CN111438380B - 表面涂层切削刀具及其制备方法 - Google Patents

表面涂层切削刀具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面涂层切削刀具及其制备方法，表面涂层切削刀具包括刀具基体和覆于刀具基体表面的多层涂层，多层涂层至少包括AlTiCN涂层以及涂覆在AlTiCN涂层上的含Zr的表面涂层，含Zr的表面涂层至少包括一层Zr掺杂α‑Al2O3涂层。制备方法包括先后制备刀具基体、硬质基底层、AlTiCN涂层、硬质层、Zr掺杂α‑Al2O3涂层和含Zr层。本发明的涂层切削刀具具有高Al含量的立方AlN相、高纳米硬度，还可兼顾优异的耐磨性、耐崩刃性和抗粘附性，适用于钢材、铸铁及不锈钢材料的通用切削加工。

Description

表面涂层切削刀具及其制备方法
技术领域
本发明属于切削刀具涂层制备领域，涉及一种表面涂层切削刀具及其制备方法，尤其涉及一种具有高Al含量的立方AlN相的表面涂层的切削刀具及其制备方法。
背景技术
刀具的表面涂层对刀具性能的改善和切削加工技术的进步起关键作用，是解决刀具耐磨性、韧性、耐热性、抗粘附等性能的有效途径，涂层切削刀具已成为现代刀具的重要标志。随着切削加工技术的发展，对切削刀具的性能要求也在不断提高，特别是具备优异耐磨性的同时又具有较好的耐崩刃性能的通用性涂层切削刀具。CVD多层复合涂层的组合应用，可以在多层组合中针对性地使用特定性能的涂层进行复合设计，实现CVD涂层刀具的通用切削加工应用。
CVD常规涂层如TiN、MT-TiCN及Al2O3等，是目前刀具表面CVD涂层中应用最广泛的涂层，具有与刀具基体良好的热匹配性及实现高速高效切削加工的耐磨性，而作为主要的耐磨层，MT-TiCN涂层与Al2O3涂层组合应用，提供了切削刀片更高的抗后刀面磨损与抗月牙洼磨损性能，同时保证一定的耐热性能。但是MT-TiCN涂层与Al2O3涂层耐热性能的明显差异，导致涂层刀片在高速断续切削过程中极易发生热塑性变形，并伴随大量热的作用而造成后刀面不均匀磨损，从而对切削刀尖失去有效支撑，最终造成崩刃，因此，提高MT-TiCN涂层的耐热性能，能有效延缓涂层刀片切削刃口的后刀面磨损过程，提高涂层切削刀片的耐崩刃性能。另一方面，Al2O3涂层具有极好的热稳定性，但是脆性也较大，应用于高速断续切削时，刃口要承受极短周期下的重复热冲击作用，极易发生崩刃，Al2O3涂层强度不足的因素缩短了涂层刀片的使用寿命。
针对Al2O3涂层脆性较大的问题，韩国专利文献KR20120040163(A)采用降低Al2O3涂层的沉积温度，降温幅度达到20％～38％；并与MT-TiCN层或PVD(或PCVD)韧性基底层组合，从而达到提高涂层韧性的目的。美国专利文献US5698314公开了一种采用PVD及PCVD方法在低温条件下沉积纳米晶Al2O3涂层。以上技术由于沉积过程中大幅度降低温度，不仅会导致Al2O3涂层与底层组合涂层的结合强度下降，而且在沉积工艺过程中使得Al2O3涂层的沉积速率下降趋势更加明显，这些因素均不利于生产制备含较厚Al2O3涂层的切削刀片，从而在不锈钢等难加工材料的加工过程中由于涂层结合力降低，使得涂层耐磨性明显不足。
CVD-AlTiCN是典型的成分改性的涂层，具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小和导热率低等特性。相比于常规的MT-TiCN涂层，由于AlTiCN涂层中Al成分的引入，涂层的结构性能发生极大改变，且随着Al含量增加，涂层的粒径，硬度和耐热性能都能在一定程度得到提高。但是，在现有相关研究中，制备的CVD-Ti1-xAlxN涂层中存在较高含量的六方AlN或不定型碳等物相，其对性能产生了不利影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高Al含量的立方AlN相、高纳米硬度、兼顾优异的耐磨性、耐崩刃性和抗粘附性的表面涂层切削刀具及其制备方法，该表面涂层刀具兼顾显微结构和性能的优化，实现了在钢材、铸铁及不锈钢材料的通用切削中均具有优异的切削性能。
为解决上述技术问题，本发明采用以下方案。
一种表面涂层切削刀具，包括刀具基体和覆于刀具基体表面的多层涂层，所述多层涂层至少包括AlTiCN涂层(采用低压CVD方法)以及涂覆在所述AlTiCN涂层上的含Zr的表面涂层，所述含Zr的表面涂层至少包括一层Zr掺杂α-Al2O3涂层。
上述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述AlTiCN涂层中，Al含量比例以计量系数x表示，则0.68≤x≤0.93，C含量比例以计量系数y表示，则0≤y≤0.02，所述AlTiCN涂层的厚度为3μm～20μm。
