CN116372206B - 一种刀具用纳米涂层及涂层刀具 - Google Patents

一种刀具用纳米涂层及涂层刀具 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种刀具用纳米涂层，涂层具有TixAlyM(1‑x‑y)N层和AlCrN层相互叠加形成，其中1‑x‑y为0.01～0.1，x，y取值在0.4～0.6，所述M由Zr，Hf，Cr，Mo，W，Nb，Ta，Y，Si的两种或两种以上物质构成，其中任何一种物质取值大于0.005。刀具在最表层设置AlCrN层极大改善了抗氧化性能。多元素高熵合金的组成优化使其兼备了高硬度，化学稳定性，高温性能。在切削加工改善刀具耐断续加工性能的时候，能够达到同时改善刀具的耐磨性。使其能在高低速切削中都能发挥优越的性能，提高刀具的使用综合性能，解决刀具提升性能时韧性，硬度和抗氧化性能无法兼备的问题。

Description

一种刀具用纳米涂层及涂层刀具
技术领域
本发明涉及切削刀具材料领域，更具体地，涉及一种刀具用纳米涂层及涂层刀具。
背景技术
涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物（也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上）而制备的。
作为在车削加工和铣削加工之类的切削加工中使用的涂层刀具，经检索有如下专利公开了表面被覆切削刀具(涂层刀具)。
CN104302804B氮化硅基陶瓷刀具/刀片基体；与基体结合良好的涂层；其中涂层中至少含有一层Al2O3或含Al2O3的涂层；改善了铸铁高速加工的使用，但该技术没有解决钢件类带来的高温磨损问题。
EP1914331A3通过纳米多层设计提高了耐磨性和韧性，但该方案没有解决高速加工下的涂层氧化，和后刀面的磨损性能。
JP2015530270A涂层由TiaAl(1-a)N、TibSi(1-b)N和 AlcCr(1-c)N相互交叠的涂层的构成，很大程度提升了涂层的耐磨性，但没有考虑韧性的优化，无法满足断续加工带来的损伤。
因此，研发一种综合性能好的刀具涂覆涂层，兼顾强度、耐磨性和韧性，高温性能好的材料意义重大。
发明内容
本发明针对上述的不足，提供一种刀具用纳米涂层，为纳米厚度的涂层叠加而成，改善材料韧性的同时也提高了硬度。涂层中选用了TixAlyM(1-x-y)N层和AlCrN层相互叠加形成，刀具在最表层设置AlCrN层极大改善了抗氧化性能。多元素高熵合金的组成优化使其兼备了高硬度，化学稳定性，高温性能。在切削加工改善刀具耐断续加工性能的时候，能够达到同时改善刀具的耐磨性。使其能在高低速切削中都能发挥优越的性能，提高刀具的综合性能，解决刀具提升性能时韧性，硬度和抗氧化性能无法兼备的问题。
本发明的刀具用纳米涂层通过以下技术方案予以实现：
公开一种刀具用纳米涂层，涂层具有TixAlyM(1-x-y)N层和AlCrN层相互叠加形成，其中1-x-y为0.01～0.1，x，y取值在0.4～0.6，所述M由Zr，Hf，Cr，Mo，W，Nb，Ta，Y，Si的两种或两种以上物质构成，其中任何一种物质取值大于0.005。多元素高熵合金的组成优化使其兼备了高硬度，化学稳定性，高温性能。
进一步地，涂层具有TixAlyM(1-x-y)N层和与第1TixAlyM(1-x-y)N层相比位置更远离基体的AlCrN层组成；或由TixAlyM(1-x-y)N层和AlCrN层叠加而得复合多层涂层。
进一步地，所述TixAlyM(1-x-y)N层和AlCrN层的涂层厚度为10～100nm，但AlCrN层的涂层厚度不超过TixAlyM(1-x-y)N层的涂层厚度。
进一步地，TixAlyM(1-x-y)N层和AlCrN各层相互叠加形成多层的纳米涂层；根据涂层厚度决定叠加次数，最表面涂层根据需要对AlCrN涂层厚度占总涂层厚度的10%～50%。TixAlyM(1-x-y)N层为主要涂层，而AlCrN层为辅助的涂层。
本发明的另一目的在于公开上述刀具用纳米涂层制备的涂层刀具，所述纳米涂层涂覆在基体上，多个所述纳米涂层形成的单元层中，位置越远离所述基体则W，Co的含有比率逐渐地减少。本方案设计的原因为由于高温基材元素扩散和刀具表面的凹凸不平。因此保持正常的梯度才能保证涂层性能。
