CN116162917B - 一种多层涂层刀具及制备方法 - Google Patents

一种多层涂层刀具及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116162917B
CN116162917B CN202310458494.7A CN202310458494A CN116162917B CN 116162917 B CN116162917 B CN 116162917B CN 202310458494 A CN202310458494 A CN 202310458494A CN 116162917 B CN116162917 B CN 116162917B
Authority
CN
China
Prior art keywords
coating
sub
multilayer
layer
ltoreq
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310458494.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116162917A (zh
Inventor
邱联昌
朱骥飞
成伟
史海东
廖星文
谭卓鹏
殷磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ganzhou Achteck Tool Technology Co ltd
Original Assignee
Ganzhou Achteck Tool Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ganzhou Achteck Tool Technology Co ltd filed Critical Ganzhou Achteck Tool Technology Co ltd
Priority to CN202310458494.7A priority Critical patent/CN116162917B/zh
Publication of CN116162917A publication Critical patent/CN116162917A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116162917B publication Critical patent/CN116162917B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/06—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/34—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45523—Pulsed gas flow or change of composition over time
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明提供一种多层涂层刀具及制备方法，包括：基体和依次设置在基体表面的多层涂层，所述多层涂层包括相邻的第一子涂层ZrBxN1‑x（0.005≤x≤0.10）和第二子涂层ZrBaCbNc（a+b+c=1，0.1≤a≤0.2，0.5≤b≤0.70，0.2≤c≤0.40），在第一子涂层和第二子涂层中硼含量从所述基体向外由低到高梯度变化，所述多层涂层采用化学气相沉积（CVD）方法制备。本发明的目的在于提供一种结合强度和晶界强度高，不易崩刃的涂层刀具及其制备方法。

Description

一种多层涂层刀具及制备方法
技术领域
本发明属于加工刀具制备领域，尤其涉及一种多层涂层刀具及制备方法。
背景技术
钛合金、镍基高温合金等材料强度高，切削加工时刀具表面易产生积屑瘤，刀具粘结磨损严重。在切削刀具表面涂层可有效延长刀具使用寿命，为解决这些加工问题，要求刀具涂层表面光滑、摩擦系数低、涂层结合强度高、耐磨性好。
目前钛合金、镍基高温合金等材料的切削加工大多数采用物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，简称PVD）涂层刀具，常用TiAlN、NbN、TiB2等单层或多层PVD涂层，具有高硬度、高耐磨性和低摩擦系数的优势，但当涂层硬度较高（如>35 GPa）时，PVD涂层压应力较大，导致涂层结合强度较低，从而降低切削刀具的使用寿命。
