CN112689688A - 一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具及其制备方法，所述涂层刀具的涂层为Me‑B‑N涂层，该钛合金和高温合金加工用的涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：基体预处理步骤：将刀具进行清洗干燥后，送入腔室；腔室抽真空步骤：通过机械泵和分子泵抽真空；离子刻蚀步骤：向腔室内通入高纯Ar，保持腔室内加热器温度，加负偏压，对基体进行离子刻蚀，去除刀具表面的氧化皮和疏松层；沉积Me‑B‑N系涂层步骤：向腔室内连续通入高纯N2和高纯Ar，同时保持腔室内加热器温度恒定，基体加负偏压，采用磁控溅射技术或电弧等离子体技术，沉积具有一定厚度的Me‑B‑N系涂层；冷却取样步骤：开启炉体循环冷却系统，待腔室在真空状态下冷却后即可打开腔室，取出工件。

Description

一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具及其制备方法
技术领域
本发明涉及难加工材料切削用刀具防护涂层技术领域，特别是涉及一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具及其制备方法。
背景技术
在切削加工领域，钛合金和高温合金都是典型的难加工材料。钛合金切削加工特点：1)钛合金加工过程中易与刀具产生黏刀现象，导致刀具严重的粘结磨损，降低了刀具的使用寿命；2)钛合金导热性差，加工中产生的局部高温使得钛合金很容易吸收氧和氮，造成加工硬化现象，引起刀具崩刃；3)钛合金的弹性模数小，切削加工变形时回弹大，容易引起刀具震颤。高温合金切削加工特点：1)高温合金热导系数低，局部切削温度高，且工件材料常与刀具材料具有较大的亲和力，极易造成刀具严重的粘结磨损；2)高温合金的切削变形系数大，加工硬化倾向明显；3)切削力大，且其浮动较大，易引起刀具震动4)形成强韧而连续的切屑和毛刺，使得刀具磨损严重。综合以上，钛合金和高温合金的切削加工对涂层刀具提出了抗粘性强、耐磨性好、强韧性等要求。
硬质合金刀具因成本低、加工性能好等优势，成为了加工钛合金和高温合金的首选。硬质合金涂层刀具中常用的涂层材料主要是过渡族金属的氮/碳化物涂层，如TiAlN、TiSiCN、AlCrSiN等。相关研究表明，相对于无涂层硬质合金刀具，涂层刀具在切削加工钛合金和高温合金中能够有效抑制刀具磨损；但也有不少学者指出涂层刀具的切削效果明显不如无涂层刀具。另外，Al2O3、Cr2O3等氧化物涂层也尝试用于钛合金和高温合金的切削加工，但由于该类涂层的导电性普遍较差，采用PVD方法沉积高质量的氧化物涂层仍存在很多问题。
目前，TM-B系、TM-B-N系涂层也有少量报道，如TiB2,VB2,TiBN等。TM-B系涂层具有硬度高、摩擦系数低等特点，但所制备的TM-B涂层存在应力大、结合力差等问题，严重制约了其在切削加工中的应用；且TM-B涂层在切削钛合金和高温合金中，并未表现出来较好的抗粘结磨损性能。对于TM-B-N系涂层的相关研究，主要集中于TiBN涂层；HfBN、VBN、NbBN、TaBN、MoBN等涂层的研究则相对较少，且根据现有报道，使用PVD方法制备的相关TMBN涂层呈现非晶态BN相包裹纳米晶硼化物的结构；尚未见到HfBN、VBN、NbBN、TaBN、MoBN等涂层在切削刀具上的应用的相关报道。
发明内容
本发明的目的之一在于避免现有技术中的不足之处而提供一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具，该刀具涂层具有抗粘结性能强、内应力低、摩擦系数低、与刀具基体结合强度高等特点，能够有效抑制在涂层刀具在切削钛合金和高温合金过程中的粘结磨损和刀具破损，明显提高刀具的使用寿命和工件加工质量。
本发明的目的之一通过以下技术方案实现：
本发明的目的之一通过以下技术方案实现：
提供一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具，所述涂层刀具的涂层为Me-B-N涂层。
进一步的，所述Me-B-N涂层为Me1-B-N,其中Me1为过渡族金属元素Hf、V、Nb、Ta、Mo中的一种或者多种元素,各元素原子百分比为：Me1 8～40％，B 15～60％，N 10～65％，所述Me-B-N涂层包括有Me1Nx相和BN相。