进一步地，包括基体侧的内侧面的第1区域；包含位于所述内侧面的相反侧的外侧面的第2区域；所述第1区域的XRD衍射峰的半峰宽大于所述第2区域。
进一步地，包括基体含有碳化钨和钴；或金属陶瓷，CBN，Si3N4的任意一种。
进一步地，所述刀具的基体的前刀面和后刀面的涂层厚度不同，
进一步地，所述后刀面的涂层厚度是前刀面涂层后的1.05～1.2倍。本发明的后刀面和前刀面的厚度进行了科学的设计，防止后刀面涂层过厚，导致其韧性降低。
进一步地，本方案同时考虑铣削和车削加工，所述涂层厚度1.0～25.0µm。此范围在涂层材料性能的基础上综合考量其涂层厚度，保证其强度和韧性的使用需求。如果厚度不在这个范围内会导致过低耐磨性，过高韧性都会影响其性能发挥。
本发明相对现有技术具有以下有益效果：
本发明的刀具用纳米涂层充分考虑了刀具基体与涂层之间的相容性和扩散性，创造性地使用了TixAlyM(1-x-y)N和AlCrN相互叠加形成性能好的元素成分，在相互两层的结合处，材料分子间扩散和相容性更好，使层间的粘结牢固，高温性好，使用性能可靠。
本发明的涂层中选用了TixAlyM(1-x-y)N和AlCrN相互叠加形成，刀具在最表层设置AlCrN极大改善了抗氧化性能。多元素高熵合金的组成优化使其兼备了高硬度，化学稳定性，高温性能。在切削加工改善刀具耐断续加工性能的时候，能够达到同时改善刀具的耐磨性。使其能在高低速切削中都能发挥优越的性能，提高刀具的综合性能，解决刀具提升性能时韧性，硬度和抗氧化性能无法兼备的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1所述刀具用纳米涂层制备的涂层刀具的结构示意图。
图2为本发明实施例1所述刀具用纳米涂层制备的涂层刀具的A-A方向剖面结构示意图。
图3为本发明实施例1所述刀具用纳米涂层制备的涂层刀具的B处结构放大示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
如图1－图3所示，本实施例的涂层刀具具备刀具基体6和位于基体上的涂层7，涂层具有TixAlyM(1-x-y)N层和AlCrN层相互叠加形成，其中1-x-y为0.01～0.1，x， y取值在0.4～0.6，所述M由Zr，Hf，Cr，Mo，W，Nb，Ta，Y，Si的两种或两种以上物质构成，其中任何一种物质取值大于0.005。其基体含有碳化钨和钴；或金属陶瓷，CBN，Si3N4的任意一种。
涂层刀具为四角板形状，具有四边形的上表面即前刀面2、侧面即后刀面4、和位于前刀面2与后刀面4相交的脊线的至少一部分处的切削刃5，及与前刀面2相对设置的下表面3。在前刀面2中，切削刃5的形成的交会处为前刀面刀尖区域。前刀面刀尖区域，由切削刃5构成的角度根据加工需要可以是锐角，也可以钝角，也可根据需要对刀尖部设定圆角。
前刀面2可以在至少一部分具有前刀面区域，前刀面2中的沿着切削刃5区域成为前刀面区域。后刀面4可以在至少一部分具有后面区域。
作为另一种结构，后刀面4中的沿着切削刃5的区域成为后面区域。因此，也可以说切削刃5位于前刀面区域与后面区域相交的部分。
本实施例中的涂层刀具的大小没有特别限定，本实施例中的切削刃5的长度可以2～200mm左右。涂层刀具具备四角板形状的刀具基体6、和被覆盖刀具基体6表面的涂层7。作为涂层7的厚度，例如可设定为涂层厚度1.0～25µm，最好1.5～15µm左右。需要说明的是，涂层7的厚度可以固定，也可以根据部位而不同。涂层7可以覆盖基体6的整个表面。涂层7由于具有TixAlyM(1-x-y)N层8而耐缺损性高。另外，涂层7具有AlCrN层9，因此耐氧化性高。涂层7为多个TixAlyM(1-x-y)N层8和多个AlCrN层9的位置交替的构成，因此涂层7的整体强度高和耐氧化性高。
TixAlyM(1-x-y)N层和AlCrN层的涂层厚度为10～100nm，AlCrN层涂层的厚度不超过TixAlyM(1-x-y)N层的涂层厚度。TixAlyM(1-x-y)N层和AlCrN层各层相互叠加形成多层的纳米涂层；根据涂层厚度决定叠加次数，最表面涂层根据需要对AlCrN层的涂层厚度占总涂层厚度的10%～50%。
进一步地，本实施例的纳米涂层涂覆在基体上，多个纳米涂层形成的单元层中，位置越远离所述基体则W，Co的含有比率减少。
