CN109868451A - 一种涂层刀具及其涂层制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涂层刀具及其涂层制备工艺，属于切削加工技术领域。本涂层刀具包括基体，基体上具有切削刃，切削刃的一侧为沉积有8～10μm厚CrN涂层的A刀面，另一侧为沉积有3～5μm厚TiAlN涂层的B刀面；本涂层刀具为车刀，A刀面为其前刀面，B刀面为其后刀面，或者本涂层刀具为铣刀，A刀面为其后刀面，B刀面为其前刀面；本涂层刀具采用多弧离子镀工艺在A刀面和B刀面上分别沉积CrN涂层和TiAlN涂层；沉积CrN涂层选用一个Cr靶；沉积TiAlN涂层选用一个Ti靶和一个AlTi靶；反应气体均为氮气；步骤包括：基体表面处理→打磨→烘干→氩离子清洗→沉积CrN涂层→调整基体方向→氩离子清洗→沉积TiAlN涂层等。本发明较普通单一涂层刀具寿命更长，且摩擦系数小，不粘屑。

Description

一种涂层刀具及其涂层制备工艺

技术领域

本发明涉及切削加工技术领域，具体是一种涂层刀具及其涂层制备工艺。

背景技术

涂层刀具是在韧性较高的刀具材料基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的难溶单质或者化合物，使刀具既能保持基体较高的韧性，又具有很高的硬度和耐磨性。实际切削加工过程中，涂层刀具的寿命比未涂层刀具要高2～5倍，涂层刀具逐渐成为现代刀具的标志，其应用领域也逐渐扩大。目前在工业发达国家涂层刀具使用量已占刀具总数的80％以上，数控机床上所用的刀具90％以上是涂层刀具，涂层刀具得到了迅速的发展。

现有的涂层刀具为了增加刀具耐磨性，通常会在刀具前后表面都交替涂覆多层不同材料的涂层，刀具在磨损过程中，依靠不同材料的涂层交替生长，来降低刀具磨损消耗，进而延长刀具使用寿命，而这种方式调制周期较长，多层涂层厚度分布对刀具性能影响较大，制备工艺要求高，导致成本高。

经检索，中国专利，申请号：201810077177.X，授权公告日：2018.01.26，公开了一种钛合金切削刀具用TiAlN/CrN多层涂层及其制备方法，所述涂层包括与基底相接触的一层纯Cr金属层，及位于Cr金属层之上的若干层交替叠置的CrN层和TiAlN层。该发明所制得的涂层刀具能够有效减少钛合金切削加工时刀具振颤的现象，提升了刀具涂层综合性能，并能有效延长涂层刀具的使用寿命，使用所制备的涂层刀具非常适合加工钛及其合金。

又有，中国专利，申请号：201180038990.2，授权公告日：2011.08.01，公开了一种包括多层涂层的切削刀具，其包括主部分和涂敷于该主部分上的多层涂层；由硬质材料制成的第一层A涂敷在所述主部分上，所述硬质材料选自氮化钛铝(TiAlN)、氮化钛铝硅(TiAlSiN)、氮化铬(CrN)、氮化铝铬(AlCrN)、氮化铝铬硅(AlCrSiN)和氮化锆(ZrN)，并且，由氮化硅(Si3N4)制成的第二层B直接涂敷于所述第一层A上。该多层涂层提高了在主体上的粘附性，具有更好的高温属性，并具有相当或更高的硬度值和提高的耐磨性。

上述两件发明专利所述方案在实际应用时，均存在调制周期较长，制备工艺要求高，涂层材料成本高，进而导致刀具成本大大提高。

发明内容

发明要解决的技术问题

针对现有的机械加工对刀具磨损大，导致单一涂层刀具使用寿命大大缩短的问题，本发明提供了一种涂层刀具及其涂层制备工艺，本发明的涂层刀具具有抗粘结磨损性能优秀的CrN涂层刀面和抗磨粒磨损优秀的TiAlN涂层刀面，将刀面涂层与刀具实际的磨损因素相对应，能够极大地提高涂层刀具的耐磨性能，具有使用寿命长，摩擦系数小，不粘屑等优点。