上述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述AlTiCN涂层具有(111)晶面择优织构取向，织构系数TC(111)≥1.8，所述AlTiCN涂层呈纤维状的柱状晶结构，所述AlTiCN涂层的纳米硬度≥30GP。
上述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述Zr掺杂α-Al2O3涂层中，掺杂的Zr含量的原子百分比为0.1％～1.0％，掺杂的Zr以ZrO2微晶形式存在于α-Al2O3涂层中，所述Zr掺杂α-Al2O3涂层的厚度为0.5μm～6.0μm。
上述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述Zr掺杂α-Al2O3涂层的织构系数TC(110)为1.6～3.1，TC(300)为1.5～4.0。
上述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述含Zr的表面涂层还包括设于所述Zr掺杂α-Al2O3涂层表面的含Zr层，所述含Zr层包括ZrC层、ZrN层和ZrCN层中的至少一层。
上述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述AlTiCN涂层与所述刀具基体之间还设有硬质基底层，所述硬质基底层包括TiN层和TiCN层中的至少一层。
上述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述AlTiCN涂层与所述含Zr的表面涂层之间还设有硬质层，所述硬质层包括TiN层、TiCO层和α-Al2O3层中的至少一层。
上述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述含Zr的表面涂层还包括设于所述Zr掺杂α-Al2O3涂层表面的含Zr层，所述含Zr层包括ZrC层、ZrN层和ZrCN层中的至少一层，所述AlTiCN涂层与所述刀具基体之间还设有硬质基底层，所述硬质基底层包括TiN层和TiCN层中的至少一层，所述AlTiCN涂层与所述含Zr的表面涂层之间还设有硬质层，所述硬质层包括TiN层、TiCO层和α-Al2O3层中的至少一层。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的表面涂层切削刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备刀具基体；
(2)采用CVD工艺在所述刀具基体上沉积硬质基底层；
(3)采用低压CVD工艺在所述硬质基底层上沉积AlTiCN涂层，工艺条件包括：以AlCl3-TiCl4-NH3-H2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在700℃～850℃，沉积压力控制在2mbar～8mbar，控制所述沉积气氛体系中的AlCl3与TiCl4的气氛浓度比例为0.5～12，调整所述沉积气氛体系中NH3的气氛浓度为0.8vol％～1.2vol％，其余为H2气体；
(4)采用CVD工艺在所述AlTiCN涂层上沉积硬质层；
(5)采用CVD工艺方法在所述硬质层上沉积Zr掺杂α-Al2O3涂层，工艺条件包括：以ZrCl4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在980℃～1050℃，沉积压力控制在50mbar～70mbar，调整所述沉积气氛体系中的CO2与HCl的气氛浓度比为0.7～0.8，调整所述沉积气氛体系中的ZrCl4与AlCl3的气氛浓度比为0.10～0.12，同时控制所述沉积气氛体系中H2S的气氛浓度为0.12vol％～0.15vol％，其余为H2气体；
(6)采用CVD工艺在所述Zr掺杂α-Al2O3涂层上沉积含Zr层，含Zr层包括ZrC层、ZrN层和ZrCN层中的至少一层，工艺条件如下：
当沉积所述ZrC层时，工艺条件包括：以ZrCl4-Ar-H2-CH4作为沉积气氛体系，沉积温度控制在1000℃～1050℃，沉积压力控制在150mbar～500mbar，ZrCl4气氛浓度为0.6vol％～1.3vol％，CH4气氛浓度为3.8vol％～5.8vol％，Ar气体浓度为4.5vol％～7.6vol％，其余为H2气体；