而典型的硬质合金切削刀具CVD多层涂层是TiN/MT-Ti(C,N)/TiAlOCN/Al2O3/TiN，广泛应用于铸铁、钢件、不锈钢等材料的车削、铣削加工，而CVD多层涂层TiN/TiB2则适合于钛合金、镍基高温合金等材料的切削。由于CVD方法制备TiB2涂层温度较高，通常大于700℃，且硼原子半径小，TiB2涂层中的硼含量较高，使得硼原子更易扩散至WC-Co基硬质合金基体内部，形成W3CoB3等脆性相，降低刀具的韧性。为尽可能降低硼元素扩散至基体，在沉积TiB2之前，可先沉积TiN、TiBN、TiBCN中的一种或多种涂层。中国发明专利（CN103506640B）公布了一种CVD方法制备的TiBCN涂层（B元素含量0.5~10 at%），且在沉积TiBCN之前优先沉积0.1~3.0 μm的第一涂层TiN或TiCN。但钛的氮化物、硼氮化物和硼碳氮化物的晶界强度较低，导致涂层韧性降低，这类涂层切削刀具加工钛合金、镍基高温合金时容易崩刃。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种结合强度和晶界强度高，不易崩刃的涂层刀具及其制备方法。
本申请方案提供一种多层涂层刀具，包括：基体和依次设置在基体表面的多层涂层，所述多层涂层包括相邻的第一子涂层ZrBxN1-x（0.005≤x≤0.10）和第二子涂层ZrBaCbNc（a+b+c=1，0.1≤a≤0.2，0.5≤b≤0.70，0.2≤c≤0.40），在第一子涂层和第二子涂层中硼含量从所述基体向外由低到高梯度变化，所述多层涂层采用化学气相沉积（CVD）方法制备。
进一步地，所述第一子涂层的晶粒是晶粒尺寸<500 nm的粒状或柱状构型，所述第二子涂层为非晶BN包覆Zr(C,N)纳米晶结构，其晶粒尺寸<50 nm。
具体的，所述第二子涂层的显微维氏硬度达到33 GPa以上。
具体的，所述多层涂层的总厚度为6.0~20.0 μm，所述第一子涂层的厚度为1.0~5.0 μm，所述第二子涂层的厚度为1.0~5.0 μm。
进一步地，所述多层涂层还包括沉积在基体表面和第一子涂层之间的结合层，所述结合层为TiN、Ti、ZrN、Zr中的一种或多种，所述结合层厚度为3.0-5.0 μm。
进一步地，在所述第二子涂层的表面沉积有表层，所述表层涂层为ZrN、ZrCN、ZrB2、Al2O3中的一种或多种，且所述表层的总厚度为1.0~5.0 μm。
一种制备多层涂层刀具的方法，用以制备上述任一项多层涂层刀具，包括：
制备所述第一子涂层，采用化学气相沉积技术，在800~950℃、50~200 mbar条件下，以H2、ZrCl4、BCl3、N2为原料，通过发生化学反应而获得，其中BCl3占总原料体积的0.1%-3%，且其体积占比随沉积时间的增加而梯度增加；
制备所述第二子涂层，通过化学气相沉积技术，在800~950℃、50~200 mbar条件下，以H2、ZrCl4、BCl3、CH3CN、N2为原料，在第一子涂层的表面发生化学反应而获得，所述的BCl3占总原料体积的0.1%-6%，且其体积占比随沉积时间的增加而梯度增加。
进一步地，制备结合层，采用化学气相沉积技术，在800~950℃、50~200 mbar条件下，以ZrCl4、N2、H2为原料，在所述基体表面发生化学反应而获得。
具体的，所述基体的材料为硬质合金、高速钢、金属陶瓷、聚晶金刚石、立方氮化硼材料中的一种。
本申请的改进带来如下优点：
本申请实施例一种多层涂层刀具具有多层涂层，该多层涂层包含有采用CVD方法制备的第一子涂层ZrBxN1-x和第二子涂层ZrBaCbNc，采用CVD方法制备的硼氮化物（ZrBN）和硼碳氮化物（ZrBCN）的晶界强度较高，因此涂层的韧性也较高、抗崩损性能好。
本多层涂层的沉积温度在800~950℃之间，远高于PVD涂层沉积温度（<700℃）。CVD涂层沉积过程中，涂层与基体之间、涂层与涂层之间元素可以相互扩散，形成冶金结合，采用CVD方法制备的本多层涂层相比PVD涂层通常具有更高的结合强度。
现有技术中涂层刀具的第一层TiN或TiCN涂层的厚度仅为0.1~3.0 μm，难于有效抑制TiBCN涂层中的B元素扩散到硬质合金基体内部，增加基体脆性，容易引起刀具过快磨损、崩刃甚至断裂。为此，本发明在基体表面可以优先沉积3.0~5.0 μm的结合层，并在结合层上依次沉积B含量由内至外梯度增加的第一子涂层ZrBxN1-x和第二子涂层ZrBaCbNc，两者都可更加有效地抑制涂层中的B元素向基体内部扩散。同时由于B元素从基体向涂层方向的梯度增加变化，涂层的晶格常数会逐渐变化，晶格畸变减小，有利于降低涂层内应力，降低涂层的应力和减小B元素向基体扩散，可获得更高的涂层和基体、涂层与涂层之间的结合强度。
附图说明
图1为本申请一种多层涂层刀具的截面结构示意图。
其中，100为基体，200为多层涂层，201为结合层，202为第一子涂层，203为第二子涂层，204为表层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1所示的，本申请实施例一种多层涂层刀具，包括基体100和依次设置在基体表面的多层涂层200。
