CN112342525B - 一种适用于蠕墨铸铁切削加工的cvd涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层及其制备方法，涂层包括化学气相沉积(CVD)的TiCN涂层，该涂层由柱状晶粒构成，其晶粒宽度为0.03‑5μm，且长宽比≥2，且沿晶面指数220方向有较强的单一方向择优生长；该CVD涂层可单独或与其他涂层搭配施加于烧结碳化物、金属陶瓷或陶瓷的基体全部或部分，形成切削工具；本发明使得这种涂层显示出较现有技术具有更强的耐热性能与韧性，适用于磨损强烈及容易产生热裂纹的工况，特别适用于加工蠕墨铸铁材料。

Description

一种适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及刀具技术领域，特别是涉及一种适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层及其制备方法。

背景技术

蠕墨铸铁(compacted graphite cast iron或vermicular graphite cast iron，简称CGI)是一种石墨组织为蠕虫状的铸铁。蠕墨铸铁的导热性、耐热疲劳性、减震性高于球墨铸铁，其强度高于一般铸铁及合金铸铁，低于球墨铸铁。国内蠕墨铸铁熔铸是用高碳、低硫、低磷的铁液加入蠕化剂(稀土镁钛合金、稀土镁钙合金、稀土硅铁合金等)，经过蠕化处理后获得的高强度铸铁。蠕铁的原铁液一般属于高碳硅的共晶合金或过共晶合金。其显微组织一般有三种类型：第一，铁素体+蠕虫状石墨；第二，珠光体+铁素体+蠕虫状石墨；第三，珠光体+蠕虫状石墨，其中第三种组织硬度最高。影响蠕墨铸铁强度的最主要因素为蠕化率，即石墨组织转变为蠕虫状石墨的比例。

进入21世纪后，内燃机朝高马力、高转矩、低废气排放以及降低燃料使用量发展，要求使用更高的腔内高峰点火压力，因此其热负荷与机械负荷会超过现在的常规铸铁、合金铸铁及铝合金耐受范围。作为可以满足这些需求的理想材料，蠕墨铸铁成为未来内燃机特别是柴油机缸体主要应用材质的趋势逐渐明朗。

许多生产内燃机的企业开始着重研究开发以蠕墨铸铁为材质的内燃机铸件，包括在内燃机正常工作中占有重要地位的缸体、缸盖、排气管等部件。但是蠕铁材料的加工存在以下难点：首先其热导率低，加工刀具容易在刀尖聚集热量，形成热裂纹及缺口而失效；其次，蠕铁工件的铸造表面存在铁素体表皮，加工时容易产生粘结磨损；再次，蠕虫状的石墨组织阻碍形变裂纹扩展，其强度与刚度比灰铁更高；最后，由于蠕铁熔铸蠕化的特殊要求，S含量被严格控制在相当低的水平，因此，不容易产生自润滑，加剧刀具磨损，同时蠕化剂中添加不利于切削加工的Ti元素也会加剧刀具的化学磨损。因此蠕铁材料的加工特性为限制其应用的一大难题。

化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)，指把一种或几种含有构成涂层薄膜元素的化合物或单质气体通入放置有基体材料的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面沉积固态薄膜的工艺技术，谋求提高耐磨性、导电导热性、抗氧化性等特殊性能。具有涂层的硬质合金刀具比没有涂层刀具的寿命可提高5倍以上。

CVD方法在基体上所沉降的涂层可以为单一涂层或多种类型组合，如TiC、TiN、TiCN、Al₂O₃、TiAlN等，其中应用最广泛的主要功能涂层为700-900℃中温温度范围沉积的MT-TiCN涂层及900-1100℃温度沉积的Al₂O₃涂层。

蠕墨铸铁涂层刀具方面，美国专利No.6638609公开了一种涂层铣刀片，适用于在中等切削速度下，湿铣具有或不具有铸造表皮的球磨铸铁和蠕墨铸铁。

US20060115683专利文献公开了一种WC-Co(含高W合金化粘结相)/TiC_xN_yO_z/TiC_xN_y/α-Al₂O₃的铣刀片，适用于在高的铣削速度下，干铣具有或不具有铸造表皮的灰口铸铁、蠕墨铸铁或球墨铸铁。其中的TiCN层为采用公知的的CH3CN提供C源及N源沉积TiC_xN_y涂层，α-Al2O3为采用公知方法沉积。

