CN107486579A - 一种带有多样性功能涂层的切削刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有多样性功能涂层的切削刀具，所述切削刀具包括切削部分和排屑部分，所述切削部分涂层为硬质涂层，所述排屑部分涂层为润滑层，所述硬质涂层和润滑层用物理气相沉积PVD方式涂层，所述的硬质涂层包括过渡层、中间层和表层，所述的过渡层成分为Ti N或CrN，所述的中间层成分为(TiAlCrMe)N，所述表层的成分为Ti N或CrN。本发明的所述带有多样性功能涂层的切削刀具，具有高红硬性、耐磨性和高硬度的硬质涂层，沟槽排屑部分采用了粗糙度和摩擦系数极低的DLC涂层，刀具在切削过程排屑顺畅，减少了热量在切削刃上的堆积，使硬质涂层能一直保持高硬度和耐磨性。
Description
技术领域
本发明属于刀具涂层技术领域，具体涉及一种带有多样性功能涂层的切削刀具及其制备方法。
背景技术
涂层在刀具切削加工中广泛应用，随着加工效率的提高和加工材质的变化，对涂层提出了新的要求，TiN\AlTiN\CrAlN等在硬度、红硬性上都有了很大的提高，但是粗糙度相对较高，摩擦系数大，不利于排屑，排屑不畅会造成热量堆积，使刀具使用寿命降低。DLC涂层属于润滑层，摩擦系数低，有利于沟槽排屑，但是高温稳定性差，400℃膜层中的亚稳态SP3键向SP2键转化，形成石墨，涂层失效，所以不能满足在刀具上整体涂层的需要。
发明内容
本发明研发出一种带有多样性功能涂层的切削刀具及其制备方法，解决了上述提出的技术问题。
本发明采用的技术手段如下：一种带有多样性功能涂层的切削刀具，所述切削刀具包括切削部分和排屑部分，所述切削部分涂层为硬质涂层，所述排屑部分涂层为润滑层，所述硬质涂层和润滑层用物理气相沉积PVD方式涂层，所述的硬质涂层包括过渡层、中间层和表层，所述的过渡层成分为TiN或CrN，所述的中间层成分为(TiAlCrMe)N，所述表层的成分为TiN或CrN，所述排屑部分沉积的润滑层为DLC涂层。
进一步的，在上述技术方案中，所述带有多样性功能涂层的切削刀具的材质包括高速钢、硬质合金和陶瓷；所述硬质涂层由三层组成，过渡层TiN或CrN厚度为0.1-1μm，中间层为(TiAlCrMe)N，Me为V\W\Si\Y\Nb中的一种或几种元素，其中0≤Ti≤0.33,0≤Al≤0.70,0≤Cr≤0.30,0≤Me≤0.2,厚度1-5μm，表层TiN或CrN厚度为0.3-1μm；所述润滑层为DLC涂层，厚度0.1-1μm，摩擦系数0.05-0.15，硬度HV2000-3000。
一种带有多样性功能涂层的切削刀具的制备方法，用于制备所述带有多样性功能涂层的切削刀具，包括以下步骤：
S1：刀具表面沉积制备过渡层，沉积工艺温度为300℃-400℃且N2流量为400-600sccm，负偏压为100V-200V且TI靶或Cr靶弧电流为80A-110A，并且持续约600s-1200s，在刀具表面进行沉积形成成分为TiN或CrN的过渡层；
S2:过渡层表面沉积硬质涂层的中间层,沉积工艺温度为400℃-500℃且N2流量为1000-1200sccm，负偏压为80V-180V且合金靶材弧电流为90A-100A并且持续时间为54000s-90000s，在过渡层表面进行沉积形成成分为(TiAlCrMe)N的中间层；
S3:中间层表面沉积硬质涂层表层,沉积工艺温度为350℃-450℃且N2流量为400-600sccm,负偏压为100V-150V且TI靶或Cr靶弧电流为约70A-90A之间，并且持续时间600s-1200s,形成成分为TiN或CrN的表层；
S4：在刀具整体形成硬质涂层后，在刀具切削部分用耐高温漆涂抹遮挡，在大气中放置20分钟，所述耐高温漆选择工作温度为0℃-250℃；
S5：使用过滤弧设备在刀具沟槽部分沉积为DLC涂层的润滑层，润滑层DLC沉积温度为80℃-170℃，Ar流量为50sccm-120sccm，偏压为100V-300V，石墨靶弧电流为40A-60A，DLC沉积工艺持续时间为1200s-2400s；
