CN112064021A - 一种采用热致相变膜调控刀具涂层应力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用热致相变膜调控刀具涂层应力的方法，其特征在于，在刀具基体和切削涂层间采用热致相变膜作为应力调控层调节刀具涂层应力。热致相变膜为具有金属‑绝缘体可逆相变特性的材料，相变材料属于钒氧化物材料或钙钛矿ABO3型结构材料。热致相变膜和匹配层的制备的方法可选化学制备法、物理制备法或其他现有的制备方法。本发明能够直接调控涂层刀具在制备或使用过程中涂层应力，提高涂层的抗剥落能力和使用性能，解决涂层刀具推广应用中存在的技术瓶颈，满足现代制造业对高性能石涂层刀具的需求。

Description

一种采用热致相变膜调控刀具涂层应力的方法
技术领域
本发明涉及一种应力调节技术，具体地说是一种可有效调控在制备和使用过程中刀具涂层应力的方法。
背景技术
我国现代制造业的发展对切削加工的效率与质量要求越来越高，复合材料、硬脆材料等难加工材料在航空、汽车等领域的应用越来越多，新材料的不断出现使得切削加工难度越来越大，这要求刀具具有更好的切削性能。由于膜基膨胀系数不同，易造成涂层脱落，影响刀具的使用寿命。
为了提高涂层刀具的膜基结合性能，目前采用的主要解决方法是对基体预处理或在基体上施加过渡层。预处理有效消除基体中某些元素对涂层制备的不利影响，提高了涂层的成核密度，但表面预处理后的刀具表面层存在疏松缺陷，疏松层导致膜基界面区域内基体的力学性能下降，这大大降低了涂层的承载能力；施加单层或多层物理介质的过渡层一方面能够消除基体中某些元素的不利影响，另一方面能够减少基体与涂层之间界面物理性能的突变，缓和应力集中，改善基体与涂层的浸润性，但过渡层上生长涂层的方法没有从根本上解决涂层生长热应力大的问题，也不能解决切削过程中涂层热应力的调控问题。
发明内容
本发明的目的是针对目前涂层刀具在制备或使用过程中由于热应力过大造成涂层脱落的问题，发明一种采用热致相变膜调节刀具涂层应力的方法，这种方法能够直接调节涂层刀具在制备或使用过程中涂层应力，提高涂层的抗剥落能力和使用性能，满足现代制造业对高性能涂层刀具的需求。
本发明的技术方案是：
一种采用热致相变膜调控刀具涂层应力的方法，其特征在于，在刀具基体和切削涂层间增加一层热致相变膜作为应力调控层调节刀具涂层应力。
所述的热致相变膜与刀具基体或切削涂层之间的失配度大于25%，则需要要在刀具基体和热致相变膜之间增加第一匹配层，在切削涂层与热致相变膜之间增加第二匹配层，从而得到结构依次为基体、第一匹配层、热致相变膜、第二匹配层、切削涂层的刀具涂层。若基体与热致相变膜的失配度小于25%，则不需要增加第一匹配层，否则需要增加第一匹配层；同理，切削涂层与热致相变膜间是否需要增加第二匹配层根据两者的失配度决定。
所述的第一匹配层或第二匹配层与对应的为单层或多层结构。也就是说如果第一匹配层或第二匹配层与紧邻的上层或下层的失配度大于等于25%，则在两者之间须再增加一层以上的匹配层，直到匹配层和相邻的上、下层的失配度小于25%。
所述的第一匹配层和第二匹配层应依据其与相邻上下层的匹配度和结合力选择所用材料；第一匹配层和第二匹配层的厚度为10-100nm。
所述的热致相变膜为具有金属-绝缘体可逆相变特性的材料，相变材料属于钒氧化物材料或钙钛矿ABO3型结构材料，要求其相变温度在50℃以上，根据相变特性，相变材料发生相变前后，其受到的应力会减少；根据刀具具体使用情况，热致相变膜的厚度优选1-20μm。
所述的涂层刀具中基体和切削涂层的热膨胀系数不同，在制备或使用中温度的变化引起两者界面产生应力，热致相变膜相变时可调控应力，进而提高涂层刀具使用性能。
所述的热致相变膜和第一匹配层、第二匹配层的制备的方法为化学制备法、物理制备法或其他现有的制备方法。
所述的涂层刀具适用于切削过程中经热致相变膜调整后应力依然小于结合力的工作环境中。
