CN114150269A - 切削刀具涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种切削刀具涂层及其制备方法，切削刀具涂层为由内至外依次镀制在切削刀具表面的Cr层、AlTiCrSiN层和CrSiN层组成的多元多层涂层。切削刀具涂层的制备方法采用阴极电弧蒸发源技术进行镀膜，并通过脉冲及直流磁场控制技术进行辅助；首先在Ar气氛下蒸发Cr靶材在切削刀具表面形成Cr过渡层薄膜，然后在N2气氛下蒸发AlTiCrSi靶材形成AlTiCrSiN多元氮化物膜，最后在N2气氛下蒸发CrSi靶材形成CrSiN薄膜。本发明各层镀膜之间具有相似的结构特征，各结构基元的周期性和规律性相似，呈现单一基本结构单元的特征，不会发生相互干扰，利于形成稳定的晶体结构，从而构建了稳定的多元多层涂层，有效提高了涂层组织结构的热稳定性。

Description

切削刀具涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及刀具涂层技术领域，尤其是一种切削刀具涂层以及一种切削刀具涂层的制备方法。
背景技术
制造业是我国国民经济各领域重要的基础产业，也是关系到国家经济安全及综合国力的战略性产业，而现代切削加工技术及切削刀具则是推动制造业加工工艺技术进步的重要因素。
随着现代科学技术的发展，新材料作为21世纪三大关键技术之一，已成为高新技术发展的先导，是信息、航天、能源、生物等行业快速发展的重要基础。越来越多各种高强度、高硬度工程材料的采用，造成切削加工难度的增加，因此传统的切削刀具已难以满足现代切削加工的需求。
表面涂层技术作为现代切削刀具应用新技术的一种，其通过化学或物理的方法在刀具表面上获得微纳米级的薄膜，因具有硬度高、润滑性好、高温性能优异等特点，可使切削刀具获得优良的综合机械性能，有效地延长刀具使用寿命、改善刀具切削性能、提高机械加工效率。
金属氮化物、碳化物、硼化物及氧化物等表面涂层具有较高的硬度、弹性模量、拉伸强度、抗弯强度，以及相对低的摩擦系数等特征，能有效地推进切削速度、加工效率、刀具使用寿命的提高。因此对于现代切削加工而言，刀具的表面涂层工艺技术是至关重要的，是解决难加工材料高效切削加工难题的关键技术之一。
铝合金的导热性能好，在切削过程中切屑可以带走大量的热量，但弹性模量较小，易产生较大的弹性变形，不易获得高的加工精度，而且会引起后刀面和已加工表面之间的剧烈摩擦，从而加快刀具的磨损并引起振动，这在薄壁件加工中表现得更加明显；铝合金的膨胀系数大，比一般钢材大2～3倍，因此热胀冷缩现象表现得很严重，对于加工精度高的工件会带来不利的影响；此外，铝合金熔点较低，温升后塑性很大，切屑流出时，在高温高压作用下，切屑底层和前刀面的摩擦较大，滞留现象严重，易产生积屑瘤，使工件的尺寸和精度降低，表面粗糙度增加，刀具寿命降低。
不锈钢材料由于韧性大、热强度高、导热系数低、切削时塑性变形大、加工硬化严重、切削热多、散热困难等原因，造成刀尖处切削温度高、切屑粘附刃口严重、容易产生积屑瘤，既加剧了刀具的磨损，又影响加工表面粗糙度。此外，由于切屑不易卷曲和折断，也会损伤己加工表面，影响工件的质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种热稳定性良好的切削刀具涂层，适用于铝合金、不锈钢等强粘附性材料加工的切削刀具，能够有效提高切削刀具的使用寿命。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：切削刀具涂层，所述涂层为由内至外依次镀制在切削刀具表面的Cr层、AlTiCrSiN层和CrSiN层组成的多元多层涂层。
