CN105965043A - 一种涂覆切削工具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种涂覆切削工具，包括基材和涂覆层，其特征在于，所述涂覆层包括内层PVD层和外层CVD层，所述CVD为至少一层的TiN层或Ti‑B‑N层，或多层TiN层和Ti‑B‑N层交替出现，所述Ti‑B‑N层中B的含量为8～16at％，所述PVD层和CVD层中间有粘结层，所述粘结层为金属碳氮氧化合物，所述TiN或Ti‑B‑N单层结构厚度范围为0.2nm～150nm，本发明所述的涂覆切削工具采用PVD层和CVD层结合的涂覆技术方案，使得涂覆切削工具不但具有良好的韧性，同时具有高耐磨性和优异的涂层附着力，从而具有较长的使用寿命。

Description

一种涂覆切削工具及其制备方法
技术领域
本发明涉及切削技术领域，特别地，涉及是一种涂覆切削工具及其制备方法。
背景技术
金属的现代高生产率的形成切屑加工需要可靠的工具，其具有高的耐磨性、良好的韧性和优异的抗塑性变形性。这可以通过采用涂覆有耐磨涂层的硬质合金(cementedcarbide)工具来实现。所述硬质合金工具通常为紧固在工具夹持器上的可转位刀片形状，但也可以为整体硬质合金钻刀或铣刀的形式。
通常，涂覆切削工具的涂层通过化学气相沉积CVD(Chemical Vapor Deposition)或物理气相沉积PVD(Physical Vapor Deposition)技术来沉积。在有些少数情况下，也使用等离子体辅助的化学气相沉积(PACVD)。CVD涂覆的刀片具有高耐磨性和优异的涂层附着力，而PVD涂覆的刀片在耐磨性和附着力方面表现稍差，但是另一方面具有好得多的韧性。因此，CVD涂覆的刀片优选用于高速车削操作，而PVD涂覆的刀片则用于需要韧性的切削操作如铣削、剖削和钻削，现有技术中涂覆切削工具的涂层附着力和耐磨性都不是很理想，或者制备工艺复杂，例如公开号为CN102091923B公开的多层涂覆切削工具，提供一种更加适用于韧性基材的硬质涂层，但制备工艺较为繁琐，成本较高，不利于批量生产。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种涂覆切削工具，该涂覆切削工具采用PVD层和CVD层结合，并且在中间设有粘结层以及CVD层采用不同叠层交替设置的涂覆技术方案，使得涂覆切削工具不但具有良好的韧性，还有具有高耐磨性和优异的涂层附着力，从而具有较长的使用寿命，以解决上述技术问题。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种涂覆切削工具，包括基材和涂覆层，所述涂覆层包括内层PVD层和外层CVD层，所述CVD为至少一层的TiN层或Ti-B-N层，或多层TiN层和Ti-B-N层交替出现，所述Ti-B-N层中B的含量为8～16at％，所述PVD层和CVD层中间有粘结层，所述粘结层为金属碳氮氧化合物，所述TiN或Ti-B-N单层结构厚度范围为0.2nm～150nm。
所述基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或者高速钢的一种。
所述金属碳氮氧化合物是钛、铪、锆、铬、钛-铝合金、铪-铝合金、锆-铝合金、铬-铝合金以及它们的合金所形成的的碳氮氧化合物，粘结层有效的解决了由于PVD层和CVD层结合时附着力差的问题，从而提高了涂层整体的附着力。
所述PVD层与CVD层的应力比为0.9～2.5，这个范围的应力在保证较佳附着力的同时，能够确保整体涂层的稳定性，涂层的CVD层采用湿式喷砂处理，涂覆后湿式喷砂步骤包括气动地投射液体浆料，以撞击经过预喷砂的涂层方案的所有表面，该涂覆后湿式喷砂步骤将外层中的拉伸应力转换为压缩应力，并且该涂覆后湿式喷砂步骤还使外涂覆层表面平滑，外涂层处于轻微拉伸或压缩状态，在轻微拉伸的情况下，该涂覆后湿式喷砂步骤进一步增大外涂覆层的压缩应力。具体而言，CVD层应力较大且硬度较低，而PVD层应力较小且硬度较高，在这种情况下，PVD层的高硬度性能弥补CVD层的低硬度性能，并且PVD层的小应力性能弥补CVD层的大应力性能，因此，CVD层和PVD层彼此弥补对方的薄弱性能，并且与简单组合CVD层和PVD层的情况相比，该带有粘结层结构的涂层表现出更优异的性能，增加了涂层的稳定性，从而使涂覆切削工具的寿命延长。