本实施例的TixAlyM(1-x-y)N层8中，除了含有铝和钛以外，另外，含有Zr，Hf，Cr，Mo，W，Nb，Ta，Y，Si等金属成分。本实施例中的M为Zr，W；在TixAlyM(1-x-y)N层8中，上述的金属成分相比，铝和钛各自的含有比率的合计较高。铝的含有比率可设定为0.5，钛的含有比率可设定为0.4，M总和为0.1，取Zr为0.05，W为0.05，因此分子式为Ti0.4Al0.5Zr0.05W0.05N。需要说明的是，上述中的“含有比率”表示以原子数量的比率。
本实施例中基体选用碳化钨平均粒度为0.4µm粉末，添加12.0wt%Co和0.5wt%Cr3C2经过球磨喷雾制粉后，压制成刀片CNMG20408MS四角板形状压坯，后经1400℃，1小时的真空烧结的毛坯，经端面研磨和钝化处理的加工样品作为后续的涂层用。
其涂层7的制备，选用物理蒸镀法，举例如电弧放电，离子镀法和溅射法等，在利用电弧放电制作的情况下，通过下述方法来制作涂层7。
步骤一：刀具基体6进行清洗和喷砂的清洁工作，去除油污和氧化皮等；充分清洁后的刀具基体6，采用插孔式装夹穿好后放入PVD炉腔中，保持刀具的后刀面4是平行于炉壁的状态，然后用氩气吹扫、加温到 160℃和真空处理，真空度2×10-2Pa～3×10-2Pa，深度去除杂质；
步骤二：刀具基体6加温到500℃，电弧电流150A，气体压力10Pa，刀具基材偏压135V，对刀具基体6进行等离子活化处理，促进后续涂层的结合力，时间为25分钟；
步骤三：将刀具基材1升温到550℃，通入氮气(N2)，气体压力3.95Pa，刀具基体6偏压40V，准备分别独立地含有铝、钛及铬的金属靶、复合化的合金靶或烧结体靶。通过电弧放电使作为金属源的上述靶蒸发而离子化。使离子化了的靶与作为氮源的氮(N2)气反应，并且使其蒸镀于刀具基体6的表面。使用Al/Ti/Zr/W复合靶材，所述Al/Ti/Zr/W复合靶材具体为40at％Ti50at％Al/0.05at％Zr/0.05at%W复合靶材，电弧电流150A，基材偏压40V，PVD沉积时间1分钟，通过以上的步骤可形成Ti0.4Al0.5Zr0.05W0.05N层8。
步骤四：保持温度和氮气流量不变。准备分别独立地含有铝及铬的金属靶、复合化的合金靶或烧结体靶。通过电弧放电等使作为金属源的上述靶蒸发而离子化。使离子化了的靶与作为氮源的氮(N2)气反应，并且使其蒸镀于刀具基体6的表面。使用Al/Cr复合靶材，所述Al/Ti/M复合靶材具体为70at％Al/30at％Cr复合靶材，电弧电流150A，基材偏压40V，PVD沉积时间0.5分钟。通过以上的步骤，可形成Al0.7Cr0.3N层9。
通过交替重复进行上述步骤三和步骤四，可形成多个Ti0.4Al0.5Zr0.05W0.05N层8与多个Al0.7Cr0.3N层9交替层叠的构成的涂层7。需要说明的是，先进行步骤四、然后进行步骤三也没有任何问题。
涂层7的厚度可以通过上述重复次数来调整，重复了80次后涂层厚度可以达到2.0微米。
涂层时的基材偏压设定，在31V范围内，必须保证开始的偏压小，接近涂层结束时偏压加大的条件进行涂层。比如150次为止偏压为31V，151到300次间偏压为32V，301到450次间的偏压为33V。而其他条件可以保持不变。
在涂层技术后，在550℃保温1小时后降温。氩气流量在900sccm保证涂层各层之间的应力释放和结合强度。
分析，通过电子显微镜（SEM）对样品的断面分析，测量涂层的厚，通过X线衍射（XRD）对涂层进行定性分析，测量（200）峰的半宽值。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，TixAlyM(1-x-y)N层8中，M为Cr，Mo。在TixAlyM(1-x-y)N层8中，上述的金属成分相比，铝和钛各自的含有比率的合计较高。铝的含有比率可设定为0.6，钛的含有比率可设定为0.3。M总和为0.1，取Cr为0.05，Mo为0.05。需要说明的是，上述中的“含有比率”表示以原子数量的比率。
本实施例中，TixAlyM(1-x-y)N层8和AlCrN层9的厚度为10～100nm，但AlCrN层的总体厚度要小于TixAlyM(1-x-y)N层的总体厚度。 此种设计保证了总体涂层的耐磨性。