基体的材料为硬质合金、高速钢、金属陶瓷、聚晶金刚石、立方氮化硼材料中的一种。
多层涂层由内至外包括相邻的第一子涂层ZrBxN1-x（0.005≤x≤0.10）和第二子涂层ZrBaCbNc（a+b+c=1，0.1≤a≤0.2，0.5≤b≤0.70，0.2≤c≤0.40），第一子涂层202和第二子涂层203中的硼含量由内到外呈从低到高的梯度变化，多层涂层采用化学气相沉积（CVD）方法制备。采用CVD方法制备的硼氮化物（ZrBN）和硼碳氮化物（ZrBCN）的晶界强度较高，因此涂层的韧性也较高、抗崩损性能好。
通过将第一子涂层和第二子涂层中的原子比例控制在上述范围内，配合硼含量的梯度变化及CVD方法，可以使得多层涂层刀具具有更好的耐磨性、韧性和结合强度以及低的摩擦系数，刀具可应用于钛合金、镍基高温合金等材料的切削加工。优选地，第一子涂层ZrBxN1-x（0.007≤x≤0.08）和第二子涂层ZrBaCbNc（a+b+c=1，0.10≤a≤0.18，0.52≤b≤0.68，0.22≤c≤0.38）；或第一子涂层ZrBxN1-x（0.01≤x≤0.06）和第二子涂层ZrBaCbNc（a+b+c=1，0.14≤a≤0.16，0.54≤b≤0.66，0.24≤c≤0.36）。
作为一个实施例，第一子涂层的晶粒是晶粒尺寸<500 nm的粒状至柱状构型，第二子涂层为非晶BN包覆Zr(C,N)纳米晶结构，其晶粒尺寸<50 nm，有利于提高涂层的硬度与耐磨性。优选地，第一子涂层的晶粒尺寸<400 nm，第二子涂层的晶粒尺寸<40 nm；或第一子涂层的晶粒尺寸<300 nm，第二子涂层的晶粒尺寸<30 nm。
作为其中一个具体示例，第二子涂层的显微维氏硬度达到33 GPa以上。
作为其中一个具体示例，多层涂层的总厚度为6.0~20.0 μm，第一子涂层的厚度为1.0~5.0 μm，第二子涂层的厚度为1.0~5.0 μm。将多层涂层的总厚度和各层厚度控制在上述范围内，可以在保持较薄的涂层厚度的同时，有效地控制硼元素的扩散，提高各种材料之间的结合强度。由于刀具进行切削时，高速的切削会导致温度快速上升，合适的涂层厚度可以防止涂层因积温而剥落。优选地，多层涂层的总厚度为8.0~18.0 μm，第一子涂层的厚度为2.0~4.0 μm，第二子涂层的厚度为2.0~4.0 μm；或多层涂层的总厚度为10.0~16.0 μm，第一子涂层的厚度为2.5~3.5 μm，第二子涂层的厚度为2.5~3.5 μm。
作为一个实施例，多层涂层还包括沉积在基体表面和第一子涂层之间的结合层201，结合层为TiN、Ti、ZrN、Zr中的一种或多种，结合层厚度为3.0-5.0 μm；结合层厚度优选为3.5-4.5 μm。在基体表面优先沉积3.0~5.0 μm的结合层，可更加有效地抑制涂层中的B元素向基体内部扩散。
第二子涂层的表面沉积有表层204，表层涂层为ZrN、ZrCN、ZrB2、Al2O3中的一种或多种，且表层的总厚度为1.0~5.0 μm，表层的总厚度优选为2.0~4.0 μm。
实施例1：制备一种多层涂层刀具的方法
基体为WC-Co基硬质合金（以下对比例1-4均使用该基体），结合层为ZrN，第一子涂层为ZrBxN1-x（0.005≤x≤0.10），硼含量在0.5~10 at.%之间梯度增加，第二子涂层为ZrBaCbNc（a+b+c=1，0.1≤a≤0.2，0.5≤b≤0.70，0.2≤c≤0.40），硼含量在10~20 at.%之间梯度增加，各层的制备方法如下：
（1）结合层ZrN，沉积温度900 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料ZrCl4、N2、H2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间180 min，涂层厚度3.0 μm；
（2）第一子涂层ZrBxN1-x（0.005≤x≤0.10）层，硼含量由低到高梯度变化，沉积温度850 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料H2、ZrCl4、BCl3、N2，BCl3占总气流的0.1%-3%，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间60 min，涂层厚度1.5 μm；
（3）第二子涂层ZrBaCbNc（a+b+c=1，0.1≤a≤0.2，0.5≤b≤0.70，0.2≤c≤0.40），硼含量由低到高梯度变化，沉积温度850 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料H2、ZrCl4、BCl3、CH3CN、N2，BCl3占总气流的0.1%-6%且梯度增加，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间60 min，涂层厚度1.5 μm；
