CN108004447A - 一种TiCN基覆盖TiAlN涂层的金属陶瓷刀具及其制备方法 - Google Patents

一种TiCN基覆盖TiAlN涂层的金属陶瓷刀具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种TiCN基覆盖TiAlN涂层的金属陶瓷刀具及其制备方法，该方法以TiCN、Mo、Ni、Co、WC、TaC为原料，经过湿磨、过滤、真空干燥、制粒、压制成型、烧结、PVD制备出金属陶瓷涂层刀具。其中TiCN为硬质相，WC为增强相，Co和Ni为粘结相，添加Cr起到细化晶粒的作用，添加TaC提高材料的高温稳定性，添加Mo和Mx组分以提高TiCN与Co、Ni之间的润湿性，从而降低孔隙率并进一步提高强度，表面涂覆TiAlN增强刀具的耐磨性。本发明制成的金属陶瓷刀片具有高耐磨性、高强度、高硬度及良好的红硬性等良好的综合性能，可普遍用于低碳钢及低碳合金的(半)精加工。

Description

一种TiCN基覆盖TiAlN涂层的金属陶瓷刀具及其制备方法
一、技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种高耐磨性的金属陶瓷涂层刀具及其制造方法。
二、背景技术
在TiCN基刀片表面涂覆高硬度高强度的TiAlN薄层，形成金属陶瓷涂层刀具。
该金属陶瓷涂层刀具的优点：(1)在低碳合金的加工上，TiCN金属陶瓷基TiAlN涂层刀具相较于硬质合金基TiAlN涂层刀具有更高的红硬性(2)相较于硬质合金基TiAlN涂层刀具，使用金TiCN金属陶瓷基TiAlN涂层刀具加工零件，被加工零件的加工精度和表面光洁性更好；(3)TiCN基体与TiAlN涂层的结合性相对于硬质合金与TiAlN涂层的结合性更好；(4)涂覆了TiAlN涂层的TiCN刀具相较于未涂覆的TiCN刀具有更高的耐磨性。目前市场上销售的硬质合金基涂层刀具在加工不锈钢领域效果良好，但在低碳合金的加工上耐磨性不足，加工零件精度及表面光洁度有所欠缺。
三、发明内容
本发明的目的：制造一种具有优异耐磨性的、普遍适用于低碳合金加工的刀具，本发明提供一种TiCN基覆盖TiAlN涂层的金属陶瓷刀具制造方法。
本发明的技术方案：一种TiCN基覆盖TiAlN涂层的金属陶瓷刀具；
基体为n Ti(CaNb)+n1Mx+n2Mo+n3Ni+n4WC+n5TaC++n6Co金属陶瓷，其中a+b＝1。基体中的Mx包括Mo、C、N、Ti其中的一种或多种元素。并且：
n＝1，
49％≤n1≤64％，
3.0％≤n2≤3.8％，
6.0％≤n3≤7.0％，
8.0％≤n4≤13.0％，
7.0％≤n5≤12.0％，
6.0％≤n6≤15.0％。
涂层为(TicAld)N，涂层厚度为2.0～4.0μm，其中c+d＝1，0.55∶0.45≤c∶d≤0.95∶0.05；
一种Ti-C-N基覆盖Ti-Al-N涂层的金属陶瓷刀具及其制造方法，制造方法如下：
(1)湿磨：将(TiaCb)N、Mx、Ni、Mo、WC、TaC和Co按比例加入球磨桶，并加入有机溶剂为球磨介质，球磨48～240小时，球磨过程中每隔12小时翻动球磨筒一次；
(2)干燥：将球磨后的湿料过320目筛网过滤，并在真空干燥箱中干燥，干燥温度60-100℃；
(3)掺胶：干燥后的粉料过80目筛网，加入增塑剂混合后干燥，然后过60目筛网待用；
(4)压制：将步骤(3)得到的粉料在单柱液压机上压制成所需型号的刀具；
(5)烧结：将步骤(4)所得的刀具放置于真空脱脂加压烧结快冷炉中烧结，烧结气氛为G，并伴随一定烧结气压。
(6)后处理：对烧结冷却后的刀具进行磨削、喷砂处理，以去除表面沾染的污渍，并使表面平整；
(7)涂层：使用PVD方法，具体为磁控溅射或阴极电弧离子镀工艺，在清洁完成后的刀具表面镀上一层2.0～4.0μm厚的(TicAld)N涂层。
作为优选，上述步骤(1)中，作为球磨介质的有机溶剂可选用纯度大于99.99％的无水乙醇、丙酮、庚烷、丁烷等其中的一种。
作为优选，上述步骤(3)中，增塑剂可选用石蜡、橡胶等其中的一种。
作为优选，所述金属陶瓷刀具基体中的(TiaCb)N晶粒度为0.1～3.0μm，WC晶粒度为0.4～1.2μm，Co晶粒度为0.8～4.0μm，Ni晶粒度为0.8～3.0μm。
作为优选，上述步骤(5)中，G为氩气或氮气中的一种。当G为氩气时，烧结气压为6MPa；当G为氮气时，烧结气压为0～5000Pa。