S6：进而形在刀具切削部分成包括过渡层、中间层和表层的硬质涂层和刀具排屑部分形成润滑层，制备成所述的带有多样性功能涂层的切削刀具。
进一步的，在上述技术方案中，还包括以下步骤：
S7：涂层后刀具在带有超声波的三氯乙烯溶剂中浸泡去除切削部分表面耐高温漆。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的所述的带有多样性功能涂层的切削刀具及其制备方法，具有高红硬性、耐磨性和高硬度的硬质涂层；
(2)本发明的所述的带有多样性功能涂层的切削刀具及其制备方法，沟槽排屑部分采用了粗糙度和摩擦系数极低的DLC涂层，刀具在切削过程排屑顺畅；
(3)本发明的所述的带有多样性功能涂层的切削刀具及其制备方法，减少了热量在切削刃上的堆积，使硬质涂层能一直保持高硬度和耐磨性，延长刀具寿命，提高了刀具运行的稳定性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步详细的说明。
图1为所述带有多样性功能涂层的切削刀具结构示意图；
图2为实施例8现有产品刀具切削力数据图；
图3为实施例8所述带有多样性功能涂层的刀具切削力数据图。
图中：10、硬质涂层，20、润滑层。
具体实施方法
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1所示，一种带有多样性功能涂层的切削刀具，包括切削部分和排屑部分，所述切削部分涂层为硬质涂层10，所述排屑部分涂层为润滑层20，所述硬质涂层10和润滑层20用物理气相沉积PVD方式涂层，所述的硬质涂层10包括过渡层、中间层和表层，所述的过渡层成分为CrN，所述的中间层成分为(TiAlCrMe)N，所述表层的成分为TiN，所述排屑部分沉积的润滑层为DLC涂层。
进一步地，在上述技术方案中，所述带有多样性功能涂层的切削刀具的材质包括高速钢、硬质合金和陶瓷；所述硬质涂层10由三层组成，过渡层CrN厚度为0.1-1μm，具体为0.1μm，中间层为(TiAlCrMe)N，Me为V\W\Si\Y\Nb中的一种或几种元素，其中0≤Ti≤0.33,0≤Al≤0.70,0≤Cr≤0.30,0≤Me≤0.2,厚度1-5μm，具体为1μm，表层Ti N厚度为0.3-1μm具体为0.3μm，所述润滑层为DLC涂层，厚度0.1-1μm，具体为0.1μm，摩擦系数0.05，硬度HV2000。
实施例2
一种带有多样性功能涂层的切削刀具，包括切削部分和排屑部分，所述切削部分涂层为硬质涂层10，所述排屑部分涂层为润滑层20，所述硬质涂层10和润滑层20用物理气相沉积PVD方式涂层，所述的硬质涂层10包括过渡层、中间层和表层，所述的过渡层成分为TiN，所述的中间层成分为(TiAlCrMe)N，所述表层的成分为CrN，所述排屑部分沉积的润滑层为DLC涂层。
进一步地，在上述技术方案中，所述带有多样性功能涂层的切削刀具的材质包括高速钢、硬质合金和陶瓷；所述硬质涂层10由三层组成，过渡层TiN厚度为0.1-1μm具体为1μm，中间层为(TiAlCrMe)N，Me为V\W\Si\Y\Nb中的一种或几种元素，其中0≤Ti≤0.33,0≤Al≤0.70,0≤Cr≤0.30,0≤Me≤0.2,厚度1-5μm，具体为5μm，表层CrN厚度为0.3-1μm，具体为1μm，所述润滑层为DLC涂层，厚度0.1-1μm，具体为1μm，摩擦系数0.15，硬度HV3000。
实施例3
一种带有多样性功能涂层的切削刀具，包括切削部分和排屑部分，所述切削部分涂层为硬质涂层10，所述排屑部分涂层为润滑层20，所述硬质涂层10和润滑层20用物理气相沉积PVD方式涂层，所述的硬质涂层10包括过渡层、中间层和表层，所述的过渡层成分为TiN或CrN，所述的中间层成分为(TiAlCrMe)N，所述表层的成分为TiN或CrN，所述排屑部分沉积的润滑层为DLC涂层。