所述TiN的厚度为λa，Ti-B-N的厚度为λb，所述1≤λb/λa≤4，比值随远离基材逐渐增大，Ti-B-N具有较好的抗氧化性，而且具有较低程度的导热性，使得其不容易将切削时产生的热量传导到基体材料，不同涂层交替设置提高了整个涂覆切削工具的耐热性，使得涂覆切削工具在连续切削时的耐磨性提高。λb/λa<1，涂层的抗氧化性容易下降，如果λb/λa>5，则会增加叠层裂纹出现的机率。
所述单层结构厚度范围为0.2nm～150nm，单层的厚度的范围有效的抑制了涂层表面裂纹的产生及扩展，并且这个厚度范围在层数事宜的情况下，不会影响切削速度。
所述涂覆层总厚度0.1μm～20μm，本发明中可以通过切割本发明的涂覆切削工具，通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析截面来获得上述各个层面的厚度以及整个涂层的厚度。
一种涂覆切削工具的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)选取基材，并进行清洁；
(2)将PVD层浆料沉积到所述基材上；
(3)将粘结层沉积在PVD层上；
(4)在压力下，通过湿法喷砂将CVD层浆料沉积在粘结层上。
本发明的方法能够应用于所有的普通PVD技术，例如阴极电弧蒸发、磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)、离子镀等，优选使用阴极电弧蒸发或者磁控溅射，所述PVD层浆料是元素Si、Cr、Al和Ti的氮化物。
所述PVD层沉积温度为300～1000℃，PVD沉积的工艺参数具体取决于具体的沉积装备、涂层组成等。
所述CVD层浆料在0.25～0.40Mpa的压力下进行喷砂，在湿式喷砂下持续了6～45秒，湿式喷砂的持续时间随具体湿式喷砂操作而变化，其中目的是为了使涂层间达到最佳应力水平，最佳的持续时间范围是介于约10秒与约18秒之间。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种涂覆切削工具，该涂覆切削工具是采用PVD层和CVD层结合，并且在中间设有粘结层以及CVD层采用不同叠层交替设置的技术方案，所得涂覆切削工具，不但具有良好的韧性，同时具有高耐磨性和优异的涂层附着力，从而具有较长的使用寿命。本发明所述PVD层和CVD层中间设置有粘结层，粘结层有效的解决了由于PVD层和CVD层结合时附着力差的问题，从而提高涂层整体的附着力。
CVD层采用湿式喷砂步骤，除了能够平衡各涂层间的最佳应力水平，还可以使外涂覆层表面平滑，减少涂层表面的摩擦力，使得切削速度进一步增大，提高了加工效率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种涂覆切削工具，选取金属陶瓷作为基材，涂覆层包括内层PVD层和外层CVD层，CVD层为一层的TiN层和一层Ti-B-N，Ti-B-N层中B的含量为9at％，B原子的加入在切削过程中表面氧化形成的硼氧化物，由于熔点较低，可作为润滑剂，抑制已切削材料的附着。PVD层和CVD层中间的粘结层为铪-铝合金碳氮氧化合物，所述TiN层单层结构厚度为15nm，λb/λa＝1，PVD层与CVD层的应力比为1.2，涂覆层总厚度80nm。
一种涂覆切削工具的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)选取金属陶瓷作为基材，并进行清洁；将硬质合金装入阴极电弧离子镀设备中，用氩气对硬质合金表面进行清洁；
(2)将含有元素Si、Cr、Al和Ti的氮化物PVD层浆料沉积到所述基材上，沉积温度为600℃，PVD涂层获得1200MPa的压缩应力；
(3)将钛、铪、锆、铬、钛-铝合金碳氮氧化合物粘结层沉积在PVD层上；
(4)在0.30Mpa的压力下，通过湿法喷砂将CVD层浆料沉积在粘结层上，湿式喷砂下持续了15秒，获得的压缩应力为1000MPa。
实施例2～8的涂覆切削工具具体参数以表格的形式列出，制备方法步骤同实施例1，其他参数具体见表1：
表1：实施例2～8所得涂覆切削工具具体的技术参数