当沉积所述ZrN层时，工艺条件包括：以ZrCl4-Ar-H2-N2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在1000℃～1050℃，沉积压力控制在150mbar～500mbar，ZrCl4气氛浓度为0.5vol％～0.8vol％，N2的气氛浓度为22vol％～30vol％，Ar气体浓度为4.5vol％～7.6vol％，其余为H2气体；
当沉积所述ZrCN层时，工艺条件包括：以ZrCl4-Ar-H2-CH4-N2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在1000℃～1050℃，沉积压力控制在150mbar～500mbar，ZrCl4气氛浓度为0.5vol％～1.0vol％，CH4气氛浓度为2.4vol％～2.8vol％，N2与CH4的气氛浓度比为8～12，Ar气体浓度为5.0vol％～6.0vol％，其余为H2气体。
本发明中，AlTiCN涂层也作AlxTi1-xCyN1-y涂层。
本发明中，TC(hkl)定义如下：
Figure BDA0002504264090000041
其中，I(hkl)i＝(hkl)i反射的测量强度；
I0(hkl)i＝根据所应用的JCPDF卡的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度；其中AlTiCN涂层TC计算应用JCPDF卡46-1200号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度，Zr掺杂Al2O3涂层TC计算应用JCPDF卡46-1212号的标准粉末衍射数据的(hkl)i反射的标准强度；
n＝计算中使用的反射的数量(此处：AlTiCN涂层TC计算中，n＝4；Zr掺杂Al2O3涂层TC计算中，n＝7)；
(hkl)i所使用的的(hkl)i反射晶面是：AlTiCN涂层TC计算中包括(111)、(200)、(220)和(311)；Zr掺杂Al2O3涂层TC计算中包括(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)和(300)；
本发明中，所述刀具基体主要由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或超硬材料(超硬材料如立方氮化硼、聚晶金刚石等)组成。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明制备的CVD-AlTiCN涂层，获得了高Al含量的立方AlN相，Al含量比例(计量系数x)为0.68≤x≤0.93，C含量比例(计量系数y)为0≤y≤0.02，实现对性能产生不利影响的六方相AlN及不定型碳物相的有效控制。AlTiCN涂层的晶粒取向织构系数TC(111)≥1.8，纳米硬度达到30GP以上，具有优异的耐磨性能。
(2)本发明通过在CVD-AlTiCN涂层上复合沉积含Zr的表面涂层，改善涂层脆性及表面粗糙度，提高涂层刀具的抗崩刃性能，抗粘附性能，实现涂层的耐磨性与耐崩刃性、抗粘附性能兼顾的表面改性。制备的涂层切削刀具，切削应用范围广，适用于钢材、铸铁及不锈钢材料的通用切削加工。
(3)本发明的制备工艺具有涂层沉积效率高，沉积均匀性好，同时获得的极高表面光滑度的涂层也减少了涂层后处理过程，提高了涂层刀具的生产效率及产品质量稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1的切削刀片中AlTiCN涂层的XRD衍射图。
图2为本发明实施例1的切削刀片中AlTiCN涂层的截面形貌图。
图3为本发明实施例1的切削刀片中ZrN涂层的表面形貌图。
图4为本发明对比例1的切削刀片中AlTiCN涂层的XRD衍射图。
图5为本发明实施例2的切削刀片中ZrC涂层的表面形貌图。
图6为本发明实施例2及对比例2的切削刀片中AlTiCN涂层的XRD衍射图。
图7为本发明实施例3的切削刀片中Zr掺杂α-Al2O3涂层的表面形貌图。
图8为本发明实施例3的切削刀片表面Zr掺杂α-Al2O3涂层与对比例3的切削刀片表面纯α-Al2O3涂层的XRD衍射图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1
一种本发明的表面涂层切削刀具，包含硬质合金刀具基体和涂覆于刀具基体表面的多层涂层，多层涂层由内到外依次包含有TiN层、AlTiCN层、TiCO层、Zr掺杂α-Al2O3层和ZrN层。