作为优选，上述步骤(5)中，烧结过程分为三个阶段：脱胶阶段-温度从室温升至500℃，时间为1.5h；固相烧结阶段-温度从500℃升至1230℃，时间为1.5h；最高烧结阶段-温度为1380～1430℃，保温1.5h。
作为优选，采用磁控溅射镀膜工艺时，溅射靶材选用纯度均为99.99％的Ti靶及Al靶。对刀具试样进行丙酮、乙醇清洗后，送入主溅射室中，靶与样品均采用水冷，初始真空度≥1×10-4Pa，工作气体为纯度≥99.99％的氩气，反应气体为纯度≥99.99％氮气，双靶功率按所希望得到的涂层中Ti与Al的比例进行调整，工作时间2h，工作气压0.5～3.0Pa。
作为优选，采用磁控溅射镀膜工艺时，溅射靶材为TiAl合金靶，原子比Ti∶Al为0.70∶0.30至0.95∶0.05。工作气体为纯度≥99.99％的氩气，反应气体为纯度≥99.99％氮气，工作气压0.5～3.0Pa，溅射功率为180～240W。
作为优选：将制得的刀具进行性能测试，根据GB/T230.2-2012标准，测试得到其硬度≥91.5HRA；根据GB/T4741-1999标准，测试得到其抗弯强度≥1700MPa；以切削淬硬钢为例，该刀具切削速度可达到100-300米/分钟，单个刀角加工路程达3000米以上，相较与碳化钨硬质合金刀具提高1.5～2.5倍。
本发明的显著效果是：由于采用了高耐磨性的TiCN作为刀具基体，添加的Mx组分使得基体内。同时基体中还添加了作为晶粒细化剂的Cr和化学稳定性极强的TaC，并涂覆TiAlN涂层，使得该金属陶瓷刀具同时具有良好的硬度、强度、红硬性及耐磨性。该刀具硬度≥91.5HRA，抗弯强度≥1700MPa；以切削淬硬钢为例，该刀具切削速度可达到100-300米/分钟，单个刀角加工路程达3000米以上，相较与碳化钨硬质合金刀具提高1.5～2.5倍。
四、说明书附图
无
五、具体实施方式
一种金属陶瓷涂层刀具，该刀具采用TiCN作为基体并涂覆TiAlN。以TiCN作为基体，添加Cr作为晶粒细化剂，添加WC作为增强相、Co和Ni作为粘接相，添加Ta提高红硬性，添加Mo及Mx组分提高润湿性从而提高强度和降低孔隙率。该刀具的制造过程如下：
(1)湿磨：将(TiaCb)N、Mx、Ni、Mo、WC、TaC和Co按如下比例加入球磨桶：TiCN粉末16.667kg，Mo粉0.583kg(3.5％)，Ni粉1.083kg(6.5％)，WC粉1.667kg(10％)，TaC粉1.667kg(10％)，Co粉1.667kg(10％)，Mx添加剂10.0kg(60％)。其中(TiaCb)N晶粒度为1.0～3.0μm，WC晶粒度为0.4～1.2μm，Co晶粒度为1.0～4.0μm，Ni晶粒度为1.0～3.0μm。将以上成分加入50L球磨桶中，并加入纯度99.99％以上的无水乙醇作为球磨介质，球磨144小时，球磨过程中每隔12小时翻动球磨筒一次；
(2)干燥：将球磨后的湿料过320目筛网过滤，并在真空干燥箱中干燥，干燥温度80℃；
(3)掺胶：干燥后的粉料过80目筛网，按180ml/kg加入SD-X橡胶溶液后干燥，然后过60目筛网待用；
(4)压制：将步骤(3)得到的粉料在单柱液压机上压制成xx型号刀具，以及7.02×8.04×24.74mm3的B型条。
(5)烧结：将步骤(4)所得的刀具及B型条放置于真空脱脂加压烧结快冷炉中烧结，烧结气氛为Ar气，烧结气压为6Mpa。烧结过程分为三个阶段：脱胶阶段-温度从室温升至500℃，时间为1.5h；固相烧结阶段-温度从500℃升至1230℃，时间为1.5h；最高烧结阶段-温度为1380～1430℃，保温1.5h。
(6)后处理：对烧结冷却后的刀具及B型条进行磨削、喷砂处理，以去除表面沾染的污渍，并使表面平整；
(7)涂层：使用磁控溅射工艺，对刀具及B型条试样进行丙酮、乙醇超声波清洗后，在清洁完成后的刀具表面镀上一层2.0～4.0μm厚的(TicAld)N涂层。溅射靶材选用纯度均为99.99％的Ti靶及Al靶，工作气体为纯度≥99.99％的氩气，反应气体为纯度≥99.99％氮气，初始气压5x10-3Pa，工作气压1.0Pa，Ti靶溅射功率为150W，Al靶溅射功率为60W。
对制得的金属陶瓷涂层刀具以及B型条进行性能检测，根据GB/T230.2-2012标准，测试得到其硬度为92.4HRA；根据GB/T4741-1999标准，测试得到其抗弯强度为1870MPa；以切削20Cr钢为例，该金属陶瓷刀具切削速度可达到170米/分钟，单个刀角加工路程达5000米。