本发明还公开了一种制备上述切削刀具涂层的方法，采用阴极电弧蒸发源技术进行镀膜，并通过脉冲及直流磁场控制技术进行辅助；首先在Ar气氛下蒸发Cr靶材在切削刀具表面形成Cr过渡层薄膜，然后在N2气氛下蒸发AlTiCrSi靶材形成AlTiCrSiN多元氮化物膜，最后在N2气氛下蒸发CrSi靶材形成CrSiN薄膜。
进一步的是：包括以下步骤：
A、对切削刀具进行前处理；
B、对真空室抽真空并预加热；
C、辉光清洗；
D、真空室抽高真空并预加热；
E、离子源刻蚀；
F、镀膜，采用阴极电弧蒸发源技术依次镀制Cr过渡层薄膜、AlTiCrSiN多元氮化物膜和CrSiN氮化物薄膜；
G、冷却。
进一步的是：包括以下步骤：
A、对切削刀具进行清洗和干燥；
B、对真空室进行抽真空，送入流量为40～80sccm的Ar气，并预加热至400℃；
C、真空室压强调至2.0Pa，送入流量为120～240sccm的Ar气，开启偏压电源，偏压电压-500～-1000V，辉光清洗5～10min；
D、关闭偏压电源，抽高真空至0.005Pa，并预加热至450～500℃；
E、开启离子源，离子源功率1.0～3.0kw，开启偏压电源，偏压电压-300～-400V，送入流量为40～80sccm的Ar气，离子源刻蚀时间40～60min；
F、首先开启Cr阴极蒸发源，弧电流80～90A，脉冲磁场电压0V，基体偏压80～100V，镀膜时间5～10min；然后开启AlTiCrSi阴极蒸发源，弧电流80～90A，脉冲磁场电压15～30V，脉冲频率11.1～33.3Hz，直流磁场电压1.5～3V，氮气流量600～800sccm，基体偏压80～100V，镀膜时间60～120min；最后开启CrSi阴极蒸发源，弧电流60～80A，脉冲磁场电压10～20V，脉冲频率1～11.1Hz，直流磁场电压0.5～1.5V，氮气流量500～700sccm，基体偏压40～80V，镀膜时间20～40min；
G、镀膜后冷却90～120min。
进一步的是：所述Cr过渡层薄膜的厚度为100～200nm；所述AlTiCrSiN多元氮化物膜的厚度为2～4μm；所述CrSiN氮化物薄膜的厚度为0.3～0.7μm。
进一步的是：所述AlTiCrSi靶材的化学组分为：Al 50～60at％、Ti 20～30at％、Cr 10～20at％、Si 3～5at％。
本发明的有益效果是：本发明所述的切削刀具涂层由结构基元形态相似的多层镀膜组成，各层镀膜之间具有相似的结构特征，各结构基元的周期性和规律性相似，呈现单一基本结构单元的特征，不会发生相互干扰，利于形成稳定的晶体结构，从而构建了稳定的多元多层涂层，有效提高了涂层组织结构的热稳定性；本发明利用阴极电弧蒸发源技术蒸发多元成分的合金化靶材来实现多元多层切削刀具涂层的镀制，并通过脉冲及直流磁场控制技术对切削刀具涂层制备工艺中的参数进行调节控制，可有效控制膜的结晶及生长模式，使各膜层都呈现出以(200)为主的取向结晶微观结构，从而促进各膜层之间形成相似的结构特征，满足膜层的外延生长条件，提高了各膜层的性能结合效果。
附图说明
图1为本发明所制备切削刀具涂层的断面形貌图；
图2为现有技术中TiAlN涂层的断面形貌图；
图3为本发明制备切削刀具涂层的原理图；
图4为本发明所制备切削刀具涂层的XRD衍射图谱；
图5为本发明所制备切削刀具涂层的维氏硬度图；
图6为本发明所制备切削刀具涂层的划痕测试结果数据图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图及实施例对本发明进行进一步的说明。
本发明所公开的切削刀具涂层为多元多层涂层，本发明所公开的切削刀具涂层适用于铝合金、不锈钢材料加工的车削、铣削的切削刀具。铝合金材料由于熔点较低，温升后塑性很大，铝合金材料制备的切削刀具在进行切削工作时产生的切屑在高温高压作用下会产生严重的滞留现象，在切削刀具的表面形成积屑瘤，从而会导致所加工工件的尺寸和精度降低，使切削刀具的表面粗糙度增加、降低切削刀具的使用寿命；而不锈钢材料所制备的切削刀具在进行切削工作时容易造成刀尖处切削温度高、刃口切削粘附严重，同样容易在切削刀具的表面形成积屑瘤，导致切削刀具的磨损加剧、切削刀具的使用寿命降低。