CN200710110109.0专利文献公开了一种涂层铣刀片，WC-Co(含高W合金化粘结相)/TiC_xN_yO_z/TiC_xN_y/TiC_xN_yO_z/α-Al₂O₃/(TiN或ZrN)的铣刀片，其中TiC_xN_yO_z为过渡层，主要功能层为TiC_xN_y及α-Al₂O₃，TiC_xN_y层采用一般的CH₃CN为C源及N源沉积TiC_xN_y涂层，α-Al₂O₃为采用公知的方法沉积，沿刀刃无最外层TiN或ZrN，适用于在高的铣削速度下，干铣具有或不具有铸造表皮的灰口铸铁、蠕墨铸铁或球墨铸铁。

中温范围使用TiCl₄+CH₃CN+N₂+H₂体系沉积MT-TiCN是一种公知的方法。TiC晶格结构中，N原子占据原来C原子而形成的结构即为TiCN结构。其涂层结构一般为柱状晶，晶粒长度接近涂层厚度，可以通过在该体系中进行掺杂并调节反应物成分来调节MT-TiCN涂层结构与性能。

US20020012818专利文献公开了一种采用CO掺杂获得纳米晶MT-TiCN的方法，但纳米晶粒结构容易降低涂层的抗月牙洼磨损。

US6472060专利文献公开了一种采用较高CO流量(优选7％-9％)掺杂的等轴MT-TiCN涂层，其韧性提高，但在高速切削时，纳米晶涂层由于高温下产生晶界滑移，进而发生塑性变形，导致耐磨性降低。

US20040265541专利文献公开了一种使用CO、CO₂、ZrCl₄、HfCl₄和AlCl₃或这些物质的组合进行掺杂来获得50-300nm(优选50-150nm)等轴晶粒结构的MT-TiCN涂层，这种涂层无明显织构，适用于韧性要求较高的用途，磨削塑性不锈钢材料。

US20070110897专利文献公开了一种使用CO、CO₂、ZrCl₄和AlCl₃或这些物质的组合进行掺杂来获得晶粒结构为30-300nm且长宽比5以上(优选大于10)的MT-TiCN涂层，这种涂层具有晶面指数422或晶面指数331择优生长，提高耐磨性的同时保持了韧性，适用于耐磨性要求较高的用途，例如碳钢或灰口铸铁的铣削。

目前对应用于蠕墨铸铁加工用涂层刀具进行TiCN功能层改性的相关公开信息较少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层及其制备方法，使得这种涂层显示出较现有技术具有更强的耐热性能与韧性，适用于磨损强烈及容易产生热裂纹的工况，特别适用于加工蠕墨铸铁材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层，是由烧结碳化物、金属陶瓷或陶瓷的基体全部或部分涂覆涂层构成；所述涂层的总厚度为5-40μm优选8-25μm；所述涂层由一层或多层耐热涂层构成，其中至少包含一层厚度为1-30μm优选2-15μm的化学气相沉积(CVD)的TiCN涂层；所述TiCN涂层由柱状晶粒构成，其晶粒宽度为0.03-5μm优选0.3-2μm，且长宽比≥2。

所述涂层至少有一层的织构系数TC(220)＞2；

其中织构系数TC(hkl)定义为：

其中：

I(hkl)为测得的(hkl)反射强度；

I₀(hkl)为根据JCPDS卡片库No.42-1489对应(hkl)晶面的的标准强度；

n为在计算中所采用的晶面指数，(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)、(331)、(420)、(422)、(511)。

所述TiCN涂层是TiAlN、Al₂O₃、和/或Ti、Zr、Hf中的一种或多种碳化物、氮化物、碳氮化物或羟基氮化物搭配组合涂覆在烧结碳化物、金属陶瓷或陶瓷的基体上。