（4）表层ZrB2，沉积温度850 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料H2、ZrCl4、BCl3，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间60 min，涂层厚度1.0 μm。
对比例1：CVD TiN/TiB2，各层制备方法如下：
（1）TiN层，沉积温度900 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料TiCl4、N2、H2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间50 min，涂层厚度1.0 μm；
（2）TiB2层，沉积温度900 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料H2、BCl3，各原料的纯度大于99.99%，沉积时间240 min，涂层厚度6.0 μm。
对比例2：CVD TiN/TiBN/TiB2多层涂层，各层的制备方法如下：
（1）TiN层，沉积温度900 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料TiCl4、N2、H2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间50 min，涂层厚度1.0 μm；
（2）TiBN层，沉积温度900 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料H2、TiCl4、BCl3、N2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间120 min，涂层厚度3.0 μm；
（3）TiB2层，沉积温度900 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料H2、BCl3，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间120 min，涂层厚度3.0 μm。
对比例3：CVD TiN/TiBN/TiBCN/TiB2多层涂层，各层的制备方法如下：
（1）TiN层，沉积温度900 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料TiCl4、N2、H2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间50 min，涂层厚度1.0 μm；
（2）TiBN层，沉积温度900 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料H2、TiCl4、BCl3、N2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间40 min，涂层厚度1.0 μm；
（3）TiBCN层，沉积温度900 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料H2、TiCl4、BCl3、CH3CN、N2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间120 min，涂层厚度3.0 μm；
（4）TiB2层，沉积温度900 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料H2、BCl3，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间90 min，涂层厚度2.0 μm。
对比例4：CVD TiN/MT-Ti(C,N)/TiAlOCN/Al2O3/TiN多层涂层，各层其制备方法如下：
（1）TiN层，沉积温度900 ℃，沉积压力120 mbar，反应原料TiCl4、N2、H2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间30 min，涂层厚度0.5 μm；
（2）MT-TiCN层（MT是Medium temperature的缩写，CVD涂层领域常用MT-TiCN表示中温氮碳化钛涂层），沉积温度880 ℃，沉积压力80 mbar，反应原料TiCl4、CH3CN、N2、H2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间90 min，涂层厚度2.0 μm；