进一步的，所述Me-B-N涂层为Me1-Me2-B-N,其中Me1为过渡族金属元素Hf、V、Nb、Ta、Mo中的一种或者多种元素,Me2为过渡族金属元素Ti、Zr、Cr、W中的一种或者多种元素,各元素原子百分比为：Me1 4～36％，Me2 4～36％，B 15～60％，N 10～65％，所述Me-B-N涂层包括有Me1Nx相、Me2Nx相和BN相。
进一步的，所述Me-B-N涂层的厚度为0.3～5μm。
有益效果：由于该刀具涂层为Me-B-N系涂层，使得该刀具涂层具有硬度高、内应力低、摩擦系数低和与刀具基体结合强度高等特点，不仅使得涂层刀具在切削加工钛合金和高温合金过程中表现出明显的抗粘结性能，而且还能够有效抑制在切削钛合金和高温合金过程中的刀具粘结磨损和刀具破损。
本发明的目的之二在于避免现有技术中的不足之处而提供一种钛合金和高温合金加工用的Me-B-N涂层刀具的制备方法，该制备方法工艺简单，能够方便快捷的制备出Me-B-N涂层。
本发明的目的之二通过以下技术方案实现：
一种钛合金和高温合金加工用的Me-B-N涂层刀具的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
沉积Me-B-N系涂层步骤：向腔室内连续通入高纯N2和高纯Ar，同时保持腔室内加热器温度恒定，基体加负偏压，采用磁控溅射技术，沉积具有一定厚度的Me-B-N系涂层；
所述高纯N2和高纯Ar的流量比值为0.06～0.25，腔室气压控制在0.4～4Pa，同时保持腔室内加热器温度为300～600℃；
所述靶材采用Me-B靶，放置基体的行星架接电源负极，行星架转速为3r/min，负偏压为-50～-300V，所述镀膜的时间为60～300min。
进一步的，所述沉积Me-B-N系涂层步骤前，需进行以下步骤：
基体预处理步骤：将刀具在无水乙醇中超声清洗，热风吹干后装夹在可三维旋转的行星架上，送入腔室；
腔室抽真空步骤：先通过机械泵和分子泵抽真空，接着利用红外加热管加热，充分去除腔室和基体表面易挥发杂质；
离子刻蚀步骤：向腔室内连续通入高纯Ar，同时保持腔室内加热器温度恒定，基体加负偏压，对基体进行离子刻蚀，去除刀具表面的氧化皮和疏松层；
进一步的，基体预处理步骤中，所述超声清洗是将刀具基体用无水乙醇超声清洗10～20min。
进一步的，腔室抽真空步骤中，先通过机械泵和分子泵抽真空至4×10-5mbar以下，接着红外加热管设置温度为600℃加热30min，待腔室真空度至4×10-5mbar以下后，红外加热管设置温度为550℃加热30min，最终抽腔室真空至4×10-5mbar以下，充分去除腔室和基体表面易挥发杂质。
进一步的，离子刻蚀步骤中，所述红外加热管加热温度为300～600℃，腔室气压为1.0Pa；阴极电弧采用圆形Cr靶，纯度99％以上，靶电流70～100A。
进一步的，离子刻蚀步骤中，放置基体的行星架接双级脉冲电源，行星架转速为3r/min，负偏压为-300V，正偏压为+20V，频率20kHz，占空比80％，所述离子刻蚀时间为20～40min。
进一步的，所述沉积Me-B-N系涂层步骤后，需进行以下步骤：
冷却取样步骤：镀膜结束后，开启炉体循环冷却系统，待腔室在真空状态下冷却后即可打开腔室，取出工件。
进一步的，冷却取样步骤中，所述冷却系统中冷却水温度设定15～20℃，待腔室在真空状态下缓慢冷却至70℃以下，即可取出工件。
有益效果：由于在制备涂层的工艺过程当中，采用平面Me-B靶磁控溅射所沉积的Me-B-N涂层，并且精确的控制了纯N2和高纯Ar的流量比值,溅射靶平均功率密度为5.5～16.5W/cm2，占空比为2％～5％，因此使得制备出来的Me-B-N涂层抗粘结性能强、均匀性好、内应力低、摩擦系数低，在钛合金和高温合金的切削加工中，能有效提高刀具的使用寿命和工件加工表面质量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例1的V-B-N涂层的表面SEM形貌。
图2是本发明实施例2的Hf-B-N涂层的硬质合金刀片加工钛合金和高温合金的后刀面磨损情况图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种钛合金和高温合金加工用的V-B-N涂层刀具，所述V-B-N涂层中各元素原子百分比为：V15％，B20％，N65％，所述V-B-N涂层包括有VN相和BN相。