技术方案

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种涂层刀具，包括基体，所述基体上具有切削刃，所述切削刃的一侧为沉积有CrN涂层的A刀面，另一侧为沉积有TiAlN涂层的B刀面。经研究表明，刀具在切削加工过程中，两侧刀面磨损性质有所不同，其中一侧刀面主要粘结磨损为主，另一侧刀面主要以磨粒磨损为主；所述CrN涂层化学稳定性好，具有优秀的抗粘结磨损性能，不粘屑，所述TiAlN涂层适用于高速切削，具有优秀的抗磨粒磨损性能，将两者分别沉积在刀具两侧刀面而形成的涂层刀具，切削加工过程中涂层稳定性更好，使用寿命大大延长。

进一步地，所述CrN涂层的厚度为8～10μm，所述TiAlN涂层的厚度为3～5μm。

进一步地，所述涂层刀具为车刀，所述A刀面为其前刀面，所述B刀面为其后刀面。车刀的前刀面磨损主要以粘结磨损为主，后刀面磨损主要以磨粒磨损为主。

进一步地，所述涂层刀具为铣刀，所述A刀面为其后刀面，所述B刀面为其前刀面。铣刀的前刀面磨损主要以磨粒磨损为主，后刀面磨损主要以粘结磨损为主。

一种涂层刀具的涂层制备工艺，采用多弧离子镀工艺在基体上的切削刃一侧的A刀面上沉积CrN涂层，另一侧的B刀面上沉积TiAlN涂层。

进一步地，沉积所述CrN涂层时选用一个Cr靶；沉积所述TiAlN涂层时选用一个Ti靶和一个AlTi靶。

进一步地，沉积所述CrN涂层和TiAlN涂层时的反应气体均为氮气。

进一步地，制备步骤包括：

一、基体表面处理：对所述基体进行镀前处理，去除所述基体表面粘附的粉尘、油脂、氧化膜、吸附的气体及毛刺，以保证涂层与基体结合的强度和涂层纯度；

二、打磨：使用水砂纸对所述A刀面和B刀面进行打磨，并用粒度为1.0μm的金刚石研磨膏抛光至镜面状态，以保证沉积的涂层厚度均匀，结合强度更高，不易脱落；

三、烘干：将所述基体表面烘干，避免水渍影响沉积效果；

四、氩离子清洗：然后将基体放入多弧离子镀膜机的真空室中，遮挡住B刀面并露出A刀面，以避免B刀面沉积上CrN涂层；抽真空至4.0×10^-3Pa以下，用氩离子轰击清洗A刀面10min，进一步去除A刀面上的各种杂质；

五、沉积CrN涂层：加热基体至450℃，开启一个Cr靶弧源，设置电弧电压为18～20V，电流为60A，基体偏压为0～-500V，氮气分压为1.5Pa，给A刀面沉积涂层24～30min；

六、调整基体方向：关闭电源，待真空室内温度降至室温时打开真空室，调整基体方向至遮住A刀面并将B刀面露出，避免A刀面上沉积TiAlN涂层将先前沉积的CrN涂层覆盖；抽真空至4.0×10^-3Pa以下；

七、氩离子清洗：用氩离子轰击清洗B刀面10min，进一步去除B刀面上的各种杂质；

八、沉积TiAlN涂层：加热基体至500℃，开启一个Ti靶弧源和一个AlTi靶弧源，设置氮气分压为0.4Pa，基体偏压为-400V，电弧电压为18V，电流为60A，给B刀面沉积涂层30～50min；

九、关闭电源，涂层制备结束。

进一步地，所述打磨步骤中，选用120^#粗砂纸至800^#细砂纸对所述A刀面和B刀面进行逐级打磨，打磨速度快，打磨精度高。

进一步地，所述氩离子清洗步骤中，设置氩气压力为1.5Pa，氩气流量为50sccm，基体负偏压为-800V。

有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明提供的一种涂层刀具，具有抗粘结磨损性能优秀的CrN涂层刀面和抗磨粒磨损优秀的TiAlN涂层刀面，切削加工时，刀面涂层与刀具实际的磨损因素相对应，能够极大地提高涂层刀具的耐磨性能，具有使用寿命长，摩擦系数小，不粘屑等优点；