进一步地，在上述技术方案中，所述带有多样性功能涂层的切削刀具的材质包括高速钢、硬质合金和陶瓷；所述硬质涂层10由三层组成，过渡层CrN厚度为0.2-0.5μm，具体为0.2μm，中间层为(TiAlCrMe)N，Me为V\W\Si\Y\Nb中的一种或几种，其中0≤Ti≤0.33,0≤Al≤0.70,0≤Cr≤0.30,0≤Me≤0.2,厚度2-3μm，具体为2μm，表层Ti N厚度为0.3-0.8μm，具体为0.3μm，所述润滑层为DLC涂层，厚度0.4-0.8μm，具体为0.4μm，摩擦系数0.05，硬度HV2000。
实施例4
一种带有多样性功能涂层的切削刀具，包括切削部分和排屑部分，所述切削部分涂层为硬质涂层10，所述排屑部分涂层为润滑层20，所述硬质涂层10和润滑层20用物理气相沉积PVD方式涂层，所述的硬质涂层10包括过渡层、中间层和表层，所述的过渡层成分为TiN或CrN，所述的中间层成分为(TiAlCrMe)N，所述表层的成分为TiN或CrN，所述排屑部分沉积的润滑层为DLC涂层。
进一步地，在上述技术方案中，所述带有多样性功能涂层的切削刀具的材质包括高速钢、硬质合金和陶瓷；所述沟槽部分沉积的润滑层20为DLC涂层；所述硬质涂层10由三层组成，过渡层CrN厚度为0.2-0.5μm，具体为0.5μm，中间层为(TiAlCrMe)N，Me为V\W\Si\Y\Nb中的一种或几种元素，其中0≤Ti≤0.33,0≤Al≤0.70,0≤Cr≤0.30,0≤Me≤0.2,厚度2-3μm，具体为3μm，表层TiN厚度为0.3-0.8μm，具体为0.8μm，所述润滑层为DLC涂层，厚度0.4-0.8μm，具体为0.8μm，摩擦系数0.15，硬度HV3000。
实施例5
一种带有多样性功能涂层的切削刀具，所述刀具材质包括高速钢、硬质合金、陶瓷等材质，刀具表面结构复杂，带有切削和排屑两个部分。涂层为硬质涂层10和润滑层20组成，完全不同的成分和物理性能，涂层通过物理气相沉积方式沉积。
本发明提供的一种带有多样性功能涂层的切削刀具，具有高红硬性、耐磨性和高硬度的硬质涂层10，用于排屑的沟槽具有低摩擦系数利于排屑的润滑层20的涂层刀具。
所述硬质涂层10包括三层，过渡层CrN韧性好提高所述硬质涂层10与基体结合力，厚度为0.1-1μm，优选0.2-0.5μm。中间层主要功能层，(TiAlCrMe)N，Me为V\W\Si\Y\Nb中的一种或几种元素，其中0≤Ti≤0.33,0≤Al≤0.70,0≤Cr≤0.30,0≤Me≤0.2,该层具有高硬度、高红硬性、高耐磨性，能够抵抗切削过程中产生的热量，厚度1-5μm，优选2-3μm。表层Ti N，作为与沟槽内DLC涂层的结合过渡层，DLC涂层内应力大，用硬度相近、韧性好的TiN或CrN过渡一下，提高结合力，厚度为0.3-1μm优选0.3-0.8μm。
本发明中所述的沟槽内润滑层20，首先设置硬质涂层后清洗干净，然后在主切削刃及韧带上用耐高温漆涂抹遮挡，20分钟后耐高温漆凝固后涂DLC涂层。所述的耐高温漆适用温度范围≤250℃，使用灵活方便。
本发明中所述的沟槽内润滑层20DLC涂层用PVD物理气相沉积，沉积温度100-150℃，厚度0.1-1μm，优选0.4-0.8μm，摩擦系数0.05-0.15，硬度HV2000-3000。DLC涂层摩擦系数低，利于排屑，降低刀具切削扭矩。
所述的耐高温漆在所有涂层结束后，将刀具用带有超声波的有机溶剂三氯乙烯浸泡1分钟，耐高温漆即可去除。
实施例6
如图1和图2所示，一种带有多样性功能涂层的切削刀具,在M2高速钢钻头刀具上用多弧离子镀沉积多样性功能涂层成分一次为：硬质涂层10的过渡层CrN0.5μm，中间层AlCrSiN2.5μm，表层CrN0.5μm，润滑层20的DLC0.4μm。
过渡层(11)CrN：
N2压强0.5Pa，偏压150V，靶电流100，时间10min，温度350℃
中间层(12)AlCrSiN：
N2压强2.6Pa，偏压150V，靶电流100，时间90min，温度450℃
表层CrN：
N2压强0.8Pa，偏压150V，靶电流80，时间10min温度400℃
出炉后用超声波清洗机清洗干净后用耐高温漆遮挡切削刃和刃带，等待20min耐高温漆固化后进炉涂层DLC涂层，所选用的耐高温漆工作温度范围在0≤℃≤250℃.