在优选实施例中，所述V-B-N涂层的厚度为0.3μm。
一种钛合金和高温合金加工用的V-B-N涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)基体预处理：将刀具在无水乙醇中超声清洗10min，热风吹干后装夹在可三维旋转的行星架上，送入腔室；
2)腔室抽真空：先通过机械泵和分子泵抽真空至4×10-5mbar以下，接着红外加热管设置温度为600℃加热30min，待腔室真空度至4×10-5mbar以下后，红外加热管设置温度为550℃加热30min，最终抽腔室真空至4×10-5mbar以下，充分去除腔室和基体表面易挥发杂质；
3)离子刻蚀：在沉积薄膜之前，采用电弧增强型辉光放电技术对硬质合金基体进行离子刻蚀。具体工艺是：(1)阴极电机电弧采用圆形Cr靶，纯度达99％以上，靶电流为70A；(2)放置基体的行星架接双级脉冲电源，行星架转速为3r/min，负偏压从-50V到-300V逐渐增加，正电压为+20V，频率20kHz，占空比80％；(3)向真空腔室中连续通入高纯Ar，气压为1.0Pa，通入的Ar流量通过气压控制；(4)红外加热管温度设定为300℃；(5)离子刻蚀时间为20min；该步骤能够有效去除基体表面的氧化皮和疏松层；
4)沉积V-B-N系涂层：向腔室内连续通入高纯N2和高纯Ar，同时保持腔室内加热器温度恒定，基体加负偏压，采用高功率脉冲磁控溅射技术，沉积具有一定厚度的V-B-N系涂层。所述高纯N2的流量为10sccm，控制高纯N2和高纯Ar的流量比值为0.06，腔室气压控制在0.8Pa，同时保持腔室内红外加热管温度为600℃，基体加负偏压，采用磁控溅射技术对基底进行镀膜处理。具体工艺是：(1)溅射靶材采用平面V-B靶；(2)放置基体的行星架接电源负极，行星架转速为3r/min，负偏压为-300V；(3)镀膜处理时间为60min；
5)冷却取样：镀膜结束后，开启炉体循环冷却系统，冷却水温度设定15℃，待腔室在真空状态下缓慢冷却至70℃以下，即可取出工件。
图1为所得V-B-N涂层的表面SEM形貌，可见沉积的V-B-N涂层表面整体上较光滑平整，无液滴、空洞等缺陷。
实施例2
一种钛合金和高温合金加工用的Hf-B-N涂层刀具，所述Hf-B-N涂层中各元素原子百分比为：Hf55％，B15％，N30％，所述Hf-B-N涂层包括有HfN相和BN相。
在优选实施例中，所述Hf-B-N涂层的厚度为5μm。
一种钛合金和高温合金加工用的Hf-B-N涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)基体预处理：将刀具在无水乙醇中超声清洗20min，热风吹干后装夹在可三维旋转的行星架上，送入腔室；
2)腔室抽真空：先通过机械泵和分子泵抽真空至4×10-5mbar以下，接着红外加热管设置温度为600℃加热30min，待腔室真空度至4×10-5mbar以下后，红外加热管设置温度为550℃加热30min，最终抽腔室真空至4×10-5mbar以下，充分去除腔室和基体表面易挥发杂质；
3)离子刻蚀：在沉积薄膜之前，采用电弧增强型辉光放电技术对硬质合金基体进行离子刻蚀。具体工艺是：(1)阴极电弧采用圆形Cr靶，纯度达99％以上，靶电流为90A；(2)放置基体的行星架接双级脉冲电源，行星架转速为3r/min，负偏压从-50V到-300V逐渐增加，正电压为+20V，频率20kHz，占空比80％；(3)向真空腔室中连续通入高纯Ar，气压为1.0Pa，通入的Ar流量通过气压控制；(4)红外加热管温度设定为600℃；(5)离子刻蚀时间为40min；该步骤能够有效去除基体表面的氧化皮和疏松层；
4)沉积Hf-B-N系涂层：向腔室内连续通入高纯N2和高纯Ar，同时保持腔室内加热器温度恒定，基体加负偏压，采用高功率脉冲磁控溅射技术，沉积具有一定厚度的Hf-B-N系涂层。所述高纯N2的流量为10sccm，控制高纯N2和高纯Ar的流量比值为0.25，腔室气压控制在0.4Pa，同时保持腔室内红外加热管温度为300℃，基体加负偏压，采用磁控溅射技术对基底进行镀膜处理。具体工艺是：(1)溅射靶材采用平面Hf-B靶，功率密度为16.5W/cm2；(2)放置基体的行星架接电源负极，行星架转速为3r/min，负偏压为-50V；(3)镀膜处理时间为300min；