(2)本发明提供的一种涂层刀具，刀具上相应刀面的CrN涂层的厚度为8～10μm，TiAlN涂层的厚度为3～5μm，较普通单一涂层刀具使用寿命延长2～3倍以上，适应的切削速度可提高约0.2～0.6倍；

(3)本发明提供的一种涂层刀具，根据刀具加工时实际磨损机理的不同，本涂层刀具可以为车刀或者铣刀，应用范文广，易于推广；

(4)本发明提供的一种涂层刀具，涂层结构简单，制备时调制周期短，制备工艺简单，成本低；

(5)本发明提供的一种涂层刀具的涂层制备工艺，先后采用基体表面处理、打磨、烘干氩离子清洗等工艺步骤，去除基体表面杂质影响，提高表面光滑度，使得涂层与基体结合更加紧密，涂层纯度高，且厚度更加均匀；

(6)本发明提供的一种涂层刀具的涂层制备工艺，通过本工艺制备而成的涂层刀具具有摩擦系数小，耐磨性好，切削性能好，不粘屑等优点。

附图说明

图1、本发明的涂层刀具的局部结构示意图；

图2、本发明中的车刀的局部结构示意图；

附图中：1、基体；2、A刀面；3、B刀面；4、切削刃；20、CrN涂层；30、TiAlN涂层。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

实施例1

一种涂层刀具，如图1所示，包括基体1，所述基体1上具有切削刃4，所述切削刃4的一侧为沉积有CrN涂层20的A刀面2，另一侧为沉积有TiAlN涂层30的B刀面3。CrN涂层20的抗粘结磨损性能优秀，TiAlN涂层30的抗磨粒磨损性能优秀。

如图2所示，本实施例中，所述涂层刀具为车刀，所述A刀面2为其前刀面，切削时主要以粘结磨损为主，所述B刀面3为其后刀面，切削时主要以磨粒磨损为主。因此，所述涂层刀具在切削钛合金、镍基高温合金、不锈钢、淬硬钢等难加工材料时，不易磨损，较普通单一涂层刀具使用寿命延长2～3倍以上，有效降低了刀具更换频次，进而降低生产成本；且具有摩擦系数小，不粘屑等特性，较普通单一涂层刀具能够适应更快的切削速度，极大的提高了生产效率。

本实施例中，该车刀前刀面上的CrN涂层20的厚度为10μm，后刀面上的TiAlN涂层30的厚度为5μm，使用寿命较普通单一涂层刀具延长3倍以上，适应的切削速度可提高约0.6倍。

实施例2

本实施例的一种涂层刀具，与实施例1的不同和改进之处在于，不同和改进之处在于，所述车刀前刀面上的CrN涂层20的厚度为8μm，后刀面上的TiAlN涂层30的厚度为3μm，使用寿命较普通单一涂层刀具延长2.5倍左右，适应的切削速度可提高约0.4倍。

实施例3

本实施例的一种涂层刀具，与实施例1和2的不同和改进之处在于，所述涂层刀具为铣刀，所述A刀面2为其后刀面，切削时主要以粘结磨损为主，所述B刀面3为其前刀面切削时主要以磨粒磨损为主。

本实施例中，所述铣刀后刀面上的CrN涂层20的厚度为10μm，前刀面上的TiAlN涂层30的厚度为5μm，使用寿命较普通单一涂层刀具延长2倍左右，适应的切削速度可提高约0.3倍。

实施例4

本实施例的一种涂层刀具，与实施例3的不同和改进之处在于，本实施例中，所述铣刀后刀面上的CrN涂层20的厚度为8μm，前刀面上的TiAlN涂层30的厚度为3μm，使用寿命较普通单一涂层刀具延长1.6倍左右，适应的切削速度可提高约0.2倍。