一种适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层的制备方法，包括TiCN涂层的沉积制作；所述TiCN涂层的沉积制作是在已知的TiCl4-CH3CN-N2-H2反应物体系的基础上添加掺杂剂，并且通过以下步骤制作：

A.形核步骤；

B.温度变化速率受控的降温沉积步骤。

所述沉积制作中采用的掺杂剂包括CO和碳氢化合物，所述碳氢化合物为CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、C₃H₈或C₃H₆。

所述形核步骤中，形核温度区间为800℃-1020℃，优选890℃-910℃，压力为60mbar-160mbar，优选85mbar-95mbar，且采用TiCl₄提供Ti，采用CH₃CN提供C和N，采用所述掺杂剂提供C和/或O，各反应物流量为：

TiCl₄，占总气体流量的1.5％-4.0％，优选2.0-3.0％；

CH₃CN，占总气体流量的0.1％-2.0％，优选0.4％-0.8％；

N₂，占总气体流量的10％-30％，优选15-22％；

碳氢化合物，占总气体流量的0.5％-16％，优选0.9％-5％的范围；

CO，占总气体流量的0.01％-0.1％；

H₂，占比为总气体流量的剩余流量。

所述温度变化速率受控的降温沉积步骤中，沉积温度区间为800-1020℃，优选830-910℃，温度变化速率为0-5℃/min，优选0.2-1℃/min，采用TiCl₄提供Ti，采用CH₃CN提供C和N，采用所述掺杂剂提供C和/或O，且沉积过程中选择掺杂或不掺杂CO。

所述TiCN涂层的沉积制作还包括在所述形核步骤和/或温度变化速率受控的降温沉积步骤过程中额外掺杂AlCl₃和/或元素周期表中IV-VI族元素的化合物，如ZrCl₄和/或HfCl₄，其织构会发生改变，但仍然具有220择优生长，组成元素包括但不限于Ti、C、N，可以为Ti_uAl_vX_w(C_xN_yO_z)，其中0.3＜u＜0.7，0≤v＜0.5，0≤w＜0.5，0.3＜x＜0.9，0＜y＜0.9，0≤z≤0.3，其中X为自选化学元素周期表中IV-VI族元素。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本发明通过化学气相沉积(CVD)过程中特定的形核及沉积步骤调整优化TiCN涂层的微观结构，从而大幅提高其耐热性能与韧性。可以通过CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、C₃H₈、C₃H₆或这些组合来掺杂诱导TiCN涂层的形核和生长，改变其物性。本发明沉积的这种涂层，晶粒的长宽比在2以上，且晶粒沿220有较强的择优生长。这种掺杂途径获得的涂层显示出较现有技术更强的耐热性能与韧性，适用于磨损强烈及容易产生热裂纹的工况，特别适用于在中高速下蠕墨铸铁、灰口铸铁及合金化灰口铸铁的粗加工、半精加工及精加工。蠕墨铸铁材料，相比断屑更为容易的灰口铸铁，其蠕虫状的石墨组织会阻碍裂纹扩展，不易断屑，其切屑会持续的与刀具进行摩擦，因此切削温度比灰口铸铁更高，而且热导率更低，对晶界的高温强度要求更高。根据本发明，可以在不减小柱状Ti(C,N)晶粒尺寸的同时改善其韧性，避免晶粒减小导致高温下晶界滑动导致的问题。本发明微米级的柱状晶结构与亚微米或纳米级别的柱状晶或等轴晶涂层相比，在中高速铣削的高温下，其晶界滑动行为更少，因此特别适用于蠕墨铸铁的加工。本发明的涂层可以与其他CVD涂层或PVD涂层，例如Al₂O₃及TiAlN等涂层结合始使用来提高刀具的耐磨性等性能。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层及其制备方法不局限于实施例。