润滑层20DLC涂层：
Ar压强0.1Pa,偏压90V，电流50A，温度100℃，时间20min
出炉后在带有超声波的三氯乙烯溶剂中浸泡1min。
测试切削条件：
刀具名称：4刃平铣
刀具直径：D8.0
被加工材质：SKD11
硬度：57～60HRC
转速：5000RPM
进给速度：F＝700mm/min
切深：Ap＝4mm
切宽：Ae＝0.12mm
同样切削50m长度后刀具磨损值为：
| 后刀面磨损 | 前刀面磨损 | 端面磨损 | |
| 目标样品 | 0.34 | 0.15 | 0.3 |
| 本专利产品 | 0.12 | 0.15 | 0.14 |
从切削力分析数据来看本专利产品轴向力与扭矩明显降低，就是因为本专利中沟槽排屑部分采用了粗糙度和摩擦系数极低的DLC涂层，刀具在切削过程排屑顺畅，减少了热量在切削刃上的堆积，使所述硬质涂层10能一直保持高硬度和耐磨性，保护刀具基体，减小受磨损，延长刀具寿命，以上切削同样距离后的刀具磨损值明显看出本专利产品明显小于目标产品。
实施例7
一种带有多样性功能涂层的切削刀具的制备方法，包括以下步骤：
通过物理气相沉积在刀具表面沉积硬质涂层10和在沟槽部分沉积润滑层20，具体为：
S1：刀具表面沉积硬质涂层10的过渡层，沉积工艺温度为300℃且N2流量为400sccm，负偏压为100V且Ti靶或Cr靶弧电流为80A，并且持续约600s，在刀具表面进行沉积形成成分为TiN或CrN的过渡层；
S2:过渡层表面沉积硬质涂层10的中间层,沉积工艺温度为400℃且N2流量为1000sccm，负偏压为80V且合金靶材弧电流为90A并且持续时间为54000s，在过渡层表面进行沉积形成成分为(TiAlCrMe)N的中间层；
S3:中间层表面沉积硬质涂层10表层,沉积工艺温度为350℃且N2流量为400sccm,负偏压为100V且Ti靶或Cr靶弧电流为约70A之间，并且持续时间600s,形成成分为TiN或CrN的表层；
S4：在刀具整体形成硬质涂层后，在刀具切削部分用耐高温漆涂抹遮挡，在大气中放置20分钟，所述耐高温漆选择工作温度为0℃-250℃；
S5：使用过滤弧设备在刀具沟槽部分沉积为DLC涂层的润滑层20，润滑层DLC沉积温度为80℃，Ar流量为50sccm，偏压为100V，石墨靶弧电流为40A，DLC沉积工艺持续时间为1200s；
S6：进而在刀具切削部分形成包括过渡层、中间层和表层的硬质涂层10和刀具排屑部分形成润滑层，制备成带有多样性功能涂层的切削刀具。
进一步地，在上述技术方案中，还包括以下步骤：
S7：涂层后刀具在带有超声波的三氯乙烯溶剂中浸泡去除切削部分表面耐高温漆。
进一步地，在上述技术方案中，所述中间层的成分(TiAlCrMe)N中，Me为V、W、Si、Y或Nb中的一种或几种元素。
优选的，所述S1步骤，S2步骤，S3步骤中的沉积为多弧离子镀。
步骤S4能够保证在任何复杂刀具表面形成多样性涂层，任何螺旋角度、复杂曲面都可以满足操作，灵活性强，是其他方式无法完成的。
实施例8
一种带有多样性功能涂层的切削刀具的制备方法，包括以下步骤：
通过物理气相沉积在刀具表面沉积硬质涂层10和在沟槽部分沉积润滑层20，具体为：
S1：刀具表面沉积硬质涂层10的过渡层，沉积工艺温度为400℃且N2流量为600sccm，负偏压为200V且Ti靶或Cr靶弧电流为110A，并且持续约1200s，在刀具表面进行沉积形成过渡层，形成成分为TiN或CrN的过渡层；
S2:过渡层表面沉积硬质涂层10的中间层,沉积工艺温度为500℃且N2流量为1200sccm，负偏压为180V且合金靶材弧电流为100A并且持续时间为90000s，在过渡层表面进行沉积形成中间层,形成成分为(TiAlCrMe)N的中间层；
S3:中间层表面沉积硬质涂层10表层,沉积工艺温度为450℃且N2流量为600sccm,负偏压为150V且Ti靶或Cr靶弧电流为约90A之间，并且持续时间1200s,形成成分为TiN或CrN的表层；
S4：在刀具整体形成硬质涂层后，在刀具切削部分用耐高温漆涂抹遮挡，在大气中放置20分钟，所述耐高温漆选择工作温度为0℃-250℃；
