CN109161860B - 一种pvd涂层刀片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种PVD涂层刀片及其制备方法，PVD涂层刀片包括硬质合金基体和PVD涂层，PVD涂层分布在除刀片内孔外的刀片全部表面层。该PVD涂层刀片的制备方法如下：将硬质合金基体刀片经表面喷砂、超声波清洗后，在其表面涂覆PVD涂层；将涂有PVD涂层的硬质合金基体刀片放入液氮深冷箱进行深冷处理，得PVD涂层刀片。本发明提供的PVD涂层刀片经过深冷处理，改善了涂层表面的应力状态，提高了刀片的各项物理性能，制备工艺简单，对刀片无不良影响。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术领域，更具体地，涉及一种PVD涂层刀片及其制备方法。
背景技术
自PVD磁控溅射技术问世以来，在硬质合金刀具领域得到了广泛应用。PVD涂层工艺温度低，不会降低硬质合金刀片自身的强度，刀具刃口可磨的十分锋利，从而可大大降低机床的功率消耗。但是PVD技术也存在着一些缺陷，PVD涂层与基体的结合强度较低，所以这就要求PVD涂层的厚度不能太高，否则涂层易从基体上剥落。PVD刀片涂层的耐磨性，膜基结合力等工作性能还有待提高。
深冷处理作为一种比较成熟的金属材料热处理技术，可以显著提高材料的力学性能和使用寿命、稳定尺寸、改善均匀性、减小变形，而且操作简便、不破坏工件、无污染、成本低，具有良好的发展前景。但是深冷处理工艺的效果受冷冻温度，冷冻时间等因素影响较大。在操作时冷冻温度和时间不够的话，不能达到理想的效果；深冷处理时间过长，涂层体积收缩严重，会出现裂缝，导致涂层从基体上剥落。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中PVD和深冷处理工艺上的缺陷，提供一种PVD涂层刀片。该刀片的PVD涂层孔隙度小，且涂层与硬质合金基体的结合强度高，刀片的强度和硬度有所提高。
本发明要解决的另一技术问题是提供所述PVD涂层刀片的制备方法，在硬质合金基体上涂覆PVD涂层后，对其进行深冷处理。该制备方法能提高基体和刀片的体系强度，改善涂层本身的应力状态，提高刀片工作性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种PVD涂层刀片。包括硬质合金基体和PVD涂层，PVD涂层厚度为3～5μm，涂层孔隙度不超过A04B00，PVD涂层分布在除刀片内孔外的刀片全部表面层。
本发明还提供一种所述PVD涂层刀片的制备方法，包括以下步骤：
S1.对硬质合金基体刀片表面进行表面喷砂、超声波清洗；
S2.在步骤S1中处理好的硬质合金基体刀片表面涂覆PVD涂层；
S3将步骤S2中处理好的硬质合金基体刀片放入液氮深冷箱进行深冷处理，得PVD涂层刀片。
本发明采用液氮深冷箱对刀片进行深冷处理，通过调整液氮流量，能控制降温速率和冷却温度。在深冷处理过程中，能实现匀速降温和保温效果。
进一步地，步骤S1中所述硬质合金基体刀片包括TNMG160408-**、WNMG080408-**的任意一种。
进一步地，步骤S1中超声波功率为6～8KW。
在涂覆PVD涂层前，对硬质合金基体刀片表面进行表面喷砂处理和超声波清洗，除去表面杂质，防止其影响涂层与刀片的结合强度。
进一步地，步骤S2中涂覆PVD涂层时采用磁控溅射技术，工艺参数如下：电压为450V，压强为580～650MPa，时间为8小时。
本发明采用磁控溅射技术涂覆PVD涂层，具有镀膜面积大，附着力强等优点，而且对硬质合金基体刀片损伤小。
进一步地，步骤S3中深冷处理工艺过程如下：将覆有涂层的硬质合金基体刀片放入0℃的液氮深冷箱中，
第一阶段：将温度从0℃降至-80℃，冷却速度为1.33℃/min，保温30min；
第二阶段：降温至-140℃，冷却速度为0.5℃/min，保温30min；
第三阶段：降温至-190℃，冷却速度为0.33℃/min，保温30min；
第四阶段：自然恢复到室温。
本发明采用深冷处理箱对刀片进行深冷处理，往箱内通入液氮，通过控制液氮流量，使箱内温度能按既定速率进行冷却。通过分段均匀降温处理，稳定了深冷处理效果，避免了温度冷却速度过快，PVD涂层剧烈收缩，导致涂层出现裂缝的情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过对PVD涂层刀片进行深冷处理，减少了刀片和涂层的孔隙度，保证了刀片的尺寸精度，刀片的裂纹密度大大降低；同时提高了涂层与基体刀片的结合强度，改善了涂层的应力状态，体系的致密度得以提高。本发明提高了PVD涂层刀片的力学性能，消除和改善了刀具材料的内应力，延长了其使用寿命。
本发明通过液氮深冷箱对PVD涂层刀片采用分段匀速降温处理，降温速率稳定可控，深冷处理效果好，不会破坏刀片。通过对降温速率和时间的设置，避免了温度冷却速度过快，PVD涂层剧烈收缩，导致出现裂缝的情况。
对本发明中PVD涂层刀片的硬质合金基体而言，经过深冷处理后，硬质合金基体中的孔隙簇得到弥合，减少了基体中的原生裂纹源，并使组织更加致密，同时深冷处理减少了基体中的γ相，硬质合金基体及涂层硬质合金复合体系的断裂韧性和膜基结合强度得到提高。