附图说明

图1是现有技术的MT-TiCN涂层的5000倍SEM表面结构；

图2是现有技术MT-TiCN涂层的10000倍SEM剖面结构；

图3是本发明改进的TiCN涂层的5000倍SEM表面结构(使用形核与沉积步骤)；

图4是本发明改进的TiCN涂层的10000倍SEM剖面结构(使用形核与沉积步骤)；

图5是本发明改进的TiCN涂层的5000倍SEM表面结构(使用沉积步骤，不使用形核步骤)；

图6是本发明改进的TiCN涂层的10000倍SEM剖面结构(使用沉积步骤，不使用形核步骤)；

图7是使用现有技术获得的TiCN涂层的衍射图谱；

图8是本发明改进的TiCN涂层的典型XRD衍射结构(使用形核与沉积步骤)；

图9是本发明改进的TiCN涂层典型XRD衍射结构(使用沉积步骤，不使用形核步骤)；

图10是TiN-MT-TiCN(现有技术)-TiAlCNO-α-Al₂O₃涂层铣刀片的典型失效形貌；

图11是TiN-TiCN(本发明，使用形核与沉积步骤)-TiAlCNO-α-Al₂O₃涂层铣刀片的典型失效形貌；

图12是TiN-TiCN(本发明，使用沉积步骤，不使用形核步骤)-TiAlCNO-α-Al₂O₃涂层铣刀片的典型失效形貌。

具体实施方式

实施例

本发明提供了一种通过特定的形核及沉积步骤获得具有强220织构的TiCN涂层的方法，根据本发明获得的涂层的晶粒宽度为0.03-5μm，优选为0.3-2μm，且长宽比≥2。相对于已知的掺杂沉积MT-TiCN技术，本发明的这种TiCN涂层具有更好的韧性与高温稳定性，特别适用于蠕墨铸铁材料的加工，在各加工参数下，该涂层均可以有效的抑制热裂纹在切削刀具上的扩展，并抑制崩刃，刀具耐磨性提高了40-200％，提升效果取决于具体的切削参数及切削刀具的几何形状。

实例1

将常规6.0wt％Co的WC-Co合金通过研磨、压制烧结成型后的SNEU1206ANEN-GM型号的硬质合金刀片，这些烧结后刀片的金相显示，其晶粒度约1.5μm，且刃口处没有钴富集现象。使用已知的湿喷沙(氧化铝颗粒)方法，将这些刀片的刃口钝化成圆弧30μm，获得未涂层的刀片。

实例2

采用实例1中的未涂层的刀片，进行以下涂层。

1.以CVD现有技术顺序沉积TiN-TiCN，其中TiN约1μm，TiCN约10μm，获得涂层刀片，记为a。

2.以CVD现有技术顺序沉积TiN，厚度约1μm。

然后以本发明提供的形核与沉积方法沉积TiCN约10μm，具体的沉积过程为：

a)形核步骤，在TiN沉积完成后进行，持续时间为30分钟，采用压力为90mbar，温度为890℃，气体体积百分数：1.3％的C₂H₄，3.0％的TiCl₄，0.45％的CH3CN，20％的N₂，0.1％的CO，以及占比为总气体流量的剩余流量的H₂。

b)沉积步骤，持续时间为360min，采用的压力为90mbar，温度为890℃-850℃，降温速率为0.3℃/min，气体体积百分数：1.5％的C₂H₄，3.2％的TiCl₄，0.5％的CH₃CN，15.7％的N₂，0.6％的HCl用于促进涂层的均匀性，以及占比为总气体流量的剩余流量的H₂。

该组刀片记为b。

3.以CVD现有技术顺序沉积TiN，厚度约1μm。

然后以本发明提供的沉积方法沉积TiCN约10μm，与b组刀片的区别为去除了形核步骤，具体的沉积过程为：

持续时间为390min，采用的压力为90mbar，温度为890℃-850℃，降温速率为0.3℃/min，温度到达850℃后恒温，气体体积百分数：1.5％的C₂H₄，3.2％的TiCl₄，0.5％的CH₃CN，15.7％的N₂，以及0.6％的HCl用于促进涂层的均匀性，以及占比为总气体流量的剩余流量的H₂。