由表1可知，粘结力随着层数增多，逐渐减弱，但是与现有技术中，无粘结层结构的PVD与CVD结合时，附着力8～10N相比，还是增强了很多，从而增强了涂层整体的稳定性，在涂覆层数相同的情况下，可以看出采用铬-铝合金碳氮氧化合物作为粘结层时，附着力较强。当1≤λb/λa≤4，比值随远离基材逐渐增大，Ti-B-N具有较好的抗氧化性，而且具有较低程度的导热性，使得其不容易将切削时产生的热量传导到基体材料，不同涂层交替设置提高了整个涂覆切削工具的耐热性，使得涂覆切削工具在连续切削时的耐磨性提高，同时也间接的增加了涂层的附着力。
钻削试验：
对依照实施例1～8的技术方案所得的涂覆切削工具和现有技术中带有PVD+(Ti，A1)N涂层的市售钻具以及EP1939328A1中公开的TiAlCrSiN多层的涂覆层制成钻具在下述条件下，进行钻削试验，来评价本发明的涂覆切削工具的使用寿命，具体数据件实施例1～8，以及现有技术对比例1、2：
条件：外径7mm钻头，加工材料为SCM440(HRC30)，钻削25mm的盲孔、切削速度90m/min，进给量0.2mm/转，以被加工的尺寸精度超出预定范围之前得到的孔数确定寿命，预定范围2000个，评价结果见表2：
表2：本发明和现有技术中的涂覆切削工具寿命评价对照表
可见，表2表明涂覆层数越多，涂覆工具的寿命越长，层数和寿命基本成正相比例增长，因此，加工的孔数越多，但在层数相同的情况下，由于各实施例技术方案的差异，寿命长短略有差别，但是层数也不能无限增多，因为层数的增多，附着力会降低，影响涂层的稳定性，同时层数的增多会影响切削的速度，由于CVD层应力较大且硬度较低，而PVD层应力较小且硬度较高，PVD层的高硬度性能弥补CVD层的低硬度性能，并且PVD层的小应力性能弥补CVD层的大应力性能，因此，CVD层和PVD层彼此弥补对方的薄弱性能。
并且，上述表2表明，与现有技术中简单组合CVD层和PVD层的情况相比，本发明带有粘结层结构的涂层明显表现出更优异的性能，CVD层的不同叠层交替设置提高了整个涂覆切削工具的耐热性，使得涂覆切削工具在连续切削时的耐磨性提高，综上所述，本发明的涂覆切削工具具有良好的韧性、高耐磨性和优异的涂层附着力，同时具有较长的使用寿命。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涂覆切削工具，包括基材和涂覆层，其特征在于，所述涂覆层包括内层PVD层和外层CVD层，所述CVD为至少一层的TiN层或Ti-B-N层，或多层TiN层和Ti-B-N层交替出现，所述Ti-B-N层中B的含量为8～16at％，所述PVD层和CVD层中间有粘结层，所述粘结层为金属碳氮氧化合物，所述TiN或Ti-B-N单层结构厚度范围为0.2nm～150nm。
2.根据权利要求1所述的一种涂覆切削工具，其特征在于，所述基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或者高速钢的一种。
3.根据权利要求1所述的一种涂覆切削工具，其特征在于，所述金属碳氮氧化合物是钛、铪、锆、铬、钛-铝合金、铪-铝合金、锆-铝合金、铬-铝合金以及它们的合金所形成的的碳氮氧化合物。
4.根据权利要求1所述的一种涂覆切削工具，其特征在于，所述PVD层与CVD层的应力比为0.9～2.5。
5.根据权利要求1所述的一种涂覆切削工具，其特征在于，所述TiN的单层厚度为λa，Ti-B-N的单层厚度为λb，所述1≤λb/λa≤4，比值随远离基材逐渐增大。
6.根据权利要求5所述的一种涂覆切削工具，其特征在于，所述涂覆层总厚度0.1μm～20μm。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种涂覆切削工具的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)选取基材，并进行清洁；
(2)将PVD层浆料沉积到所述基材上；
(3)将粘结层沉积在PVD层上；
(4)在0.25～0.40Mpa的压力下，通过湿法喷砂将CVD层浆料沉积在粘结层上；湿式喷砂下持续6～45秒，获得的压缩应力为800～1800MPa。
8.根据权利要求7所述一种涂覆切削工具的制备方法，其特征在于，所述PVD层浆料是包含元素Si、Cr、Al和Ti的氮化物。
9.根据权利要求7所述一种涂覆切削工具的制备方法，其特征在于，所述PVD层沉积温度为300～1000℃。
10.根据权利要求7所述一种涂覆切削工具的制备方法，其特征在于，所述PVD涂层具有1500～2500MPa的压缩应力。
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