所述的刀具基体为高速钢、不锈钢、硬质合金基体、ZrO2基体、塞隆基体、Si3N4基体、TiCN基体、Al2O3基体、CBN基体或金刚石基体。
所述的切削涂层为CVD涂层、PVD涂层或PCVD涂层中一种或几种的复合涂层，每层涂层的厚度不作要求。
本发明的有益效果：
1、通过热致相变膜调控涂层刀具在制备或使用过程中涂层应力。热致相变材料具有金属-绝缘体可逆相变的性能，当刀具温度达到相变温度时，热致相变材料发生相变，其受到的应力会减少，提高涂层刀具使用性能。
2、基体与热致相变膜间和涂层与热致相变膜间可增加其他材料作为匹配层，目的是增加两者之间的结合性能，提高涂层抗剥落能力，匹配层是否需要制备根据两者之间匹配度确定。根据具体匹配情况，匹配层可为多层材料。
3、热致相变膜和匹配层的制备的方法可选化学制备法、物理制备法或其他现有的制备方法。
4、涂层刀具适用于切削过程中经热致相变膜调整后应力依然小于结合力的工作环境中。
5、刀具基体可选各种高速钢、不锈钢等钢制刀具基体，硬质合金基体，ZrO2基体，塞隆基体，Si3N4基体，TiCN基体，Al2O3基体，CBN基体，金刚石基体。切削涂层可选CVD涂层、PVD涂层或PCVD涂层中一种或几种的复合涂层，每层涂层的厚度不作要求。
6、采用热致相变材料在涂层的制备和使用过程中实现涂层应力的自适应调控，从而大幅度提高涂层刀具的涂层抗剥落能力和使用性能，解决涂层刀具推广应用中存在的技术瓶颈。
7、以下是本发明具体的实施效果例：
采用本发明后，通过磁控溅射方法在基体上制备热致相变膜以及增加结合性能的匹配层，然后通过CVD方法制备CVD金刚石涂层，以得到可调节应力的金刚石刀具。
附图说明
图1是本发明的刀具结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示。
一种采用热致相变膜调控刀具涂层应力的方法，在刀具基体和切削涂层间采用热致相变膜作为应力调控层调节刀具涂层应力，该刀具涂层的结构依次为基体、第一匹配层（以下简称匹配层A）、热致相变层、第二匹配层（以下简层匹配层B）、切削涂层。
热致相变膜为具有金属-绝缘体可逆相变特性的材料，相变材料属于钒氧化物材料或钙钛矿ABO3型结构材料，热致相变膜为具有金属-绝缘体可逆相变特性的材料，相变材料属于钒氧化物材料或钙钛矿ABO3型结构材料。
若基体与热致相变膜的失配度小于25%（失配度是指衬底和外延层的晶格常数不同而产生的失配程度），则不需要增加匹配层A，否则需要增加匹配层A。同理，切削涂层与热致相变膜间是否需要增加匹配层B根据两者的失配度决定。若匹配层与上层或下层的失配度大于等于25%，则在两者之间再增加一层匹配层，直到匹配层和上、下层的失配度小于25%。综上所述，匹配层A、B可为多层的，匹配层可依据与上下层的匹配度和结合力选择任何材料，其中匹配层A的上层为热致相变膜，下层为基体，匹配层B的上层为切削涂层，下层为热致相应膜，每层匹配层的厚度优选10-100nm。
具体例1：
1、基体清洗。选用硬质合金基体，分别采用丙酮和无水乙醇超声波清洗15min。然后吹干，放入磁控溅射炉内。
2、热致相变膜制备。采用磁控溅射设备选最佳工艺参数先制备V匹配层，然后再制备VO2热致相变薄膜。V匹配层厚度为20nm，VO2薄膜厚度为1μm。
3、CVD金刚石涂层制备。采用CVD设备选最佳工艺参数在VO2薄膜上制备CVD金刚石涂层。
具体实施时，热致相变膜的材料选择根据涂层刀具的使用情况确定。匹配层是否需要制备根据基体与热致相变膜间、切削涂层与热致相变膜间的匹配度确定。最佳工艺参数根据具体试验需要而定。
具体例2：
1、基体清洗。选用硬质合金基体，分别采用丙酮和无水乙醇超声波清洗15min。然后吹干，放入磁控溅射炉内。
2、热致相变膜制备。采用磁控溅射设备选最佳工艺参数先制备V匹配层A，然后再制备VO2热致相变薄膜。V匹配层厚度为50nm，VO2薄膜厚度为5μm。