该组刀片记为c。

实例3

将实例2中获得的刀片a、b、c进行SEM形貌表征，获得的表面与截面形貌图如图1至图6所示。现有技术沉积的刀片a表面涂层形貌见图1，涂层晶粒长宽比不固定，范围分布在1-5左右；刀片a的截面形貌见图2，其涂层晶粒宽度大部分集中在1-3μm。采用本发明形核与沉积步骤获得的涂层刀片b，其表面形貌见图3，涂层晶粒的长宽比大部分在2以上；截面相貌见图4，涂层晶粒宽度大部分集中在0.3-1μm。仅采用本发明沉积步骤得到的涂层刀片c，其表面形貌见图5，涂层晶粒长宽比在部分在2以上，且表面存在长宽比小于2的晶粒；c刀片的截面形貌见图6，其涂层晶粒宽度0.3-2μm。可见采用形核与沉积步骤获得的涂层长径比更可控，晶粒大小分布范围更均匀。

对a、b、c三组刀片的涂层进行XRD衍射分析。a组刀片使用现有技术获得的TiCN涂层的衍射图谱见图7，其晶粒生长有较强的(111)及(311)织构。b组刀片使用本发明的形核与沉积步骤获得的TiCN涂层的衍射图谱见图8，其晶粒沿晶面指数220单一方向择优生长。c组刀片去除本发明的形核步骤，仅使用本发明的沉积步骤的获得的TiCN涂层的衍射图谱见图9，也具有晶面指数220方向的择优生长，沿其他方向，如晶面指数111方向的生长也较强。

将织构系数TC(hkl)定义为：

其中：I(hkl)为测得的(hkl)反射强度；I₀(hkl)为根据JCPDS卡片库No.42-1489对应(hkl)晶面的的标准强度；n为在计算中所采用的晶面指数，(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)、(331)、(420)、(422)、(511)。a、b与c三组刀片各10片计算的TC(220)平均值见表1。

表1

实例4

采用实例1中的未涂层刀片，进行以下涂层。

1.以CVD方法的现有技术顺序沉积TiN-TiCN-TiAlCNO-α-Al2O3。其中，TiN与TiAlCNO为粘合薄层，分别用于粘合基体与TiCN层、TiCN层与α-Al₂O₃层。TiN约1μm，TiCN约5μm，TiAlCNO约0.3μm，α-Al₂O₃约4μm。

用氧化铝颗粒湿喷沙涂层刀片，直到刀片表面粗糙度Ra＜1μm，该组刀片记为d。

2.以CVD方法顺序沉积TiN-TiCN-TiAlCNO-α-Al₂O₃，具体实施步骤如下。

采用现有技术沉积TiN薄层，厚度约1μm。

采用本发明中提供的形核与沉积方法沉积TiCN层，厚度约5μm，

a)形核步骤，在TiN沉积完成后进行，持续时间为30分钟，采用压力为90mbar，温度为890℃，气体体积百分数：1.3％的C₂H₄，3.0％的TiCl₄，0.45％的CH₃CN，20％的N₂，0.1％的CO，以及占比为总气体流量的剩余流量的H₂。

b)沉积步骤，持续时间为160min，采用的压力为90mbar，温度为890℃-850℃，降温速率为0.3℃/min，气体体积百分数：1.5％的C₂H₄，3.2％的TiCl₄，0.5％的CH₃CN，15.7％的N₂，0.6％的HCl用于促进涂层的均匀性，以及占比为总气体流量的剩余流量的H₂。

采用现有技术沉积TiAlCNO，厚度约0.1-0.3μm

采用现有技术沉积α-Al₂O₃，厚度约4.5μm。

用氧化铝颗粒湿喷沙涂层刀片，直到刀片表面粗糙度Ra＜1μm，该组涂层刀片记为e。

3.以CVD方法顺序沉积TiN-TiCN-TiAlCNO-α-Al₂O₃，具体实施步骤如下。

采用现有技术沉积TiN薄层，厚度约1μm。

采用本发明中提供的沉积方法沉积TiCN层，厚度约5μm，

沉积步骤持续时间为190min，采用的压力为90mbar，温度为890℃-850℃，降温速率为0.3℃/min，气体体积百分数：1.5％的C₂H₄，3.2％的TiCl₄，0.5％的CH₃CN，15.7％的N₂，0.6％的HCl用于促进涂层的均匀性，以及占比为总气体流量的剩余流量的H₂。