本实施例中，涂层中TiN层的厚度为1.0μm。AlTiCN层的Al含量比例(计量系数x)x＝0.91，C含量比例(计量系数y)y＝0，涂层纵向面为柱状晶结构，织构取向值Tc(111)为2.9，纳米硬度值34GP，涂层的厚度为6.5μm。TiCO层的厚度0.5μm。Zr掺杂α-Al2O3层是在AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2沉积气氛体系中加入ZrCl4气氛制备得到，Zr掺杂α-Al2O3涂层中Zr含量为0.22at％，Zr元素以ZrO2微晶形式存在于α-Al2O3晶粒的晶界上，且Zr掺杂α-Al2O3涂层具有(300)晶面强织构取向，织构系数TC(110)为1.6，TC(300)为3.7。取向晶面的强度比值I(300)/I(110)＝2.4，Zr掺杂α-Al2O3涂层的厚度为5.0μm。ZrN层的厚度为1.5μm。
一种本实施例的表面涂层切削刀片的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体制备：采用5μm粒径的WC粉体，与8wt％的粘结相Co以及含量3.5wt％的固溶体Ta(Nb)C进行混合，经过压制，烧结，端面研磨及涂层前清洗干燥，制备成切削刀片基体。
(2)采用CVD工艺在切削刀片基体上沉积TiN层，厚度为1.0μm。
(3)利用低压CVD工艺方法在TiN层上沉积AlTiCN涂层，厚度为6.5μm，具体工艺条件为：以AlCl3-TiCl4-NH3-H2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在780℃，沉积压力控制为5mbar，AlCl3的气氛浓度为0.5vol％，AlCl3与TiCl4的气氛浓度比例为2.7，NH3的气氛浓度在1.1vol％，其余为H2气体；
(4)利用CVD工艺在AlTiCN层上沉积一层TiCO层，厚度为0.5μm。
(5)利用CVD工艺在TiCO层上沉积Zr掺杂α-Al2O3涂层，厚度为5.0μm，具体工艺条件为：以ZrCl4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2为沉积气氛体系，沉积温度为1010℃，压力为55mbar，调整所述沉积气氛体系中CO2与HCl的气氛浓度比为0.8，ZrCl4与AlCl3的气氛浓度比为0.12，沉积气氛体系中CO2的气氛浓度为3.3vol％，AlCl3的气氛浓度为1.7vol％，H2S的气氛浓度为0.15vol％，其余为对应上述气氛浓度比例的ZrCl4，HCl以及作为平衡的H2气体。
(6)利用CVD工艺在Zr掺杂α-Al2O3层上沉积一层ZrN层，厚度为1.5μm，具体工艺条件为：以ZrCl4-Ar-H2-N2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在1020℃，沉积压力控制在300mbar，ZrCl4气氛浓度在0.7vol％，N2的气氛浓度在24vol％，Ar气体浓度在5.2vol％，其余为H2气体。
本发明实施例1切削刀片的AlTiCN涂层中，Al含量比例为0.91，C含量比例为0，获得高Al含量的立方AlN相。涂层的XRD衍射图如图1所示，涂层具有(111)晶面择优织构取向，其织构系数TC(111)达到2.9，纳米硬度值34GP；AlTiCN涂层具有典型的柱状晶结构，柱状结构的截面形貌如图2所示。
本发明实施例1切削刀片中的最外层ZrN涂层，沉积生长的晶粒均匀，表面平整致密，表面形貌如图3所示。
对比例1：
采用与实施例1相同的工艺步骤和工艺条件制备对比例1的涂层切削刀具，其工艺条件的区别仅在于：在沉积AlTiCN涂层的工艺条件中，AlCl3的气氛浓度为0.5vol％，调整AlCl3与TiCl4的气氛浓度比例为3.2，NH3的气氛浓度为0.7vol％。
将本发明实施例1的切削刀片表面AlTiCN涂层与对比例1的切削刀片表面AlTiCN涂层进行XRD衍射检测对比，衍射图分别如图1及图4所示。从图1及图4可以看出，本发明实施例1的切削刀片表面AlTiCN涂层与对比例1的切削刀片表面AlTiCN涂层的织构取向差异明显，织构值对比如下表1所示。
表1：实施例1的AlTiCN涂层与对比例1的AlTiCN涂层织构值对比
Figure BDA0002504264090000061
表1中的数据说明，本发明实施例1的切削刀片表面AlTiCN涂层具有(111)晶面择优织构取向，其织构值TC(111)达到2.9；而对比例1的切削刀片表面AlTiCN涂层的织构值TC(111)仅为1.0。
切削测试对比1：
将本发明实施例1的涂层切削刀片与对比例1的涂层切削刀片进行钢材车削加工，对比两个涂层切削刀片的使用寿命，结果如表2所示，切削测试条件：