在切削加工时，与TixAlyM(1-x-y)N层相比位置更远离刀具基体6的AlCrN层形成的叠加形成的涂层7中，接近基材的第一区域10和涂层表面的第二区域11的XRD的峰值的半峰宽不同，第二区域11的小的情况下，切削加工时表层会有更好的耐磨性，而第一区域10半价值大的情况下，会对涂层和基材起缓冲的作用。有效地改善了涂层的粘附性。具体峰值规定为0.95-0.98。
实施例3
在刀具基体6和涂层7的构成中，前刀面涂层过后不利于断续性的切削加工，在通过纳米涂层设计达到改善涂层硬度，实现改善耐磨性时，可以减少前刀面涂层的厚度，后刀面的涂层厚度是前刀面涂层后的1.05～1.2倍，本实施例中的后刀面的涂层厚度是前刀面涂层后的1.1倍。
本实施例与实施例1不同之处在于，TixAlyM(1-x-y)N层8中，M为Cr，Mo。在TixAlyM(1-x-y)N层8中，上述的金属成分相比，铝和钛各自的含有比率的合计较高。铝的含有比率可设定为0.4，钛的含有比率可设定为0.55。需要说明的是，上述中的“含有比率”表示以原子数量的比率。
实施例4
作为刀具基体6的材质为超硬合金的组成，如WC－Co、WC－TiC－Co和WC－TiC－TaC－Co等。在此，WC、TiC和TaC为硬质粒子，Co为结合相。另外，金属陶瓷是使陶瓷成分中复合有金属的烧结复合材料。具体而言，作为金属陶瓷，可列举以TiC或TiN(氮化钛)作为主要成分的化合物等。
对比例1
本对比例与实施例2相似，其不同之处在于，TixAlyM(1-x-y)N层8和AlCrN层9的厚度为10～100nm，但AlCrN层的总体厚度要大于TixAlyM(1-x-y)N层的总体厚度。
对比例2
本对比例与实施例1相似，其不同之处在于，涂层仅使用TixAlyM(1-x-y)N成分，其具体组成与实施例1相同 。
对比例3
本对比例与实施例1相似，其不同之处在于，涂层仅使用AlCrN成分，其具体组成与实施例1相同。
对实施例1，对比例1-对比例3分别测试其性能，其试验方法和试验结果如下。
制备的样品刀片，通过车削切削评价判断其性能，具体切削条件如下。性能判定方法为，加工30分钟后，对刀片刀尖的前后刀面进行观察，前后刀面无异常磨损，后刀面磨损量小于0.2mm，刀刃无崩损即判定为良好，如有即判定为NG（不良）。
刀具型号：CNMG080408MS
工件材质：带黑皮的42CrMo, 尺寸D100*L200
加工形式：端面车削
其他条件：水冷
试验结果如下：
本发明的刀具用纳米涂层充分考虑了刀具基体与涂层之间的相容性和扩散性，创造性地使用了TixAlyM(1-x-y)N和AlCrN相互叠加形成性能好的元素成分，在相互两层的结合处，材料分子间扩散和相容性更好，使层间的粘结牢固，其切削性能良好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围之内。

Claims (7)

1.一种刀具用纳米涂层制备的涂层刀具，具有基体和涂层；其特征在于，所述涂层由TixAlyM(1-x-y)N层和AlCrN层相互叠加形成，其中1-x-y为0.01～0.1，x， y取值在0.4～0.6，所述M由Zr，Hf，Cr，Mo，W，Nb，Ta，Y，Si中的两种以上物质构成，其中任何一种物质取值大于0.005；所述AlCrN层的厚度不超过TixAlyM(1-x-y)N层的厚度；所述涂层上接近基体的第一区域的XRD衍射峰的半峰宽大于所述涂层表面第二区域的XRD衍射峰的半峰宽。
2.根据权利要求1所述刀具用纳米涂层制备的涂层刀具，其特征在于，所述TixAlyM(1-x-y)N层和AlCrN层的总厚度为10～100nm。
3.根据权利要求1所述刀具用纳米涂层制备的涂层刀具，其特征在于，所述基体含有碳化钨和钴。
4.根据权利要求1所述刀具用纳米涂层制备的涂层刀具，其特征在于，所述基体为金属陶瓷，CBN，Si3N4中的任意一种。
5.根据权利要求1所述刀具用纳米涂层制备的涂层刀具，其特征在于，所述刀具的基体的前刀面和后刀面的涂层厚度不同。
6.根据权利要求5所述刀具用纳米涂层制备的涂层刀具，其特征在于，所述后刀面的涂层厚度是前刀面涂层厚度的1.05～1.2倍。
7.根据权利要求6所述刀具用纳米涂层制备的涂层刀具，其特征在于，所述涂层厚度1.0～25µm。
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