采用现有技术沉积TiAlCNO，厚度约0.1-0.3μm

采用现有技术沉积α-Al₂O₃，厚度约4.5μm。

用氧化铝颗粒湿喷沙涂层刀片，直到刀片表面粗糙度Ra＜1μm，该组涂层刀片记为f。

表2

实例5

使用实例4中获得的现有技术涂层刀片d、本发明涂层刀片e、f，干式铣削RuT450蠕墨铸铁铸锭材料进行寿命判定，采用的对比刀片为现有技术的一种蠕墨铸铁铣削刀片g，结果见表3。

d组刀片的失效形式见图10，可见现有技术的涂层刀具失效形式为热裂纹扩展与刃口崩缺。e组刀片的失效形貌见图11，可见本发明形核与沉积步骤获得的涂层刀片，热裂纹最少，失效时，刃口磨损较为均匀。f组刀片相比e组在沉积TiCN时去除了形核步骤，的失效形貌见图12，相比现有技术获得的涂层刀片d，其热裂纹有所减少，磨损较为均匀，但刃口完整度较e组刀片差。

刀盘直径：100mm

装持的刀片数量：4片

刀片失效判定：工件表面粗糙度Ra达2μm或刀片后刀面磨损达0.3mm

切削速度：200m/min

每齿进给：0.2mm

切深：4mm

切宽：75mm

表3

实例6

使用实例4中获得的现有技术涂层刀片d、本发明涂层刀片e，以及现有技术的蠕墨铸铁铣削用刀片g，干式铣削RuT450蠕墨铸铁汽缸体端面，结果见表4。

刀盘直径：200mm

装持的刀片数量：20片

刀片失效判定：工件表面粗糙度Ra达2μm或刀片后刀面磨损达0.3mm

切削速度：150m/min

每齿进给：0.19mm

切深：2.5mm

切宽：180mm

表4

实例7

使用实例4中获得的现有技术涂层刀片d、本发明涂层刀片e，以及竞争对手蠕墨铸铁精加工铣削用刀片h，干式铣削RuT450蠕墨铸铁汽缸体端面，结果见表5。

刀盘直径：250mm

装持的刀片数量：28片

刀片失效判定：工件表面粗糙度Ra达2μm或刀片后刀面磨损达0.3mm

切削速度：150m/min

每齿进给：0.23mm

切深：0.5mm

表5

本发明的一种适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层及其制备方法，是通过化学气相沉积(CVD)过程中特定的形核及沉积步骤调整优化TiCN涂层的微观结构，从而大幅提高其耐热性能与韧性。通过特定的温度与压力调控，使用CO和碳氢化合物组合的组合，来掺杂诱导TiCN涂层的形核和生长，改变其物性，这些碳氢化合物可以是CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、C₃H₈、C₃H₆。本发明沉积的这种涂层，晶粒的长宽比在2以上，且晶粒沿220有较强的单一方向择优生长。这种掺杂途径获得的涂层显示出较现有技术更强的耐热性能与韧性，适用于磨损强烈及容易产生热裂纹的工况，特别适用于在中高速下蠕墨铸铁、灰口铸铁及合金化灰口铸铁的粗加工、半精加工及精加工。蠕墨铸铁材料，相比断屑更为容易的灰口铸铁，其蠕虫状的石墨组织会阻碍裂纹扩展，不易断屑，其切屑会持续的与刀具进行摩擦，因此切削温度比灰口铸铁更高，而且热导率更低，对晶界的高温强度要求更高。根据本发明，可以在不减小柱状Ti(C,N)晶粒尺寸的同时改善其韧性，避免晶粒减小导致高温下晶界滑动导致的问题。本发明微米级的柱状晶结构与亚微米或纳米级别的柱状晶或等轴晶涂层相比，在中高速铣削的高温下，其晶界滑动行为更少，因此特别适用于蠕墨铸铁的加工。本发明的涂层可以与其他CVD涂层或PVD涂层，例如Al₂O₃及TiAlN等涂层结合始使用来提高刀具的耐磨性等性能。