工件材料：45#
加工方式：干式车削
刀片型号：CNMG120808-PM
切削速度：350m/min
切深：1.0mm
进给量：0.2mm/r
表2本发明实施例1的涂层切削刀片与对比例1的涂层切削刀片刃口磨损对比
Figure BDA0002504264090000071
切削测试对比2：
将本发明实施例1的涂层切削刀片与对比例1的涂层切削刀片进行不锈钢车削加工，对比两个涂层切削刀片的使用寿命，结果如表3所示，切削测试条件：
工件材料：1Cr18Ni9Ti
加工方式：干式车削
刀片型号：CNMG120408-EM
切削速度：280m/min
切深：1.0mm
进给量：0.2mm/r
表3本发明实施例1的涂层切削刀片与对比例1的涂层切削刀片刃口磨损对比
Figure BDA0002504264090000072
Figure BDA0002504264090000081
实施例1与对比例1的涂层刀片切削测试对比结果表明，针对钢材，不锈钢的车削加工，与对比例1的涂层切削刀片相比，本发明实施例1的涂层切削刀片的耐磨性能及抗崩刃性能均改善，涂层切削刀片的寿命明显提高。
实施例2：
一种本发明的表面涂层切削刀具，包含硬质合金刀具基体和涂覆于刀具基体表面的多层涂层，多层涂层由内到外依次包含有TiN层、AlTiCN层、TiCO层、α-Al2O3层、Zr掺杂α-Al2O3层、ZrC层。
本实施例中，涂层中TiN层的厚度为0.5μm；AlTiCN层的Al含量比例(计量系数x)x＝0.84，C含量比例(计量系数y)y＝0，涂层纵向面为柱状晶结构，织构取向值Tc(111)为2.0，纳米硬度值31GP，涂层的厚度为8.0μm。TiCO层的厚度0.5μm。α-Al2O3层的厚度为1.0μm。Zr掺杂α-Al2O3层是在AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2沉积气氛体系中加入ZrCl4气氛制备得到，Zr掺杂α-Al2O3涂层中Zr含量为0.35at％，Zr元素以ZrO2微晶形式存在于α-Al2O3晶粒的晶界上，且Zr掺杂α-Al2O3涂层具有(300)晶面强织构取向，织构系数TC(110)为1.7，TC(300)为3.9，取向晶面的强度比值I(300)/I(110)＝2.5，Zr掺杂α-Al2O3涂层的厚度为4.0μm；ZrC层的厚度为1.5μm。
一种本实施例的表面改性涂层切削刀片的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体制备：采用3μm粒径的WC粉体，与6wt％的粘结相Co进行混合，经过压制，烧结，端面研磨及涂层前清洗干燥，制备成切削刀片基体。
(2)采用CVD工艺在切削刀片基体上沉积TiN层，厚度为0.5μm。
(3)利用低压CVD工艺方法在TiN层上沉积AlTiCN涂层，厚度为8.0μm，具体工艺条件为：以AlCl3-TiCl4-NH3-H2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在800℃，沉积压力控制为7mbar，AlCl3的气氛浓度为0.6vol％，AlCl3与TiCl4的气氛浓度比例为2.5，NH3的气氛浓度在0.9vol％，其余为H2气体；
(4)利用CVD工艺在AlTiCN层上沉积一层TiCO层，厚度为0.5μm。
(5)利用CVD工艺在TiCO层上沉积一层α-Al2O3层，厚度为1.0μm。
(6)利用CVD工艺在α-Al2O3层上沉积Zr掺杂α-Al2O3涂层，厚度为4.0μm，具体工艺条件为：以ZrCl4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2为沉积气氛体系，沉积温度为1010℃，压力为55mbar，调整所述沉积气氛体系中CO2与HCl的气氛浓度比为0.7，ZrCl4与AlCl3的气氛浓度比为0.1，沉积气氛体系中CO2的气氛浓度为3.5vol％，AlCl3的气氛浓度为1.6vol％，H2S的气氛浓度为0.12vol％，其余为对应上述气氛浓度比例的ZrCl4，HCl以及作为平衡的H2气体。
(7)利用CVD工艺在Zr掺杂α-Al2O3层上沉积一层ZrC层，厚度为1.5μm，具体工艺条件为：以ZrCl4-Ar-H2-CH4作为沉积气氛体系，沉积温度控制在1020℃，沉积压力控制在160mbar，ZrCl4气氛浓度在1.1vol％，CH4气氛浓度在4.2vol％，Ar气体浓度在6.6vol％，其余为H2气体。
本发明实施例1切削刀片的AlTiCN涂层中，Al含量比例为0.84，C含量比例为0，获得高Al含量的立方AlN相。涂层具有典型的柱状晶结构及明显的(111)晶面择优织构取向，其织构系数TC(111)为2.0，纳米硬度值31GP。