实施例5

一种实施例1至4中所述涂层刀具的涂层制备工艺，采用多弧离子镀工艺在基体1上的切削刃4一侧的A刀面2上沉积CrN涂层20，另一侧的B刀面3上沉积TiAlN涂层30。沉积所述CrN涂层20时选用一个Cr靶；沉积所述TiAlN涂层30时选用一个Ti靶和一个AlTi靶。沉积所述CrN涂层20和TiAlN涂层30时的反应气体均为氮气。制备步骤为：

步骤一、基体表面处理：对所述基体1进行镀前处理，去除所述基体1表面粘附的粉尘、油脂、氧化膜、吸附的气体及毛刺；

步骤二、打磨：使用水砂纸对所述A刀面2和B刀面3进行打磨，打磨时选用120^#粗砂纸至800^#细砂纸对所述A刀面2和B刀面3进行逐级打磨，并用粒度为1.0μm的金刚石研磨膏抛光至镜面状态；

步骤三、烘干：将所述基体1表面烘干；

步骤四、氩离子清洗：然后将基体1放入多弧离子镀膜机的真空室中，利用工具遮挡住B刀面3并露出A刀面2，抽真空至4.0×10^-3Pa以下，用氩离子轰击清洗A刀面210min，设置氩气压力为1.5Pa，氩气流量为50sccm，基体负偏压为-800V；

步骤五、沉积CrN涂层：加热基体1至450℃，开启一个Cr靶弧源，设置电弧电压为18～20V，电流为60A，基体偏压为0～-500V，氮气分压为1.5Pa，给A刀面2沉积涂层24～30min，至CrN涂层20厚度为8～10μm为止；

步骤六、调整基体方向：关闭电源，待真空室内温度降至室温时打开真空室，调整基体1方向至遮住A刀面2并将B刀面3露出，抽真空至4.0×10^-3Pa以下；

步骤七、氩离子清洗：用氩离子轰击清洗B刀面310min，设置氩气压力为1.5Pa，氩气流量为50sccm，基体负偏压为-800V；

步骤八、沉积TiAlN涂层：加热基体1至500℃，开启一个Ti靶弧源和一个AlTi靶弧源，设置氮气分压为0.4Pa，基体偏压为-400V，电弧电压为18V，电流为60A，给B刀面3沉积涂层30～50min，至TiAlN涂层30厚度为3～5μm为止；

步骤九、关闭电源，涂层制备结束。

本实施例中的所述涂层刀具的涂层制备工艺，沉积的CrN涂层20和TiAlN涂层30纯度高，厚度均匀，摩擦系数小，耐磨性好，且涂层与基体1之间结合紧密，不易脱落，大大提高了涂层刀具的切削性能和耐磨性能。

实施例6

一种实施例1至4中所述涂层刀具的涂层制备工艺，与实施例5的不同和改进之处在于，制备步骤为：

步骤一、基体表面处理：对所述基体1进行镀前处理，去除所述基体1表面粘附的粉尘、油脂、氧化膜、吸附的气体及毛刺；

步骤二、打磨：使用水砂纸对所述A刀面2和B刀面3进行打磨，打磨时选用120^#粗砂纸至800^#细砂纸对所述A刀面2和B刀面3进行逐级打磨，并用粒度为1.0μm的金刚石研磨膏抛光至镜面状态；

步骤三、烘干：将所述基体1表面烘干；

步骤四、氩离子清洗：然后将基体1放入多弧离子镀膜机的真空室中，利用工具遮挡住A刀面3并露出B刀面2，抽真空至4.0×10^-3Pa以下，用氩离子轰击清洗A刀面210min，设置氩气压力为1.5Pa，氩气流量为50sccm，基体负偏压为-800V；

步骤五、沉积TiAlN涂层：加热基体1至500℃，开启一个Ti靶弧源和一个AlTi靶弧源，设置氮气分压为0.4Pa，基体偏压为-400V，电弧电压为18V，电流为60A，给B刀面3沉积涂层30～50min，至TiAlN涂层30厚度为3～5μm为止；