S5：使用过滤弧设备在刀具沟槽部分沉积为DLC涂层的润滑层20，润滑层DLC沉积温度为170℃，Ar流量为120sccm，偏压为300V，石墨靶弧电流为60A，DLC沉积工艺持续时间为2400s；
S6：进而在刀具切削部分形成包括过渡层、中间层和表层的硬质涂层10和刀具排屑部分形成润滑层，制备成带有多样性功能涂层的切削刀具。
进一步地，在上述技术方案中，还包括以下步骤：
S7：涂层后刀具在带有超声波的三氯乙烯溶剂中浸泡去除切削部分表面耐高温漆。
优选的，所述硬质涂层10由内而外依次为过渡层、中间层和表层。
本发明的所述带有多样性功能涂层的切削刀具，具有高红硬性、耐磨性和高硬度的硬质涂层，沟槽排屑部分采用了粗糙度和摩擦系数极低的DLC涂层，刀具在切削过程排屑顺畅，减少了热量在切削刃上的堆积，使硬质涂层能一直保持高硬度和耐磨性，延长刀具寿命，提高了刀具运行的稳定性。本发明适用于切削工具技术领域，具有广阔的用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方法，但本发明的保护范围且不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种带有多样性功能涂层的切削刀具，其特征在于：所述切削刀具包括切削部分和排屑部分，所述切削部分涂层为硬质涂层，所述排屑部分涂层为润滑层，所述硬质涂层和润滑层用物理气相沉积PVD方式涂层，所述的硬质涂层包括过渡层、中间层和表层，所述的过渡层成分为TiN或CrN，所述的中间层成分为(TiAlCrMe)N，所述表层的成分为TiN或CrN，所述排屑部分沉积的润滑层为DLC涂层。
2.根据权利要求1所述的带有多样性功能涂层的切削刀具，其特征在于：所述带有多样性功能涂层的切削刀具的材质包括高速钢、硬质合金和陶瓷；所述硬质涂层由三层组成，过渡层TiN或CrN厚度为0.1-1μm，中间层为(TiAlCrMe)N，Me为V\W\Si\Y\Nb中的一种或几种元素，其中0≤Ti≤0.33,0≤Al≤0.70,0≤Cr≤0.30,0≤Me≤0.2,厚度1-5μm，表层TiN或CrN厚度为0.3-1μm；所述润滑层为DLC涂层，厚度0.1-1μm，摩擦系数0.05-0.15，硬度HV2000-3000。
3.一种带有多样性功能涂层的切削刀具的制备方法，其特征在于：用于制备如权利要求1所述带有多样性功能涂层的切削刀具，包括以下步骤：
S1：刀具表面沉积制备过渡层，沉积工艺温度为300℃-400℃且N2流量为400-600sccm，负偏压为100V-200V且Ti靶或Cr靶弧电流为80A-110A，并且持续约600s-1200s，在刀具表面进行沉积形成成分为TiN或CrN的过渡层；
S2:过渡层表面沉积硬质涂层的中间层,沉积工艺温度为400℃-500℃且N2流量为1000-1200sccm，负偏压为80V-180V且合金靶材弧电流为90A-100A并且持续时间为54000s-90000s，在过渡层表面进行沉积形成成分为(TiAlCrMe)N的中间层；
S3:中间层表面沉积硬质涂层表层,沉积工艺温度为350℃-450℃且N2流量为400-600sccm,负偏压为100V-150V且Ti靶或Cr靶弧电流为约70A-90A之间，并且持续时间600s-1200s,在中间层表面进行沉积形成成分为TiN或CrN的表层；
S4：在刀具整体形成硬质涂层后，在刀具切削部分用耐高温漆涂抹遮挡，在大气中放置20分钟，所述耐高温漆选择工作温度为0℃-250℃；
S5：使用过滤弧设备在刀具沟槽部分沉积为DLC涂层的润滑层，润滑层DLC沉积温度为80℃-170℃，Ar流量为50sccm-120sccm，偏压为100V-300V，石墨靶弧电流为40A-60A，DLC沉积工艺持续时间为1200s-2400s；
S6：进而在刀具切削部分形成包括过渡层、中间层和表层的硬质涂层和刀具排屑部分形成润滑涂层，制备成如权利要求1所述的带有多样性功能涂层的切削刀具。
4.根据权利要求3所述的带有多样性功能涂层的切削刀具的制备方法，其特征在于：还包括以下步骤：
S7：涂层后刀具在带有超声波的三氯乙烯溶剂中浸泡去除切削部分表面耐高温漆。
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