本发明实施例2切削刀片中的最外层ZrC涂层，沉积生长的晶粒均匀，表面平整致密，表面形貌如图5所示。
对比例2：
采用与实施例2相同的工艺步骤和工艺条件制备对比例2的涂层切削刀具，其工艺条件的区别仅在于：在沉积AlTiCN涂层的工艺条件中，AlCl3的气氛浓度为0.5vol％，调整AlCl3与TiCl4的气氛浓度比例为1.8，NH3的气氛浓度为1.5vol％。
将本发明实施例2的切削刀片表面AlTiCN涂层与对比例2的切削刀片表面AlTiCN涂层进行XRD衍射检测对比，衍射图如图6所示。从图6可以看出，本发明实施例2的切削刀片表面AlTiCN涂层与对比例2的切削刀片表面AlTiCN涂层的织构取向差异明显，织构值对比如下表4所示。
表4实施例2的AlTiCN涂层与对比例2的AlTiCN涂层织构值对比
Figure BDA0002504264090000091
表4中的数据说明，本发明实施例2的切削刀片表面AlTiCN涂层具有(111)晶面择优织构取向，其织构值TC(111)为2.0；而对比例2的切削刀片表面AlTiCN涂层的织构值TC(111)仅为1.3。
切削测试对比3：
将本发明实施例2的涂层切削刀片与对比例2的涂层切削刀片进行铸铁车削加工，对比两个涂层切削刀片的使用寿命，结果如表5所示，切削测试条件：
工件材料：HT300
加工方式：干式车削
刀片型号：CNMG120808-DM
切削速度：350m/min
切深：1.0mm
进给量：0.25mm/r
表5本发明实施例2的涂层切削刀片与对比例2的涂层切削刀片刃口磨损对比
Figure BDA0002504264090000101
实施例2与对比例2的涂层切削测试对比结果表明，针对铸铁的车削加工，与对比例2的涂层切削刀片相比，本发明实施例2的涂层切削刀片的耐磨性更高。
实施例3：
一种本发明的表面涂层切削刀具，包含硬质合金刀具基体和涂覆于刀具基体表面的多层涂层，多层涂层由内到外依次包含有TiN层、AlTiCN层、TiCO层、Zr掺杂α-Al2O3层。
本实施例中，涂层中TiN层的厚度为0.5μm；AlTiCN层的Al含量比例(计量系数x)x＝0.86，C含量比例(计量系数y)y＝0.01，涂层纵向面为柱状晶结构，织构取向值Tc(111)为2.3，纳米硬度值32GP，涂层的厚度为4.0μm；TiCO层的厚度0.5μm；Zr掺杂α-Al2O3层是在AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2沉积气氛体系中加入ZrCl4气氛制备得到，Zr掺杂α-Al2O3涂层中Zr含量为0.59at％，Zr元素以ZrO2微晶形式存在于α-Al2O3晶粒的晶界上，且Zr掺杂α-Al2O3涂层具有(300)晶面强织构取向，取向晶面的强度比值I(300)/I(110)＝2.0，Zr掺杂α-Al2O3涂层的厚度为4.0μm。
一种本实施例的表面涂层切削刀片的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体制备：采用5μm粒径的WC粉体，与9wt％的粘结相Co以及含量1.5wt％的固溶体Ta(Nb)C进行混合，经过压制，烧结，端面研磨及涂层前清洗干燥，制备成切削刀片基体。
(2)采用CVD工艺在切削刀片基体上沉积TiN层，厚度为0.5μm。
(3)利用低压CVD工艺方法在TiN层上沉积AlTiCN涂层，厚度为4.0μm，具体工艺条件为：以AlCl3-TiCl4-NH3-H2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在750℃，沉积压力控制为4mbar，AlCl3的气氛浓度为0.4vol％，AlCl3与TiCl4的气氛浓度比例为2.0，NH3的气氛浓度在1.2vol％，其余为H2气体；
(4)利用CVD工艺在AlTiCN层上沉积一层TiCO层，厚度为0.5μm。
(5)利用CVD工艺在TiCO层上沉积Zr掺杂α-Al2O3涂层，厚度为4.0μm，具体工艺条件为：以ZrCl4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2为沉积气氛体系，沉积温度为1010℃，压力为55mbar，调整所述沉积气氛体系中CO2与HCl的气氛浓度比为0.8，ZrCl4与AlCl3的气氛浓度比为0.12，所述沉积气氛体系中CO2的气氛浓度为3.0vol％，AlCl3的气氛浓度为1.5vol％，H2S的气氛浓度为0.15vol％，其余为对应上述气氛浓度比例的ZrCl4，HCl以及作为平衡的H2气体。