3、采用磁控溅射设备选最佳工艺参数先制备V匹配层B。
4、CVD金刚石涂层制备。采用CVD设备选最佳工艺参数在V匹配层B上制备CVD金刚石涂层。
具体实施时，热致相变膜的材料选择根据涂层刀具的使用情况确定。匹配层是否需要制备根据基体与热致相变膜间、切削涂层与热致相变膜间的匹配度确定。最佳工艺参数根据具体试验需要而定。
具体例3：
修改具体例1或2的参数，更换基体材料，使得得到的VO2热致相变薄膜的厚度在2-20微米之间变化，而匹配层A和匹配层B的数量发生变化，其厚度也在10-100纳米之间变化。
具体例4：
修改具体例1-3中的热致相变膜为钙钛矿ABO3型结构材料，其余不变。
通过使用实施例1-4所获得的近20把刀具，实测使用寿命同比提高80-200%。切削质量也有明显提高，粗糙度等级提升2级以上。进一步证明了本发明从根本上解决了涂层生长热应力大的问题，解决了切削过程中涂层热应力的调控问题，具有广阔的应用前景，对提高加工质量，降低加工成本具有明显的意义。
本发明未未涉及的前处理、制备工艺和后处理等均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种采用热致相变膜调控刀具涂层应力的方法，其特征在于，在刀具基体和切削涂层间增加一层热致相变膜作为应力调控层调节刀具涂层应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，热致相变膜与刀具基体或切削涂层之间的失配度大于25%，则需要要在刀具基体和热致相变膜之间增加第一匹配层，在切削涂层与热致相变膜之间增加第二匹配层，从而得到结构依次为基体、第一匹配层、热致相变膜、第二匹配层、切削涂层的刀具涂层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，第一匹配层或第二匹配层与对应的为单层或多层结构。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是第一匹配层和第二匹配层应依据其与相邻上下层的匹配度和结合力选择所用材料；第一匹配层和第二匹配层的厚度为10-100nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，热致相变膜为具有金属-绝缘体可逆相变特性的材料，相变材料属于钒氧化物材料或钙钛矿ABO3型结构材料，要求其相变温度在50℃以上，根据相变特性，相变材料发生相变前后，其受到的应力会减少；根据刀具具体使用情况，热致相变膜的厚度优选1-20μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是涂层刀具中基体和切削涂层的热膨胀系数不同，在制备或使用中温度的变化引起两者界面产生应力，热致相变膜相变时可调控应力，进而提高涂层刀具使用性能。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是热致相变膜和第一匹配层、第二匹配层的制备的方法为化学制备法、物理制备法。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是涂层刀具适用于切削过程中经热致相变膜调整后应力依然小于结合力的工作环境中。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征是刀具基体为高速钢、不锈钢、硬质合金基体、ZrO2基体、塞隆基体、Si3N4基体、TiCN基体、Al2O3基体、CBN基体或金刚石基体。
10.据权利要求1所述的方法，其特征是切削涂层为CVD涂层、PVD涂层或PCVD涂层中一种或几种的复合涂层。
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