5)冷却取样：镀膜结束后，开启炉体循环冷却系统，冷却水温度设定20℃，待腔室在真空状态下缓慢冷却至70℃以下，即可取出工件。
车削试验参数：切削速度90m/min,切削深度1.0mm，进给速度0.25mm/r。冷却方式为油水复合喷雾冷却。车削试验结果表明：与无涂层硬质合金刀片相比，Hf-B-N涂层的硬质合金刀片能够更好的抑制后刀面磨损(如图2所示)，且具有较强的抗钛合金粘结性能。
实施例3
一种钛合金和高温合金加工用的Hf-Ti-B-N涂层刀具，所述Hf-Ti-B-N涂层中各元素原子百分比为：Hf20％，Ti15％,B30％，N35％，所述Hf-Ti-B-N涂层包括有HfN相、TiN相和BN相。
在优选实施例中，所述Hf-Ti-B-N涂层的厚度为2.75μm。
一种钛合金和高温合金加工用的Hf-Ti-B-N涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)基体预处理：将刀具在无水乙醇中超声清洗15min，热风吹干后装夹在可三维旋转的行星架上，送入腔室；
2)腔室抽真空：先通过机械泵和分子泵抽真空至4×10-5mbar以下，接着红外加热管设置温度为600℃加热30min，待腔室真空度至4×10-5mbar以下后，红外加热管设置温度为550℃加热30min，最终抽腔室真空至4×10-5mbar以下，充分去除腔室和基体表面易挥发杂质；
3)离子刻蚀：在沉积薄膜之前，采用电弧增强型辉光放电技术对硬质合金基体进行离子刻蚀。具体工艺是：(1)阴极电弧采用圆形Cr靶，纯度达99％以上，靶电流为80A；(2)放置基体的行星架接双级脉冲电源，行星架转速为3r/min，负偏压从-50V到-300V逐渐增加，正电压为+20V，频率20kHz，占空比80％；(3)向真空腔室中连续通入高纯Ar，气压为1.0Pa，通入的Ar流量通过气压控制；(4)红外加热管温度设定为450℃；(5)离子刻蚀时间为30min；该步骤能够有效去除基体表面的氧化皮和疏松层；
4)沉积Hf-Ti-B-N系涂层：向腔室内连续通入高纯N2和高纯Ar，同时保持腔室内加热器温度恒定，基体加负偏压，采用射频磁控溅射技术，沉积具有一定厚度的Hf-Ti-B-N系涂层。所述高纯N2的流量为20sccm，控制高纯N2和高纯Ar的流量比值为0.14，腔室气压控制在0.6Pa，同时保持腔室内红外加热管温度为450℃，基体加负偏压，采用磁控溅射技术对基底进行镀膜处理。具体工艺是：(1)溅射靶材采用平面Hf-B靶和Ti-B靶；(2)放置基体的行星架接电源负极，行星架转速为3r/min，负偏压为-175V；(3)镀膜处理时间为180min；
5)冷却取样：镀膜结束后，开启炉体循环冷却系统，冷却水温度设定18℃，待腔室在真空状态下缓慢冷却至70℃以下，即可取出工件。
铣削试验参数如下：切削速度100m/min，切削深度3mm，切削宽度0.5mm，进给速度0.2mm/z)。冷却条件：常规冷却液。铣削试结果表明：相比其他商用涂层刀具，Hf-Ti-B-N涂层硬质合金刀具粘结磨损不明显，刀具切削寿命提高至少2倍。
本发明的有益效果：由于该刀具涂层为Me-B-N系涂层，使得该刀具涂层具有硬度高、内应力低、摩擦系数低和与刀具基体结合强度高等特点，不仅使得涂层刀具在切削加工钛合金和高温合金过程中表现出明显的抗粘结性能，而且还能够有效抑制在切削钛合金和高温合金过程中的刀具粘结磨损和刀具破损；
由于在制备涂层的工艺过程当中，采用平面Me-B靶磁控溅射所沉积的Me-B-N涂层，并且精确的控制了纯N2和高纯Ar的流量比值,溅射靶平均功率密度为5.5～16.5W/cm2，占空比为2％～5％，因此使得制备出来的Me-B-N涂层抗粘结性能强、均匀性好、内应力低、摩擦系数低，在钛合金和高温合金的切削加工中，能有效提高刀具的使用寿命和工件加工表面质量。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (12)

1.一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具，其特征在于：所述涂层刀具的涂层为Me-B-N涂层。