本发明实施例3的切削刀片的Zr掺杂α-Al2O3涂层中，Zr含量为0.59at％，Zr元素以ZrO2微晶形式存在于α-Al2O3晶粒的晶界上，且Zr掺杂α-Al2O3涂层具有(300)晶面强织构取向，取向晶面的强度比值I(300)/I(110)＝2.0，呈现明显的柱状晶结构，涂层晶粒表面平整光滑，表面形貌如图7所示。
对比例3：
采用与实施例3相同的工艺步骤和工艺条件，制备对比例3的涂层切削刀片，其工艺条件的区别在于：工艺过程中没有掺入ZrCl4气氛，沉积形成由TiN层、AlTiCN层、TiCO层及纯α-Al2O3涂层组成的复合涂层切削刀片，涂层的厚度分别与实施例3中的对应涂层的厚度相同。
将本发明实施例3的切削刀片表面Zr掺杂α-Al2O3涂层与对比例3的切削刀片表面纯α-Al2O3涂层进行XRD衍射检测分析，衍射图如图8所示。从图8可以看出，在本发明实施例3的切削刀片表面涂层的衍射谱中没有出现以微晶形式存在于Zr掺杂α-Al2O3涂层中的ZrO2物相衍射峰，说明掺入的ZrO2微晶呈弥散状态分布于基质Al2O3晶界上，ZrO2微晶没有发生团聚生长或粗化，促使基质Al2O3晶粒趋向于柱状晶生长。
实施例3的切削刀片表面Zr掺杂α-Al2O3涂层与对比例3的切削刀片表面纯α-Al2O3涂层的晶面取向织构值对比如下表6所示。
表6实施例3的Zr掺杂α-Al2O3层与对比例3的纯α-Al2O3层晶面织构值对比
Figure BDA0002504264090000111
Figure BDA0002504264090000121
表6中的数据说明，与对比例3的切削刀片表面纯α-Al2O3涂层相比，本发明实施例3的掺ZrCl4沉积气氛的Zr掺杂α-Al2O3涂层具有明显的(300)晶面强织构取向。从图8可知，取向晶面的强度比值I(300)/I(110)为2.0，即为(300)晶面和(110)晶面的XRD衍射峰的强度比。
切削测试对比4：
将本发明实施例3的涂层切削刀片与对比例3的涂层切削刀片进行不锈钢铣削，对比两个涂层切削刀片在相同切削时间下的刃口磨损情况，结果如表7，切削测试条件如下：
工件材料：1Cr18Ni9Ti
加工方式：干式铣削
刀片型号：SEET12T3-DM
切削速度：220m/min
切深：1.0mm
进给量：0.2mm/z
表7本发明实施例3的涂层切削刀片与对比例3的涂层切削刀片刃口磨损对比
Figure BDA0002504264090000122
切削测试对比5：
将本发明实施例3的涂层切削刀片与对比例3的涂层切削刀片进行钢材铣削，对比两个涂层切削刀片在相同切削时间下的刃口磨损情况，结果如表8，切削测试条件如下：
工件材料：45#
加工方式：干式铣削
刀片型号：SEET12T3-DM
切削速度：350m/min
切深：1.5mm
进给量：0.24mm/z
表8本发明实施例3的涂层切削刀片与对比例3的涂层切削刀片刃口磨损对比
Figure BDA0002504264090000131
实施例3与对比例3的涂层刀片切削测试对比结果表明，针对钢材，不锈钢的铣削加工，与对比例3的涂层切削刀片相比，本发明实施例3的涂层切削刀片的耐磨性能及抗崩刃性能均改善，涂层切削刀片的寿命明显提高；且对于不锈钢加工，本发明实施例3的涂层切削刀片的抗切屑粘附的情况较好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种表面涂层切削刀具，其特征在于，包括刀具基体和覆于刀具基体表面的多层涂层，所述多层涂层至少包括AlTiCN涂层以及涂覆在所述AlTiCN涂层上的含Zr的表面涂层，所述含Zr的表面涂层至少包括一层Zr掺杂α-Al2O3涂层；
所述AlTiCN涂层中，Al含量比例以计量系数x表示，则0.68≤x≤0.93，C含量比例以计量系数y表示，则0≤y≤0.02，所述AlTiCN涂层的厚度为3μm～20μm；
所述AlTiCN涂层具有(111)晶面择优织构取向，织构系数TC(111)≥1.8，所述AlTiCN涂层呈纤维状的柱状晶结构，所述AlTiCN涂层的纳米硬度≥30GPa 。
2.根据权利要求1所述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述Zr掺杂α-Al2O3涂层中，掺杂的Zr含量的原子百分比为0.1％～1.0％，掺杂的Zr以ZrO2微晶形式存在于α-Al2O3涂层中，所述Zr掺杂α-Al2O3涂层的厚度为0.5μm～6.0μm。