由于切削刀具进行切削工作时切削刀具与工件之间的高速摩擦使其处于高温条件下，而切削力大、切削温度高、加工硬化严重是影响切削刀具使用性能和使用寿命的最主要影响因素，切削刀具涂层的热稳定性则是高温条件下影响切削刀具涂层综合性能的重要因素。传统切削刀具所采用的涂层以TiAlN涂层、AlCrN涂层为主，TiAlN涂层在高温条件下会通过调幅分解析出面心立方结构的fcc-AlN相，而后续fcc-AlN相会逐渐转变为密排六方结构的hcp-AlN相，软质hcp-AlN相的生成会导致切削刀具涂层硬度的降低，从而造成TiAlN涂层功能的衰减，如图2所示，传统的TiAlN涂层呈典型的柱状晶体结构，涂层与刀具基体之间的结合度较差、稳定性不佳；而AlCrN涂层也存在类似的问题。
为了解决上述问题，本发明中所公开的切削刀具涂层为多元多层涂层，其由Cr层、AlTiCrSiN层和CrSiN层组成；Cr过渡层薄膜的厚度为100～200nm，AlTiCrSiN多元氮化物膜的厚度为2～4μm，CrSiN氮化物薄膜的厚度为0.3～0.7μm。本发明通过首先镀制在切削刀具表面的Cr层作为过渡层，Cr薄膜具有一定的硬度和良好的耐腐蚀性能以及承载能力，适用于切削工作的高磨损高腐蚀工作环境；同时Cr层能够缓解后续所镀制AlTiCrSiN层多元薄膜应力的聚集，并且有助于微观结构生长的取向。本发明其次所镀制的AlTiCrSiN层为多元薄膜，AlTiCrSiN层同时具备TiAlN和AlCrN的综合性能，具有结合强度好、摩擦系数低、耐高温、硬度高的性能，而AlTiCrSiN层中添加的Si能够进一步改善涂层的硬度和抗氧化性能，同时可提高涂层的温热稳定性；在TiAlN涂层体系中添加的Cr，可以有效改变其立方相和六方相的相界面系统。本发明中最后所镀制的CrSiN层由于添加了Si而使薄膜晶粒得到细化，其具有良好的润滑性、较低的摩擦系数、较强的抗粘结能力，更加适用于铝合金、不锈钢等粘附性强的材料加工的切削刀具。
多元涂层的优点在于能够结合不同元素的性能来提高涂层的性能，但不同结构基元由于其性质的不同，不同结构基元之间因周期性、规律性不同而会相互干扰，不利于形成晶体结构，从而影响晶体结构的稳定性，因此提高多元涂层热稳定性的难点在于如何在温度、载荷、元素化学扩散等因素的影响下抑制涂层微观组织结构的转变。本发明中通过对涂层工艺参数的调节，控制膜的结晶、生长模式，使所制备的切削刀具涂层如图4所示，呈现出以(200)为主的取向晶体微观结构；CrN晶体微观结构沿(200)方向择优生长，通过添加Si形成的CrSiN层具有与AlTiCrSiN层相似的结构特征，进一步使得CrSiN层和AlTiCrSiN层具有相似的晶体微观结构，满足薄膜的外延生长条件，达到结合性能的要求，利于多元涂层单一结构基元形态的获得，如图1所示，CrSiN层的组织结构致密，CrSiN层和AlTiCrSiN层之间过渡平滑；最终使得各结构基元具有相似的周期性和规律性，不会发生相互干扰，形成稳定的晶体结构，从而构建稳定的多元多层涂层，有效提高了切削刀具涂层组织的热稳定性。因此本发明所公开的由Cr层、AlTiCrSiN层和CrSiN层组成多元多层切削刀具涂层兼顾了低应力、高硬度、高温稳定性、化学惰性、润滑性以及较低的摩擦系数。
本发明所公开的切削刀具涂层采用阴极电弧蒸发源技术进行镀膜；在制备时，如图3所示，首先在Ar气氛下蒸发Cr靶材在切削刀具表面形成Cr过渡层薄膜；然后在N2气氛下蒸发AlTiCrSi靶材形成AlTiCrSiN多元氮化物膜，AlTiCrSi靶材的化学组分为：Al 50～60at％、Ti 20～30at％、Cr 10～20at％、Si 3～5at％；最后在N2气氛下蒸发CrSi靶材形成CrSiN氮化物薄膜。
进行切削刀具涂层的制备时，按照以下工艺步骤进行：
A、对切削刀具进行前处理，切削刀具的前处理包括对切削刀具进行清洗和干燥工作以及对镀膜设备进行检查，需要保证切削刀具表面的洁净度，便于后续进行镀膜工作；
B、对真空室抽真空并预加热，此步骤保证镀膜设备真空室的真空环境；
C、辉光清洗，此步骤通过辉光放电清洗来减缓后续气体离子刻蚀的放电强度，达到对切削刀具进行保护的目的；
D、真空室抽高真空并预加热；
E、离子源刻蚀，此步骤利用离子对待镀工件表面进行轰击以实现对工件表面的清洗工作，由于气体离子刻蚀在清洗过程中对工件表面的损伤程度较低，能够同时实现工件表面的彻底清洁和活化；
F、镀膜，采用阴极电弧蒸发源技术依次镀制Cr过渡层薄膜、AlTiCrSiN多元氮化物膜和CrSiN氮化物薄膜，镀膜工序中通过阴极电弧蒸发源技术蒸发多元素靶材，通过脉冲及直流磁场来辅助镀膜以控制镀膜的生长模式，使最终镀制的Cr层、AlTiCrSiN层和CrSiN层形成相似的结构特征，整个涂层具有单一结构基元形态；此步骤中弧电流、磁场脉冲频率和电压的参数决定了膜层的性能，弧电流过高会导致膜层粗糙度增加，过低则会导致膜层致密性降低，高的磁场脉冲频率使得弧斑更细碎、数量更多，可有效的增加形核数量，促进均匀结晶及生长，磁场脉冲电压主要与靶材元素的饱和蒸气压特性有关，脉冲电压高有利于难蒸发材料的蒸发，脉冲电压低靶材蒸发的一致性好，但会导致膜层结合力下降；此步骤中直流磁场电压可用于调控多元成分的偏析，通过与基体偏压的调配，可以获得所设计的(所期望的)多元复合膜成分组合，进而确保涂层体系的相关性能；此步骤中通入气体的流量和真空压强会影响靶材的蒸发、沉积速率以及膜的致密度。
G、冷却。
实施例1
以制备高速钢或硬质合金刀具表面涂层为例，按照以下工艺步骤进行：
(1)前处理
镀膜前，采用碱性清洗剂和无水酒精超声波对切削刀具进行清洗后干燥，置于镀膜设备的镀膜室内。
(2)检查镀膜设备
对真空室充气并打开炉门；
根据需要更换靶材和视窗玻璃；
用高压气枪清洁炉体各个部位，高压气枪的压强为0.6MPa；
选择适当的夹具，装入待镀膜的切削刀具，确认夹具运动可靠无误；
确认各蒸发源、工件转架的绝缘状况，其阻值应大于100KΩ；
关闭蒸镀室、关闭放气阀。
(3)抽真空及预加热
启动冷水机组；
粗抽泵、打开预抽阀；
启动复合真空计，打开热偶规，测试前级管道真空，真空小于5Pa；
启动分子泵，当分子泵进入正常工作状态且真空室的真空度小于5Pa后，关闭预抽阀、开启前级阀、高真空阀；
当真空室内真空小于0.1Pa时，送入流量为40sccm的Ar气，并开启加热至400℃；
开启工件转架，转速为1.5r/min。
(4)辉光清洗
真空室压强调至2.0Pa，送入流量为120sccm的Ar气；
开启偏压电源，偏压电压-900V，辉光清洗时间5min。
(5)抽高真空
关闭偏压电源，真空室抽真空至0.005Pa，温度升至450℃。
(6)离子源刻蚀
开启离子源，离子源功率3.0kw；
开启偏压电源，偏压电压-350V；
送入流量为40sccm的Ar气；
离子源刻蚀时间50min。
(7)镀膜
首先镀制Cr层：开启一列Cr阴极蒸发源，弧电流80A，脉冲磁场电压0V，基体偏压80V，镀制时间10min；
然后镀制AlTiCrSiN层：开启两列AlTiCrSi阴极蒸发源，弧电流90A，脉冲磁场电压20V，脉冲频率33.3Hz，直流磁场电压1.5V，氮气流量700sccm，基体偏压80V，镀制时间100min；
最后镀制CrSiN层：开启一列CrSi阴极蒸发源，弧电流60A，脉冲磁场电压10V，脉冲频率11.1Hz，直流磁场电压0.5V，氮气流量600sccm，基体偏压60V，镀制时间30min。
(8)冷却
镀膜后冷却100min。
对镀膜完成后的切削刀具性能进行检测，从图5所示维氏硬度图可知，所制备切削刀具涂层的薄膜维氏硬度为3645～3715HV25；从图6所示的划痕测试结果可知，所制备切削刀具涂层的摩擦系数小于0.1，划痕结合力LC2大于98.6N。
实施例2
通过对采用不同切削刀具涂层的切削刀具在不同切削对象条件下进行对比实验，实验数据如下：
干式铣削高温合金
Figure BDA0003396673680000071
铣削模具钢
Figure BDA0003396673680000072
车削不锈钢
Figure BDA0003396673680000073
从上述数据可知，采用本发明所述的切削刀具涂层进行不同切削工作时，在切削速度、进给量、切削深度一致的前提下，本发明所述切削刀具涂层的切削时间要明显优于传统的切削刀具涂层，可知本发明的切削刀具涂层能够有效提高切削刀具的使用寿命。

Claims (6)

1.切削刀具涂层，其特征在于：所述涂层为由内至外依次镀制在切削刀具表面的Cr层、AlTiCrSiN层和CrSiN层组成的多元多层涂层。
2.制备如权利要求1所述切削刀具涂层的方法，其特征在于：采用阴极电弧蒸发源技术进行镀膜，并通过脉冲及直流磁场控制技术进行辅助；首先在Ar气氛下蒸发Cr靶材在切削刀具表面形成Cr过渡层薄膜，然后在N2气氛下蒸发AlTiCrSi靶材形成AlTiCrSiN多元氮化物膜，最后在N2气氛下蒸发CrSi靶材形成CrSiN薄膜。
3.如权利要求2所述的切削刀具涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、对切削刀具进行前处理；
B、对真空室抽真空并预加热；
C、辉光清洗；
D、真空室抽高真空并预加热；
E、离子源刻蚀；
F、镀膜，采用阴极电弧蒸发源技术依次镀制Cr过渡层薄膜、AlTiCrSiN多元氮化物膜和CrSiN氮化物薄膜；
G、冷却。
4.如权利要求3所述的切削刀具涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、对切削刀具进行清洗和干燥；
B、对真空室进行抽真空，送入流量为40～80sccm的Ar气，并预加热至400℃；
C、真空室压强调至2.0Pa，送入流量为120～240sccm的Ar气，开启偏压电源，偏压电压-500～-1000V，辉光清洗5～10min；
D、关闭偏压电源，抽高真空至0.005Pa，并预加热至450～500℃；
E、开启离子源，离子源功率1.0～3.0kw，开启偏压电源，偏压电压-300～-400V，送入流量为40～80sccm的Ar气，离子源刻蚀时间40～60min；
F、首先开启Cr阴极蒸发源，弧电流80～90A，脉冲磁场电压0V，基体偏压80～100V，镀膜时间5～10min；然后开启AlTiCrSi阴极蒸发源，弧电流80～90A，脉冲磁场电压15～30V，脉冲频率11.1～33.3Hz，直流磁场电压1.5～3V，氮气流量600～800sccm，基体偏压80～100V，镀膜时间60～120min；最后开启CrSi阴极蒸发源，弧电流60～80A，脉冲磁场电压10～20V，脉冲频率1～11.1Hz，直流磁场电压0.5～1.5V，氮气流量500～700sccm，基体偏压40～80V，镀膜时间20～40min；
G、镀膜后冷却90～120min。
5.如权利要求2所述的切削刀具涂层的制备方法，其特征在于：所述Cr过渡层薄膜的厚度为100～200nm；所述AlTiCrSiN多元氮化物膜的厚度为2～4μm；所述CrSiN氮化物薄膜的厚度为0.3～0.7μm。
6.如权利要求2所述的切削刀具涂层的制备方法，其特征在于：所述AlTiCrSi靶材的化学组分为：Al 50～60at％、Ti 20～30at％、Cr 10～20at％、Si 3～5at％。
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