2.如权利要求1所述的一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具，其特征在于：所述Me-B-N涂层为Me1-B-N,其中Me1为过渡族金属元素Hf、V、Nb、Ta、Mo中的一种或者多种元素,各元素原子百分比为：Me1 8～40％，B 15～60％，N 10～65％，所述Me-B-N涂层包括有Me1Nx相和BN相。
3.如权利要求1所述的一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具，其特征在于：所述Me-B-N涂层为Me1-Me2-B-N,其中Me1为过渡族金属元素Hf、V、Nb、Ta、Mo中的一种或者多种元素,Me2为过渡族金属元素Ti、Zr、Cr、W中的一种或者多种元素,各元素原子百分比为：Me14～36％，Me2 4～36％，B 15～60％，N 10～65％，所述Me-B-N涂层包括有Me1Nx相、Me2Nx相和BN相。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具，其特征在于：所述Me-B-N涂层的厚度为0.3～5μm。
5.如权利要求4所述的一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
沉积Me-B-N系涂层步骤：向腔室内连续通入高纯N2和高纯Ar，同时保持腔室内加热器温度恒定，基体加负偏压，采用磁控溅射技术或电弧等离子体技术，沉积具有一定厚度的Me-B-N系涂层；
所述高纯N2和高纯Ar的流量比值为0.06～0.25，腔室气压控制在0.4～4Pa，同时保持腔室内加热器温度为300～600℃；
所述靶材采用Me-B靶，放置基体的行星架接电源负极，行星架转速为3r/min，负偏压为-50～-300V，所述镀膜的时间为60～300min。
6.如权利要求5所述的一种钛合金和高温合金加工用的Me-B-N涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述沉积Me-B-N系涂层步骤前，需进行以下步骤：
基体预处理步骤：将刀具在无水乙醇中超声清洗，热风吹干后装夹在可三维旋转的行星架上，送入腔室；
腔室抽真空步骤：先通过机械泵和分子泵抽真空，接着利用红外加热管加热，充分去除腔室和基体表面易挥发杂质；
离子刻蚀步骤：向腔室内连续通入高纯Ar，同时保持腔室内加热器温度恒定，基体加负偏压，对基体进行离子刻蚀，去除刀具表面的氧化皮和疏松层。
7.如权利要求6所述的一种钛合金和高温合金加工用的Me-B-N涂层刀具的制备方法，其特征在于：基体预处理步骤中，所述超声清洗是将刀具基体用无水乙醇超声清洗10～20min。
8.如权利要求6所述的一种钛合金和高温合金加工用的Me-B-N涂层刀具的制备方法，其特征在于：腔室抽真空步骤中，先通过机械泵和分子泵抽真空至4×10-5mbar以下，接着红外加热管设置温度为600℃加热30min，待腔室真空度至4×10-5mbar以下后，红外加热管设置温度为550℃加热30min，最终抽腔室真空至4×10-5mbar以下，充分去除腔室和基体表面易挥发杂质。
9.如权利要求6所述的一种钛合金和高温合金加工用的Me-B-N涂层刀具的制备方法，其特征在于：离子刻蚀步骤中，所述红外加热管加热温度为300～600℃，腔室气压为1.0Pa；阴极电弧采用圆形Cr靶，纯度99％以上，靶电流70～100A。
10.如权利要求5所述的一种钛合金和高温合金加工用的Me-B-N涂层刀具的制备方法，其特征在于：离子刻蚀步骤中，放置基体的行星架接双级脉冲电源，行星架转速为3r/min，负偏压为-300V，正偏压为+20V，频率20kHz，占空比80％，所述离子刻蚀时间为20～40min。
11.如权利要求6中任意所述的一种钛合金和高温合金加工用的Me-B-N涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述沉积Me-B-N系涂层步骤后，需进行以下步骤：
冷却取样步骤：镀膜结束后，开启炉体循环冷却系统，待腔室在真空状态下冷却后即可打开腔室，取出工件。
12.如权利要求11所述的一种钛合金和高温合金加工用的Me-B-N涂层刀具的制备方法，其特征在于：冷却取样步骤中，所述冷却系统中冷却水温度设定15～20℃，待腔室在真空状态下缓慢冷却至70℃以下，即可取出工件。
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