3.根据权利要求1所述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述Zr掺杂α-Al2O3涂层的织构系数TC(110)为1.6～3.1，TC(300)为1.5～4.0。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述含Zr的表面涂层还包括设于所述Zr掺杂α-Al2O3涂层表面的含Zr层，所述含Zr层包括ZrC层、ZrN层和ZrCN层中的至少一层。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述AlTiCN涂层与所述刀具基体之间还设有硬质基底层，所述硬质基底层包括TiN层和TiCN层中的至少一层。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述AlTiCN涂层与所述含Zr的表面涂层之间还设有硬质层，所述硬质层包括TiN层、TiCO层和α-Al2O3层中的至少一层。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的表面涂层切削刀具，其特征在于，所述含Zr的表面涂层还包括设于所述Zr掺杂α-Al2O3涂层表面的含Zr层，所述含Zr层包括ZrC层、ZrN层和ZrCN层中的至少一层，所述AlTiCN涂层与所述刀具基体之间还设有硬质基底层，所述硬质基底层包括TiN层和TiCN层中的至少一层，所述AlTiCN涂层与所述含Zr的表面涂层之间还设有硬质层，所述硬质层包括TiN层、TiCO层和α-Al2O3层中的至少一层。
8.一种如权利要求7所述的表面涂层切削刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备刀具基体；
(2)采用CVD工艺在所述刀具基体上沉积硬质基底层；
(3)采用低压CVD工艺在所述硬质基底层上沉积AlTiCN涂层，工艺条件包括：以AlCl3-TiCl4-NH3-H2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在700℃～850℃，沉积压力控制在2mbar～8mbar，控制所述沉积气氛体系中的AlCl3与TiCl4的气氛浓度比例为0.5～12，调整所述沉积气氛体系中NH3的气氛浓度为0.8vol％～1.2vol％，其余为H2气体；
(4)采用CVD工艺在所述AlTiCN涂层上沉积硬质层；
(5)采用CVD工艺方法在所述硬质层上沉积Zr掺杂α-Al2O3涂层，工艺条件包括：以ZrCl4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在980℃～1050℃，沉积压力控制在50mbar～70mbar，调整所述沉积气氛体系中的CO2与HCl的气氛浓度比为0.7～0.8，调整所述沉积气氛体系中的ZrCl4与AlCl3的气氛浓度比为0.10～0.12，同时控制所述沉积气氛体系中H2S的气氛浓度为0.12vol％～0.15vol％，其余为H2气体；
(6)采用CVD工艺在所述Zr掺杂α-Al2O3涂层上沉积含Zr层，含Zr层包括ZrC层、ZrN层和ZrCN层中的至少一层，工艺条件如下：
当沉积所述ZrC层时，工艺条件包括：以ZrCl4-Ar-H2-CH4作为沉积气氛体系，沉积温度控制在1000℃～1050℃，沉积压力控制在150mbar～500mbar，ZrCl4气氛浓度为0.6vol％～1.3vol％，CH4气氛浓度为3.8vol％～5.8vol％，Ar气体浓度为4.5vol％～7.6vol％，其余为H2气体；
当沉积所述ZrN层时，工艺条件包括：以ZrCl4-Ar-H2-N2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在1000℃～1050℃，沉积压力控制在150mbar～500mbar，ZrCl4气氛浓度为0.5vol％～0.8vol％，N2的气氛浓度为22vol％～30vol％，Ar气体浓度为4.5vol％～7.6vol％，其余为H2气体；
当沉积所述ZrCN层时，工艺条件包括：以ZrCl4-Ar-H2-CH4-N2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在1000℃～1050℃，沉积压力控制在150mbar～500mbar，ZrCl4气氛浓度为0.5vol％～1.0vol％，CH4气氛浓度为2.4vol％～2.8vol％，N2与CH4的气氛浓度比为8～12，Ar气体浓度为5.0vol％～6.0vol％，其余为H2气体。
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