本发明提供的PVD涂层刀片经过深冷处理后，刀片材料的内应力减少，PVD涂层刀片的表面产生了一定的残留压应力，在使用过程中当外部负荷为拉应力时，PVD涂层刀片的抗弯强度和使用寿命大大提高。同时密度、硬度和强度等各项性能都有所提高，经过深冷处理的PVD涂层刀片在切削过程中不易剥落。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例提供一种PVD涂层刀片的制备方法，包括以下步骤：
S1.对硬质合金基体刀片TNMG160408-OMM进行表面喷砂处理和超声波清洗，其中超声波功率为6KW；
S2.在步骤S1中处理好的硬质合金基体刀片上涂覆PVD涂层，工艺参数如下：电压为450V，压强为650MPa，时间为8小时；
S3.将步骤S2中处理好的硬质合金基体刀片放入0℃的液氮深冷箱中，随后将温度从0℃降至-80℃，冷却速度为1.33℃/min，保温30min；再降温至-140℃，冷却速度为0.5℃/min，保温30min；再降温至-190℃，冷却速度为0.33℃/min，保温30min；最后自然恢复到室温，得PVD涂层刀片，PVD涂层厚度为5μm，孔隙度为A04B00。
实施例2
本实施例提供一种PVD涂层刀片的制备方法，包括以下步骤：
S1.对硬质合金基体刀片WNMG080408-OMM进行表面喷砂处理和超声波清洗，其中超声波功率为8KW；
S2.在步骤S1中处理好的硬质合金基体刀片上涂覆PVD涂层，工艺参数如下：电压为450V，压强为580MPa，时间为8小时；
S3.将步骤S2中处理好的PVD涂层刀片放入0℃的液氮深冷箱中，随后将温度从0℃降至-80℃，冷却速度为1.33℃/min，保温30min；再降温至-140℃，冷却速度为0.5℃/min，保温30min；再降温至-190℃，冷却速度为0.33℃/min，保温30min；最后自然恢复到室温，得PVD涂层刀片，PVD涂层厚度为3μm，孔隙度为A02B02。
对比例1
本对比例参照实施例1的操作步骤，提供一种PVD涂层刀片的制备方法，与实施例1的不同之处在于：未进行步骤S3深冷处理。
对比例2
本对比例参照实施例1的操作步骤，提供一种PVD涂层刀片的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中进行深冷处理时，将PVD涂层刀片直接放入液氮罐中(-190℃)保温处理，本对比例深冷处理时间与实施例1的深冷处理时间一致。
对实施例1～2与对比例1～2制备的PVD涂层刀片进行各项性能测试，实验数据见表1：
表1
通过对表1中各项数据进行分析可知，与对比例1中未经深冷处理制备的刀片相比，本发明制备的刀片的COM(钴磁)，HC(矫顽磁力)、HV(维氏硬度)，TRS(抗弯强度)各项物理性能均有所提高。深冷处理工艺部分消除和改善了刀具材料的内应力，刀片的各项物理性能，尤其是抗弯强度得到了加强。
同时，经过深冷处理后，硬质合金基体刀片表面的PVD涂层的孔隙度变小，导致涂层的弹性模量降低。在刀片使用过程中弹性形变量小，能有效减少涂层的磨损，在使用过程中涂层不易剥落，能延长PVD刀具的使用寿命。
通过对对比例2分析可知，对比例2采用直接将PVD涂层刀片放入液氮罐中进行深冷处理的工艺，与对比例1中未经深冷处理相比的PVD涂层刀片相比，各项物理性能稍有提高，但总体效果不如实施例1中采用的分段匀速降温深冷处理工艺。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种PVD涂层刀片，包括硬质合金基体和PVD涂层；其特征在于，所述PVD涂层厚度为3~5μm，所述涂层孔隙度不超过A02B02，所述PVD涂层分布在除刀片内孔外的刀片全部表面层；
所述PVD涂层刀片的制备方法包括以下步骤：
S1.对硬质合金基体刀片表面进行表面喷砂、超声波清洗；
S2.在步骤S1中处理好的硬质合金基体刀片表面涂覆PVD涂层；
S3将步骤S2中处理好的硬质合金基体刀片放入液氮深冷箱进行深冷处理，得PVD涂层刀片，所述深冷处理工艺过程如下：将覆有涂层的硬质合金基体刀片放入0℃的液氮深冷箱中，
第一阶段：将温度从0℃降至-80℃，冷却速度为1.33℃/min，保温30min；
第二阶段：降温至-140℃，冷却速度为0.5℃/min，保温30min；
第三阶段：降温至-190℃，冷却速度为0.33℃/min，保温30min；
第四阶段：自然恢复到室温。
2.如权利要求1所述的PVD涂层刀片，其特征在于，步骤S1中所述硬质合金基体刀片包括TNMG160408-OMM、WNMG080408-OMM的任意一种。
3.如权利要求1所述的PVD涂层刀片，其特征在于，步骤S1中超声波功率为6~8kW。
4.如权利要求1所述的PVD涂层刀片，其特征在于，步骤S1中涂覆PVD涂层时采用磁控溅射技术，工艺参数如下：电压为450V，压强为580~650MPa，时间为8小时。
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