（3）TiAlOCN层，沉积温度950 ℃，沉积压力100 mbar，反应原料TiCl4、AlCl3、CO、N2、H2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间60 min，涂层厚度1.0 μm；
（4）Al2O3层，沉积温度1000 ℃，沉积压力80 mbar，反应原料AlCl3、CO2、H2S、H2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间120 min，涂层厚度3.0 μm；
（5）TiN层，沉积温度1000 ℃，沉积压力120 mbar，反应原料TiCl4、N2、H2，各原料的纯度大于99%，优选99.99%，沉积时间20 min，涂层厚度0.5 μm。
表1为实施例1与对比例1- 4的力学性能比较。
表1 力学性能比较
涂层 硬度（GPa） 结合强度（N） 摩擦系数
实施例1 35.6 96 0.3
对比例1 33.2 71 0.5
对比例2 30.5 76 0.4
对比例3 32.3 79 0.4
对比例4 26.1 87 0.6
硬度的检测方法如下：
将基体表面抛光成镜面，涂层沉积后用直径为20 mm的轴承钢球在涂层表面对磨20秒，研磨时加入金刚石研磨剂。然后采用TTX-NHT2型纳米压痕仪（奥地利安东帕公司）测试磨痕处涂层的硬度（放大100倍），压针为金刚石玻氏压头（Berkovich），最大载荷20 mN，加载速率40 mN/min，卸载速率为40 mN/min，保压时间5秒，为了消除基体对硬度的影响，压入深度小于涂层总厚度的1/10。共测量20个不同点的硬度，取平均值为涂层的硬度。
结合强度的检测方法如下：
采用瑞士CSM公司生产的REVETEST划痕测试仪测量涂层与基体的结合强度。划痕试验法是用一个直径约200微米的半球形金刚石压头在涂层表面上滑动，在此过程中通过自动加载机构连续增加垂直载荷L，当L达到其临界载荷Lc时，涂层与基体开始剥离，涂层和基体之间的界面临界载荷Lc即压头完全划透涂层并使之从其基体上连续剥离所需要的最小载荷；同时，压头与涂层和基体的摩擦力F相应发生变化。此时，涂层会产生声发射，通过传感器获取划痕时的声发射信号、载荷的变化量、切向力的变化量，经放大处理，输入计算机经A/D转换将测量结果绘制成图形，在声发射信号-载荷曲线上临界载荷值Lc处对应得出声发射峰，此时临界载荷Lc即为涂层与基体结合强度的判据。测试参数为：线性加载，加载载荷200N，加载速率99 N/min，划痕速度5 mm/min，划痕长度5mm。
摩擦系数测试参照国际标准ASTM G99-2017进行测试。
其中，实施例1中各涂层依次为结合层ZrN、ZrBxN1-x、ZrBaCbNc、ZrB2；对比例1：CVDTiN/TiB2；对比例2：CVD TiN/TiBN/TiB2；对比例3：CVD TiN/TiBN/TiBCN/TiB2；对比例4：CVDTiN/MT-Ti(C,N)/TiAlOCN/Al2O3/TiN。综合表1的数据对比分析可知，实施例1制备的多层涂层刀具相比对比例1-4的涂层刀具无论是在硬度、结合强度还是摩擦系数都具有更加优异的表现，在上述的各个方面都得到了提升。
钛合金铣削对比
加工方式：粗铣
工件：钛合金叶片
材料：Ti6Al4V
刀片类型：RPHT120408E-MM3
切削条件：切削速度30 m/min，进给0.1 mm/z，切深1.5 mm，切削宽度ae 60 mm，湿切
表2 铣削钛合金Ti6Al4V加工工件数量与失效形式
涂层 加工工件数量 刀具失效模式
实施例1 10 磨损
对比例1 6 崩刃
对比例2 7 磨损
对比例3 8 磨损
对比例4 5 崩刃
由表2可以看出，实施例1的多层涂层刀具加工工件数量达到10也仅是磨损，相比对比例1、4加工工件数量仅五六件就崩刃，实施例1的多层涂层刀具表现十分突出；即便是与对比例2、3相比，其加工工件的数量也更胜一筹。因此说明本申请的多层涂层刀具相比现有技术已大大提高了涂层的使用寿命。
高温合金铣削对比
加工方式：面铣削
工件：方块件
材料：GH4169
刀片类型：SNGX1206ANN-MM4
切削条件：切削速度80 m/min，进给0.25 mm/z，切深1 mm，切削宽度ae 60 mm，干式切削
切削不同时间后刀片后刀面的磨损量VB（单位mm）测量结果见表3，刀片后刀面磨损量采用带刻度标尺的OLYMPUS SZ61光学超景深显微镜测量。
表3 铣削钛合金GH4169刀片后刀面磨损量对比
涂层 3 min 6 min 9 min 12 min
实施例1 0.09 0.12 0.20 0.29
对比例1 0.13 0.21 0.30 崩刃
对比例2 0.15 0.19 0.28 0.50
对比例3 0.12 0.18 0.25 0.35
对比例4 0.15 0.22 0.35 崩刃