步骤六、调整基体方向：关闭电源，待真空室内温度降至室温时打开真空室，调整基体1方向至遮住B刀面2并将A刀面3露出，抽真空至4.0×10^-3Pa以下；

步骤七、氩离子清洗：用氩离子轰击清洗B刀面310min，设置氩气压力为1.5Pa，氩气流量为50sccm，基体负偏压为-800V；

步骤八、沉积CrN涂层：加热基体1至450℃，开启一个Cr靶弧源，设置电弧电压为18～20V，电流为60A，基体偏压为0～-500V，氮气分压为1.5Pa，给A刀面2沉积涂层24～30min，至CrN涂层20厚度为8～10μm为止；

步骤九、关闭电源，涂层制备结束。

本实施例中的所述涂层刀具的涂层制备工艺，与实施例5中的制备工艺具有相同的优点。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种涂层刀具，包括基体(1)，所述基体(1)上具有切削刃(4)，其特征在于：所述切削刃(4)的一侧为沉积有CrN涂层(20)的A刀面(2)，另一侧为沉积有TiAlN涂层(30)的B刀面(3)。

2.根据权利要求1所述的一种涂层刀具，其特征在于：所述CrN涂层(20)的厚度为8～10μm，所述TiAlN涂层(30)的厚度为3～5μm。

3.根据权利要求1所述的一种涂层刀具，其特征在于：所述涂层刀具为车刀，所述A刀面(2)为其前刀面，所述B刀面(3)为其后刀面。

4.根据权利要求1所述的一种涂层刀具，其特征在于：所述涂层刀具为铣刀，所述A刀面(2)为其后刀面，所述B刀面(3)为其前刀面。

5.一种涂层刀具的涂层制备工艺，其特征在于：采用多弧离子镀工艺在基体(1)上的切削刃(4)一侧的A刀面(2)上沉积CrN涂层(20)，另一侧的B刀面(3)上沉积TiAlN涂层(30)。

6.根据权利要求5所述涂层刀具的涂层制备工艺，其特征在于：沉积所述CrN涂层(20)时选用一个Cr靶；沉积所述TiAlN涂层(30)时选用一个Ti靶和一个AlTi靶。

7.根据权利要求6所述涂层刀具的涂层制备工艺，其特征在于：沉积所述CrN涂层(20)和TiAlN涂层(30)时的反应气体均为氮气。

8.根据权利要求7所述涂层刀具的涂层制备工艺，其特征在于：制备步骤包括：

一、基体表面处理：对所述基体(1)进行镀前处理，去除所述基体(1)表面粘附的粉尘、油脂、氧化膜、吸附的气体及毛刺；

二、打磨：使用水砂纸对所述A刀面(2)和B刀面(3)进行打磨，并用粒度为1.0μm的金刚石研磨膏抛光至镜面状态；

三、烘干：将所述基体(1)表面烘干；

四、氩离子清洗：然后将基体(1)放入多弧离子镀膜机的真空室中，遮挡住B刀面(3)并露出A刀面(2)，抽真空至4.0×10^-3Pa以下，用氩离子轰击清洗A刀面(2)10min；

五、沉积CrN涂层：加热基体(1)至450℃，开启一个Cr靶弧源，设置电弧电压为18～20V，电流为60A，基体偏压为0～-500V，氮气分压为1.5Pa，给A刀面(2)沉积涂层24～30min；

六、调整基体方向：关闭电源，待真空室内温度降至室温时打开真空室，调整基体(1)方向至遮住A刀面(2)并将B刀面(3)露出，抽真空至4.0×10^-3Pa以下；

七、氩离子清洗：用氩离子轰击清洗B刀面(3)10min；

八、沉积TiAlN涂层：加热基体(1)至500℃，开启一个Ti靶弧源和一个AlTi靶弧源，设置氮气分压为0.4Pa，基体偏压为-400V，电弧电压为18V，电流为60A，给B刀面(3)沉积涂层30～50min；

九、关闭电源，涂层制备结束。

9.根据权利要求8所述涂层刀具的涂层制备工艺，其特征在于：所述打磨步骤中，选用120^#粗砂纸至800^#细砂纸对所述A刀面(2)和B刀面(3)进行逐级打磨。

10.根据权利要求8所述涂层刀具的涂层制备工艺，其特征在于：所述氩离子清洗步骤中，设置氩气压力为1.5Pa，氩气流量为50sccm，基体负偏压为-800V。