Claims (11)

1.一种金属陶瓷涂层刀具，它包括选用nTi(CaNb)+n1Mx+n2Mo+n3Ni+n4WC+n5TaC++n6Co金属陶瓷作为基体，还包括一层成分为(TicAld)N的涂层，基体中a+b＝1，涂层中c+d＝1。涂层的总厚度为2.0～4.0μm。其特征在于，基体中的Mx包括Mo、Ti金属元素及它们的碳化物、氮化物其中的一种或多种。并且：
n＝1，
49％≤n1≤64％，
3.0％≤n2≤3.8％，
6.0％≤n3≤7.0％，
8.0％≤n4≤13.0％，
7.0％≤n5≤12.0％，
6.0％≤n6≤15.0％。
2.根据权利要求1所述的金属陶瓷涂层刀具，其特征在于：所述金属陶瓷刀具基体中的(TiaCb)N晶粒度为0.1～3.0μm，WC晶粒度为0.4～1.2μm，Co晶粒度为0.8～4.0μm，Ni晶粒度为0.8～3.0μm。
3.制备根据权利要求1所述的金属陶瓷涂层刀具的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)湿磨：将Ti(CaNb)、Mx、Ni、Mo、WC、TaC和Co按比例加入球磨桶，并加入有机溶剂作为球磨介质，球磨48～240小时，球磨过程中每隔12小时翻动球磨筒一次；
(2)干燥：将球磨后的湿料过320目筛网过滤，并在真空干燥箱中干燥，干燥温度60-100℃；
(3)掺胶：干燥后的粉料过80目筛网，按180ml/kg加入增塑剂后干燥，然后过60目筛网待用；
(4)压制：将步骤(3)得到的粉料在单柱液压机上压制成所需型号的刀具；
(5)烧结：将步骤(4)所得的刀具放置于真空脱脂加压烧结快冷炉中烧结，烧结气氛为G，并伴随一定烧结气压；
(6)后处理：对烧结冷却后的刀具进行磨削、喷砂处理，以去除表面沾染的污渍，并使表面平整；
(7)涂层：使用PVD方法，具体为磁控溅射工艺，在清洁完成后的刀具表面镀上一层2.0～4.0μm厚的(TicAld)N涂层。
4.上述步骤(1)，其特征在于，作为球磨介质的有机溶剂可选用无水乙醇、丙酮、庚烷、丁烷等其中的一种。
5.上述步骤(3)，其特征在于，增塑剂可选用石蜡、橡胶等其中的一种。
6.上述步骤(5)，其特征在于，G为氩气或氮气中的一种。当G为氩气时，烧结气压为6MPa；当G为氮气时，烧结气压为0～5000Pa。
7.上述步骤(5)，其特征还在于，烧结过程分为三个阶段：脱胶阶段-温度从室温升至500℃，时间为1.5h；固相烧结阶段-温度从500℃升至1230℃，时间为1.5h；最高烧结阶段-温度为1380～1430℃，保温1.5h。
8.上述步骤(7)，其特征在于，PVD工艺可选用磁控溅射或真空阴极弧离子镀。
9.上述步骤(7)，其特征在于，采用磁控溅射镀膜工艺时，溅射靶材选用纯度均为99.99％的Ti靶及Al靶。对刀具试样进行丙酮、乙醇清洗后，送入主溅射室中，靶与样品均采用水冷，初始真空度≥1×10-4Pa，工作气体为纯度≥99.99％的氩气，反应气体为纯度≥99.99％氮气，双靶功率按所希望得到的涂层中Ti与Al的比例进行调整，工作时间2h，工作气压0.5～3.0Pa。
10.上述步骤(7)，其特征在于，采用磁控溅射镀膜工艺时，溅射靶材为TiAl合金靶，原子比Ti∶Al为0.70∶0.30至0.95∶0.05。工作气体为纯度≥99.99％的氩气，反应气体为纯度≥99.99％氮气，工作气压0.5～3.0Pa，溅射功率为180～240W。
11.根据权利要求1至6所述的金属陶瓷涂层刀具，其特征在于，该刀具的物理性能可达到：硬度≥91.5HRA，抗弯强度≥1700MPa，切削速度达到100-300米/分钟。
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