上述只是本发明的较佳实施例，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露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层，是由烧结碳化物、金属陶瓷或陶瓷的基体全部或部分涂覆涂层构成；所述涂层的总厚度为5-40μm；所述涂层由一层或多层耐热涂层构成，其中至少包含一层厚度为1-30μm的化学气相沉积(CVD)的TiCN涂层；其特征在于：所述TiCN涂层由柱状晶粒构成，其晶粒宽度为0.03-5μm，且长宽比≥2；所述涂层至少有一层的织构系数TC(220)＞2；

其中织构系数TC(hkl)定义为：

其中：

I(hkl)为测得的(hkl)反射强度；

I₀(hkl)为根据JCPDS卡片库No.42-1489对应(hkl)晶面的标准强度；

n为在计算中所采用的晶面的数量，所采用的(hkl)反射晶面为(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)、(331)、(420)、(422)、(511)；

所述适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层的制备方法，包括TiCN涂层的沉积制作；所述TiCN涂层的沉积制作是在TiCl₄-CH₃CN-N₂-H₂反应物体系的基础上添加掺杂剂，并且通过以下步骤制作：

A.形核步骤；

B.温度变化速率受控的降温沉积步骤；

所述沉积制作中采用的掺杂剂包括CO和碳氢化合物，所述碳氢化合物为CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、C₃H₈或C₃H₆；所述形核步骤中，形核温度区间为800℃-1020℃，压力为60mbar-160mbar，且采用TiCl₄提供Ti，采用CH₃CN提供C和N，采用所述掺杂剂提供C和/或O，各反应物流量为：

TiCl₄，占总气体流量的1.5％-4.0％；

CH₃CN，占总气体流量的0.1％-2.0％；

N₂，占总气体流量的10％-30％；

碳氢化合物，占总气体流量的0.5％-16％；

CO，占总气体流量的0.01％-0.1％；

H₂，占比为总气体流量的剩余流量。

2.根据权利要求1所述的适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层，其特征在于：所述涂层的总厚度为8-25μm；所述TiCN涂层厚度为2-15μm；所述TiCN涂层的晶粒宽度为0.3-2μm；所述涂层至少有一层的织构系数TC(220)＞4。

3.根据权利要求1所述的适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层，其特征在于：所述TiCN涂层是TiAlN、Al₂O₃、和/或Ti、Zr、Hf中的一种或多种碳化物、氮化物、碳氮化物或羟基氮化物搭配组合涂覆在烧结碳化物或陶瓷的基体上。

4.一种如权利要求1所述的适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层的制备方法，其特征在于：所述形核步骤中，形核温度区间为890℃-910℃，压力为85mbar-95mbar，各反应物流量为：

TiCl₄，占总气体流量的2.0-3.0％；

CH₃CN，占总气体流量的0.4％-0.8％；

N₂，占总气体流量的15-22％；

碳氢化合物，占总气体流量的0.9％-5％的范围；

CO，占总气体流量的0.05％-0.1％；

H₂，占比为总气体流量的剩余流量。

5.根据权利要求4所述的适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层的制备方法，其特征在于：所述温度变化速率受控的降温沉积步骤中，沉积温度区间为800-1020℃，温度变化速率为0-5℃/min，采用TiCl₄提供Ti，采用CH₃CN提供C和N，采用所述掺杂剂提供C和/或O，且沉积过程中选择掺杂或不掺杂CO。

6.根据权利要求5所述的适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层的制备方法，其特征在于：所述温度变化速率受控的降温沉积步骤中，沉积温度区间为830-910℃，温度变化速率为0.2-1℃/min。

7.根据权利要求4所述的适用于蠕墨铸铁切削加工的CVD涂层的制备方法，其特征在于：所述TiCN涂层的沉积制作还包括在所述形核步骤和/或温度变化速率受

控的降温沉积步骤过程中额外掺杂AlCl₃和/或元素周期表中IV-VI族元素的化合物，

组成元素为Ti_uAl_vX_w(C_xN_yO_z)，其中0.3＜u＜0.7，0≤v＜0.5，0≤w＜0.5，0.3＜x＜0.9，

0＜y＜0.9，0≤z≤0.3，其中X为自选化学元素周期表中IV-VI族元素。

Images