由表3可以看出，本申请的多层涂层刀具的耐磨性相比现有技术得到了大幅提高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种多层涂层刀具，其特征在于，包括基体和依次设置在基体表面的多层涂层，所述多层涂层包括相邻的第一子涂层ZrBxN1-x以及第二子涂层ZrBaCbNc，其中0.005≤x≤0.10，a+b+c=1，0.1≤a≤0.2，0.5≤b≤0.70，0.2≤c≤0.40，在所述第一子涂层和第二子涂层中硼含量从所述基体向外由低到高梯度变化，所述多层涂层采用化学气相沉积（CVD）方法制备。
2.根据权利要求1所述的多层涂层刀具，其特征在于，所述第一子涂层的晶粒是晶粒尺寸<500 nm的粒状或柱状构型，所述第二子涂层为非晶BN包覆Zr(C,N)纳米晶结构，其晶粒尺寸<50 nm。
3.根据权利要求1所述的多层涂层刀具，其特征在于，所述第二子涂层的显微维氏硬度达到33 GPa以上。
4.根据权利要求1所述的多层涂层刀具，其特征在于，所述多层涂层的总厚度为6.0~20.0 μm，所述第一子涂层的厚度为1.0~5.0 μm，所述第二子涂层的厚度为1.0~5.0 μm。
5.根据权利要求1所述的多层涂层刀具，其特征在于，所述多层涂层还包括沉积在所述基体表面和第一子涂层之间的结合层，所述结合层为TiN、Ti、ZrN、Zr中的一种或多种，所述结合层厚度为3.0-5.0 μm。
6.根据权利要求1所述的多层涂层刀具，其特征在于，在所述第二子涂层的表面沉积有表层，所述表层为ZrN、ZrCN、ZrB2、Al2O3中的一种或多种，且所述表层的总厚度为1.0~5.0 μm。
7.一种制备多层涂层刀具的方法，其特征在于，该方法用以制备权利要求1-6任一项所述的多层涂层刀具，包括：
制备所述第一子涂层，采用化学气相沉积技术，在800~950℃、50~200 mbar条件下，以H2、ZrCl4、BCl3、N2为原料，通过发生化学反应而获得，其中BCl3占总原料体积的0.1%-3%，且其体积占比随沉积时间的增加而梯度增加；
制备所述第二子涂层，通过化学气相沉积技术，在800~950℃、50~200 mbar条件下，以H2、ZrCl4、BCl3、CH3CN、N2为原料，在第一子涂层的表面发生化学反应而获得，所述的BCl3占总原料体积的0.1%-6%，且其体积占比随沉积时间的增加而梯度增加。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
制备结合层，采用化学气相沉积技术，在800~950℃、50~200 mbar条件下，以ZrCl4、N2、H2为原料，在所述基体表面发生化学反应而获得。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基体的材料为硬质合金、高速钢、金属陶瓷、聚晶金刚石、立方氮化硼材料中的一种。
CN202310458494.7A 2023-04-26 2023-04-26 一种多层涂层刀具及制备方法 Active CN116162917B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310458494.7A CN116162917B (zh) 2023-04-26 2023-04-26 一种多层涂层刀具及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310458494.7A CN116162917B (zh) 2023-04-26 2023-04-26 一种多层涂层刀具及制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116162917A CN116162917A (zh) 2023-05-26
CN116162917B true CN116162917B (zh) 2023-07-14

Family

ID=86416795

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310458494.7A Active CN116162917B (zh) 2023-04-26 2023-04-26 一种多层涂层刀具及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116162917B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116837347B (zh) * 2023-09-01 2023-11-21 赣州澳克泰工具技术有限公司 一种带涂层的切削刀具及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006001004A (ja) * 2004-05-17 2006-01-05 Mitsubishi Materials Corp 高硬度鋼の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具
