量，使N2与Ar气的分压比为1.5：1，真空室内的气压为0.5Pa，刀片基体两端偏压调为100V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使Al靶电流自此镀膜阶段开始至结束从0.4A逐渐增加至1A，Zr靶电流自此镀膜阶段开始至结束从0.2A逐渐增加至1A，镀膜时间为8min；
（3）、AlZrTiN梯度过渡层镀膜阶段：调整N2和Ar气的通入量，使N2与Ar气的分压比为1：1，真空室内的气压为0.5Pa，刀片基体两端偏压保持100V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使Al靶电流和Zr靶电流在14.5min内均从1A逐渐增加至25A，各靶电流保持稳定后，逐渐增加N2的通入量，14.5min后使N2与Ar气的分压比增加至1.5：1，此时该镀膜阶段完成；
（4）、AlZrTiN外耐磨层镀膜阶段：将真空室内的气压调整为0.5Pa，刀片基体两端偏压保持100V，N2与Ar气的分压比调整为1：1，开启并保持Ti靶电流为15A，Al靶电流为25A，Zr靶电流为25A，镀膜时间为60.5min；
（5）、TiN梯度过渡外润滑层镀膜阶段：使真空室内的气压保持为0.5Pa，刀片基体两端偏压保持100V，N2与Ar气的分压比保持为1：1，开启Ti靶电流并使其自该镀膜阶段开始至结束从15A逐渐增加至25A，镀膜时间为120min。

Claims (3)

1.AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片，其特征在于：包括刀片基体，在刀片基体的表面上自里向外依次设有Ti连接层、TiN梯度过渡层、AlZrTiN梯度过渡层、AlZrTiN外耐磨层和TiN梯度过渡外润滑层，所述AlZrTiN梯度过渡层内自里向外Al、Zr和N元素的含量逐渐增加，TiN梯度过渡外润滑层内自里向外Ti元素的含量逐渐增加。
2.如权利要求1所述的AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片，其特征在于：所述刀片基体为硬质合金材质。
3.如权利要求1所述的AlZrTiN复合多梯度多涂层车削刀片的制备方法，先对刀片基体进行清洗，再将刀片基体与所需靶材放入镀膜机的真空室内进行镀膜，其特征在于：镀膜工艺步骤如下：
（1）、Ti连接层镀膜阶段：真空室抽真空后，通入Ar气，使真空室内Ar气的气体分压为0.4~0.6Pa，刀片基体两端偏压调为100~250V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，镀膜时间为3.5~4.5min；
（2）、TiN梯度过渡层镀膜阶段：向真空室内通入N2，并调整Ar气的通入量，使N2与Ar气的分压比为1.5：1，真空室内的气压为0.4~0.6Pa，刀片基体两端偏压调为100V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使Al靶电流自此镀膜阶段开始至结束从0.4A逐渐增加至1A，Zr靶电流自此镀膜阶段开始至结束从0.2A逐渐增加至1A，镀膜时间为7.5~8.5min；
（3）、AlZrTiN梯度过渡层镀膜阶段：调整N2和Ar气的通入量，使N2与Ar气的分压比为1：1，真空室内的气压为0.4~0.6Pa，刀片基体两端偏压保持100V，然后开启Ti靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使Al靶电流和Zr靶电流自此镀膜阶段开始至结束均从1A逐渐增加至25A，同时使N2与Ar气的分压比自此镀膜阶段开始至结束从1：1逐渐增加至1.5：1，镀膜时间为14.5~15.5min；
（4）、AlZrTiN外耐磨层镀膜阶段：将真空室内的气压调整为0.4~0.6Pa，刀片基体两端偏压保持100V，N2与Ar气的分压比调整为1：1，开启并保持Ti靶电流为15A，Al靶电流为25A，Zr靶电流为25A，镀膜时间为55.5~60.5min；
（5）、TiN梯度过渡外润滑层镀膜阶段：使真空室内的气压保持为0.4~0.6Pa，刀片基体两端偏压保持100V，N2与Ar气的分压比保持为1：1，开启Ti靶电流并使其自该镀膜阶段开始至结束从15A逐渐增加至25A，镀膜时间为120min。
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