CN111647851A (zh) * 2020-06-15 2020-09-11 天津职业技术师范大学(中国职业培训指导教师进修中心) 兼具高硬度和高韧性Zr-B-N纳米复合涂层及其制备方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10258282A1 (de) * 2002-12-13 2004-07-08 Walter Ag CVD-Beschichtungsverfarhen für ZrBx CyNz-Schichten (x+y+z = 1) sowie beschichtetes Schneidwerkzeug
CN105316634A (zh) * 2015-11-16 2016-02-10 南京航空航天大学 一种Cr-B-C-N纳米复合薄膜的制备方法
CN107400863A (zh) * 2017-07-03 2017-11-28 济宁学院 ZrNbCN梯度复合涂层刀具及其制备方法
CN114196940B (zh) * 2021-12-06 2023-04-28 赣州澳克泰工具技术有限公司 一种复合涂层刀具及其制备方法和应用
CN114672786B (zh) * 2022-03-17 2023-04-28 赣州澳克泰工具技术有限公司 一种耐高温氧化、自润滑的多层涂层刀具及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006001004A (ja) * 2004-05-17 2006-01-05 Mitsubishi Materials Corp 高硬度鋼の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具
CN111647851A (zh) * 2020-06-15 2020-09-11 天津职业技术师范大学(中国职业培训指导教师进修中心) 兼具高硬度和高韧性Zr-B-N纳米复合涂层及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN116162917A (zh) 2023-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. PVD-CrAlN and TiAlN coated Si3N4 ceramic cutting tools—1. Microstructure, turning performance and wear mechanism
CN114196940B (zh) 一种复合涂层刀具及其制备方法和应用
JP6139531B2 (ja) 切削インサート及びその製造方法
US8465828B2 (en) Surface-coated cutting tool
JP2018521862A (ja) 多層アークｐｖｄコーティングを有する工具
CN100556691C (zh) 涂覆的金属陶瓷切削刀具及其应用
JP5295325B2 (ja) 表面被覆切削工具
JPWO2011055813A1 (ja) 被覆工具
KR20070092945A (ko) 표면 피복 절삭 공구
JP3392115B2 (ja) 硬質皮膜被覆工具
JP2007260851A (ja) 表面被覆切削工具
CN116162917B (zh) 一种多层涂层刀具及制备方法
JPH06220571A (ja) 切削工具用の超硬合金及び被覆超硬合金
CN114672786B (zh) 一种耐高温氧化、自润滑的多层涂层刀具及其制备方法
KR20130041325A (ko) 표면 피복 절삭 공구
CN116604057B (zh) 一种复合涂层刀具及其制备方法和应用
JPH08209335A (ja) 被覆硬質部材
KR20130019378A (ko) 표면 피복 절삭 공구
KR20100126357A (ko) 산화물 코팅된 절삭 인서트
KR20100126356A (ko) 산화물 코팅된 절삭 인서트
CN111893457A (zh) 一种涂层切削刀具及其制备方法
You et al. Effect of cermet substrate characteristics on the microstructure and properties of TiAlN coatings
CN116288246A (zh) 一种涂层切削工具
CN114836754B (zh) 一种带涂层的切削工具及其制备方法
JP4845490B2 (ja) 表面被覆切削工具

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant