CN116445891A - 一种差异化织构重构涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种差异化织构重构涂层刀具及其制备方法，属于机械切削刀具制造技术领域，该差异化织构重构涂层刀具包括：基体，具有第一刀面与第二刀面；基础涂层，包括内层与外层，连续覆盖于第一刀面与第二刀面上；应力调控过渡涂层，位于第一刀面或第二刀面的基础涂层上，通过去除一定厚度的基础涂层外层得到；重构涂层，覆盖于应力调控过渡涂层上，重构涂层与基础涂层之间形成差异化的晶粒择优取向。本发明第一刀面的基础涂层顶层和第二刀面重构涂层具有不同的择优取向，使得涂层性能更适应第一刀面和第二刀面摩擦磨损特征；在非遮挡刀面处重构涂层的择优取向与基础涂层择优取向呈现出折线式特征，达到细化晶粒、进一步改善涂层性能的目标。

Description

一种差异化织构重构涂层刀具及其制备方法
技术领域
本发明涉及机械切削刀具制造技术领域，特别涉及一种差异化织构重构涂层刀具及其制备方法。
背景技术
涂层晶粒择优取向(织构)用于刀具涂层可改善取向方向力学、摩擦性能和切削性能。中国发明专利申请CN109312474A公开如下内容，利用α-Al2O3涂层与TiCN涂层组合，且α-Al2O3层表现出织构系数TC(0012)≥7.2，以提升刀具的切削性能。美国发明专利文献US2020/0095675A1公开如下内容，Al2O3涂层拥有如下择优取向特征：I(0012)/I(113)>1，I(0012)/I(116)>1，I(0012)/I(024)>1，降低刀具的摩擦磨损性能。
硬质合金涂层刀具高速干切削球墨铸铁、合金钢等时，在前刀面与后刀面处，热与机械耦合应力引起裂纹在涂层中产生与扩展，导致涂层剥落和破损；同时，已加工表面与后刀面剧烈挤压摩擦，致使已加工表面产生加工硬化、形成表面变质层。因此高速干切削球墨铸铁、合金钢等伴随着摩擦磨损加剧、涂层寿命下降、已加工表面质量难以满足用户要求的问题。
为提升刀具切削性能、降低涂层刀具摩擦磨损，在不同刀面差异化涂层织构调控策略方面还缺乏系统性研究。若通过合理调控涂层择优取向，实现不同刀面织构的最佳匹配，有望为涂层刀具带来新的研究思路。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题。本发明提供了一种差异化织构重构涂层刀具及其制备方法，可形成在第一刀面以提高抗磨损性、第二刀面以改善已加工表面质量为目标的织构组合；延长刀具服役寿命、提高加工效率的同时改善已加工表面质量。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种差异化织构重构涂层刀具，包括：
基体，具有第一刀面与第二刀面；
基础涂层，包括内层与外层，所述基础涂层连续覆盖于所述第一刀面与第二刀面上；
应力调控过渡涂层，位于所述第一刀面或第二刀面的基础涂层上，所述应力调控过渡涂层通过去除所述第一刀面或第二刀面上一定厚度的基础涂层外层得到；
重构涂层，覆盖于所述应力调控过渡涂层上，所述重构涂层与所述基础涂层之间形成差异化的晶粒择优取向；
所述基础涂层上未形成所述应力调控过渡涂层的区域覆盖有遮盖层。
遮盖层在重构涂层时对刀具其他表面进行遮挡，达到只涂覆特定刀面的效果。
其中，所述第一刀面为刀具前刀面，第二刀面为刀具后刀面。
本发明将织构重构设计思路引入涂层刀具设计领域，通过差异化前-后刀面择优取向，形成在前刀面以提高抗磨损性、后刀面以改善已加工表面质量为目标的织构组合。
进一步，所述重构涂层与基础涂层外层的成分相同，重构涂层的择优取向与基础涂层外层的择优取向呈现出折线式特征；
所述第一刀面的涂层择优取向与第二刀面的涂层择优取向出现差异。
进一步，所述基础涂层上未覆盖所述重构涂层与所述遮盖层的区域涂覆有取向不变涂层，所述取向不变涂层、所述遮盖层与所述重构涂层之间连续设置。
进一步，所述重构涂层的成分选自TiCN、Al2O3、TiN、TiB2、TiBN、ZrN、ZrC、ZrCN、SiC中的一种或多种。
进一步，所述基体包括硬质合金刀具，按重量百分比计，所述基体的成分为79％WC+15％TiC+6％Co或94％WC+6％Co；
所述基础涂层成分包括TiCN和Al2O3。
本发明还公开了上述差异化织构重构涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择基体材料；
(2)在所述基体上涂覆TiCN和Al2O3形成基础涂层；
(3)在所述基础涂层上部分涂覆遮盖层；
(4)采用机械处理的方式去除一定厚度的未涂覆有遮盖层的基础涂层外层，形成应力调控过渡涂层；
(5)通过CVD技术涂覆重构涂层：首先差异化择优取向Al2O3成核，再经差异化择优取向Al2O3涂覆，得到所述重构涂层。
采用机械处理的方式去除基础涂层外层部分涂层，形成应力调控过渡涂层，本发明可应用于硬质合金刀具材料，本发明制备的织构重构涂层刀具，可解决高速干切削球墨铸铁、合金钢等带来的摩擦磨损加剧、涂层寿命下降、已加工表面质量难以满足用户要求的问题。
遮盖层在重构涂层时对刀具其他表面进行遮挡，达到只涂覆特定刀面的效果。
进一步，步骤(5)中，所述差异化择优取向Al2O3成核过程中，控制成核温度为1000-1050℃，压力为60-90mbar，沉积时间为10-30min；H2、N2、AlCl3、CO2、HCl和CO体积百分比分别为80-90％、5-10％、0.5-2％、1-5％、1.5-3％和0.1-1％。
进一步，步骤(5)中，所述差异化择优取向Al2O3涂覆过程中，控制温度为1000-1050℃，压力为60-90mbar，沉积时间为100-300min；H2、N2、AlCl3、CO2、HCl、H2S和CO体积百分比分别为80-90％、5-20％、0.5-5％、1-5％、1.5-3％、0.1-1％和0.1-1％；其中H2S与CO2的体积比大于0.08且小于0.11。
进一步，步骤(2)中，TiCN涂覆参数为：控制温度850-880℃，压力60-90mbar，沉积时间300-450min，H2、N2、TiCl4和CH3CN体积百分比分别为50-85％、5-40％、1-4％和0.1-1％；
Al2O3成核参数为：控制温度1000-1050℃，压力60-90mbar，沉积时间10-25min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl和CO体积百分比分别为80-90％、5-10％、0.5-2％、1-5％、1.5-3％和0.1-4％；
Al2O3涂覆参数为：控制温度1000-1050℃，压力60-90mbar，沉积时间400-500min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl、H2S和CO体积百分比分别为80-90％、5-10％、0.5-2％、1-5％、0.5-1％、0.1-1％和0.1-1％；其中H2S与CO2比例大于0.11；
TiN涂覆参数为：控制温度900-1050℃，压力500-800mbar，沉积时间50-100min，H2、N2和TiCl4体积百分比分别为60-80％、20-35％和0.5-2％。
进一步，步骤(4)中，采用粒度为80-500目的氧化铝对所述基础涂层进行干喷砂处理，控制压力为1.5-3bar，处理时间2-10min，喷砂距离100-250mm，喷砂次数2-5次。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
本发明解决了第一刀面和第二刀面无法同时适应各自诉求的困境：首先，设计分别适应刀具第一刀面和第二刀面摩擦磨损特征的织构，兼顾第一刀面以提高耐磨性、第二刀面以改善已加工表面质量为目标的织构组合；其次，通过调控基础涂层、应力调控过渡涂层及重构涂层三者之间关系，提高涂层性能；最后，涂覆与基础涂层和应力调控过渡涂层择优取向差异化的重构涂层，解决高速干切削球墨铸铁、合金钢等伴随着已加工表面质量难以满足用户要求的问题；
本发明将织构重构设计思路引入涂层刀具设计领域，即二次涂层形成的重构涂层与一次涂层形成的基础涂层具有差异化的晶粒择优取向；
差异化晶粒择优取向具体体现在两个方面，一是，本发明在第一刀面和第二刀面涂层择优取向出现差异，第一刀面的基础涂层外层和第二刀面的重构涂层具有不同的晶粒择优取向，使得自身择优取向更适应第一刀面和第二刀面摩擦磨损特征，从摩擦学性能匹配角度，达到本发明的目的；二是，在非遮挡刀面处重构涂层的择优取向与基础涂层的择优取向呈现出折线式特征，达到细化晶粒、进一步改善涂层性能的目标。
附图说明
图1示出本发明实施例1差异化织构重构涂层刀具的结构示意图；
图2示出本发明实施例2差异化织构重构涂层刀具的结构示意图；
图3示出本发明第一刀面Al2O3涂层的X射线衍射图；
图4示出本发明第二刀面Al2O3涂层的X射线衍射图；
附图标记：
1-基体，2-重构涂层，3-应力调控过渡涂层，5-遮盖层，6-基础涂层，7-第一刀面，8-第二刀面。
具体实施方式
以下由特定的具体实施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示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
采用以下步骤制备得到实施例1的差异化织构重构涂层刀具：
(1)刀具材料为硬质合金刀具(重量百分比为79％WC+15％TiC+6％Co)；
(2)采用CVD涂覆依次在刀具表面凃覆TiCN和Al2O3基础涂层，TiCN为基础涂层与基体相接触的内层，Al2O3为基础涂层的外层；其中，TiCN涂覆参数为：温度865℃，压力70mbar，沉积时间400min，H2、N2、TiCl4和CH3CN体积百分比分别为82％、15％、2.5％和0.5％；
Al2O3成核参数：温度1025℃，压力70mbar，沉积时间20min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl和CO体积百分比分别为85％、10％、1.5％、2.5％、0.7％和0.3％；
Al2O3涂覆参数为：温度1025℃，压力70mbar，沉积时间420min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl、H2S和CO体积百分比分别为84.5％、10％、1.5％、2.5％、0.7％、0.5％和0.3％；其中，H2S/CO2＝0.2>0.11；
(3)在第二刀面基础涂层上涂覆遮盖层；
(4)采用粒度为80-500目的氧化铝对刀具基础涂层外层进行干喷砂处理，以获得应力调控过渡层，喷砂参数为：压力2bar，处理时间3min，喷砂距离200mm，喷砂次数2次，第一次采用80目氧化铝颗粒，第二次采用300目氧化铝颗粒；
(5)将刀具放入丙酮中超声波清洗15分钟，吹干备用30分钟内进行重构涂层涂覆；
差异化择优取向Al2O3(重构涂层)成核参数：温度1025℃，压力70mbar，沉积时间25min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl和CO体积百分比分别为82％、10％、1.5％、3.5％、2％和1％；
差异化择优取向Al2O3涂覆参数为：温度1025℃，压力70mbar，沉积时间180min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl、H2S和CO体积百分比分别为82.92％、10％、1.5％、3％、2％、0.28％和0.3％；0.08<H2S/CO2＝0.09<0.11。
实施例2
采用以下步骤制备得到实施例2的差异化织构重构涂层刀具：
(1)刀具材料为硬质合金刀具(重量百分比为94％WC+6％Co)；
(2)采用CVD涂覆依次在刀具表面凃覆TiCN、Al2O3基础涂层，TiCN为基础涂层与基体相接触的内层，Al2O3为基础涂层的外层；其中，TiCN涂覆参数为：温度870℃，压力70mbar，沉积时间350min，H2、N2、TiCl4和CH3CN体积百分比分别为82.5％、14％、3％和0.5％；
Al2O3成核参数：温度1025℃，压力70mbar，沉积时间20min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl和CO体积百分比分别为82.5％、12％、1.5％、3％、0.7％和0.3％；
Al2O3涂覆参数为：温度1050℃，压力75mbar，沉积时间480min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl、H2S和CO体积百分比分别为81.8％、12％、1.5％、3％、0.7％、0.7％和0.3％；H2S/CO2＝0.23>0.11；
(3)在第一刀面基础涂层上涂覆遮盖层；
(4)采用粒度为80-500目的氧化铝对刀具基础涂层外层进行干喷砂处理，以获得应力调控过渡层，喷砂参数为：压力2bar，处理时间2min，喷砂距离200mm，喷砂次数3次，第一次采用80目氧化铝颗粒，第二次采用350目氧化铝颗粒；
(5)将刀具放入丙酮中超声波清洗15分钟，吹干备用30分钟内进行重构涂层涂覆；
差异化择优取向Al2O3(重构涂层)成核参数：温度1025℃，压力70mbar，沉积时间25min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl和CO体积百分比分别为77％、15％、2％、2.5％、2％和1.5％；
差异化择优取向Al2O3(重构涂层)涂覆参数为：温度1025℃，压力70mbar，沉积时间180min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl、H2S和CO体积百分比分别为78％、15％、2.5％、2.5％、1.5％、0.25％和0.25％；0.08<H2S/CO2＝0.1<0.11。
比较例1
与实施例1相同比例的硬质合金刀具，采用公知工艺制备相同厚度的TiCN和Al2O3涂层。
比较例2
与实施例2相同比例的硬质合金刀具，采用公知工艺制备相同厚度的TiCN和Al2O3涂层。
图1示出了于第二刀面设置重构涂层的示例。首先在第一刀面和第二刀面涂覆基础涂层6；遮挡第一刀面，然后对第二刀面进行喷砂处理，去除基础涂层外层的0.2-0.3μm后，在基础涂层最外部形成应力调控过渡涂层3(形成应力调控过渡涂层3的目的是为了调控重构涂层2的晶粒择优取向)；再次遮挡第一刀面，在第二刀面涂覆重构涂层2，使得重构涂层2与基础涂层6具有差异化的晶粒择优取向；伴随而来，第二刀面处重构涂层的择优取向与基础涂层择优取向呈现出折线式特征，达到细化晶粒、进一步改善涂层性能的目标。
图2示出了于第一刀面设置重构涂层的示例。首先在第一刀面和第二刀面涂覆基础涂层6；遮挡第二刀面，然后对第一刀面进行喷砂处理，去除基础涂层外层的0.2-0.3μm后，在基础涂层最外部形成应力调控过渡涂层3；再次遮挡第二刀面，在第一刀面涂覆重构涂层2，使得重构涂层2与基础涂层6具有差异化的晶粒择优取向。伴随而来，第一刀面处重构涂层的择优取向与基础涂层择优取向呈现出折线式特征，达到细化晶粒、进一步改善涂层性能的目标。
基础涂层与重构涂层的择优取向可通过哈里斯公式(式(1))定义，通过X射线衍射测量，
其中，I(hkl)为在参考强度I0(hkl)下晶面指数(hkl)的衍射峰测量积分面积，n是计算中所用衍射峰的数量。
第一刀面所用晶面指数(hkl)具体包括：(104)、(116)、(113)、(012)、(024)、(300)、(110)、(001)，其中第一刀面处涂层TC(001)>7。第二刀面所用晶面指数(hkl)具体包括：(104)、(116)、(113)、(012)、(024)、(110)、(214)、(100)，其中第二刀面处TC(110)>3。
通过对比分析图3与图4可知，第一刀面与第二刀面的晶粒取向发生了改变，即第一刀面的基础涂层顶层和第二刀面重构涂层具有不同的择优取向，使得涂层性能更适应第一刀面和第二刀面摩擦磨损特征，形成在第一刀面以提高抗磨损性、第二刀面以改善已加工表面质量为目标的织构组合，满足第一刀面和第二刀面在切削时对摩擦磨损不同的需求；
在非遮挡刀面处重构涂层的择优取向与基础涂层择优取向呈现出折线式特征，达到细化晶粒、进一步改善涂层性能的目标。
采用如下测试对实施例1与对比例1、实施例2与对比例2的刀具进行性能测试：
(1)实施例1与对比例1的测试条件
切削条件1：切削速度400m/min，进给量0.35mm/rev，切削深度2.5mm，工件材料QT450；实施例1的涂层刀具平均切削7件，对比例1的刀具平均切削5件；
切削条件2：切削速度500m/min，进给量0.3mm/rev，切削深度1.5mm，工件材料QT600；实施例1的涂层刀具平均切削45件，对比例1的刀具平均切削33件；
当后刀面磨损量VB＝0.3mm时，确定刀具需要更换。与对比例1相比，切削测试表明具有本发明实施例1涂层的切削刀具具备明显延长刀具服役寿命的能力。
(2)实施例2与对比例2的测试条件
切削条件3：切削速度700m/min，进给量0.3mm/rev，切削深度1.5mm，工件材料42CrMo；实施例2的涂层刀具平均切削44件，对比例2的刀具平均切削35件；且实施例2的涂层刀具加工已加工表面粗糙度较对比例2的涂层刀具加工已加工表面粗糙度降低约10％。
当后刀面磨损量VB＝0.3mm时，确定刀具需要更换。与对比例2相比，切削测试表明具有实施例2涂层的切削刀具具备明显延长刀具服役寿命、改善已加工表面质量的能力。
在刀具的第一刀面或第二刀面重构涂层择优取向，设计分别适应第一刀面和第二刀面摩擦磨损特征的织构，兼顾延长刀具服役寿命和改善已加工表面质量两个目标。为在第一刀面或第二刀面实现差异化织构重构的目标，在应力调控和涂覆差异化择优取向重构涂层时进行遮挡，获得只涂覆特定刀面的效果，实现依据备选涂层性能与织构特征满足织构重构设计的目标。
本发明通过织构重构涂层刀具，即二次涂层形成的重构涂层(第二刀面上)与一次涂层形成的基础涂层(第一刀面上)具有差异化的晶粒择优取向，使得涂层性能更适应第一刀面和第二刀面摩擦磨损特征，形成在第一刀面以提高抗磨损性、第二刀面以改善已加工表面质量为目标的织构组合，满足第一刀面和第二刀面在切削时对摩擦磨损不同的需求，提高刀具切削性能、降低涂层的摩擦磨损。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种差异化织构重构涂层刀具，其特征在于，包括：
基体，具有第一刀面与第二刀面；
基础涂层，包括内层与外层，所述基础涂层连续覆盖于所述第一刀面与第二刀面上；
应力调控过渡涂层，位于所述第一刀面或第二刀面的基础涂层上，所述应力调控过渡涂层通过去除所述第一刀面或第二刀面上0.2-0.3μm的基础涂层外层得到；
重构涂层，覆盖于所述应力调控过渡涂层上，所述重构涂层与所述基础涂层之间形成差异化的晶粒择优取向；
所述基础涂层上未形成所述应力调控过渡涂层的区域覆盖有遮盖层。
2.如权利要求1所述的差异化织构重构涂层刀具，其特征在于，所述重构涂层与基础涂层外层的成分相同，重构涂层的择优取向与基础涂层外层的择优取向呈现出折线式特征；所述第一刀面的涂层择优取向与第二刀面的涂层择优取向出现差异。
3.如权利要求1所述的差异化织构重构涂层刀具，其特征在于，所述基础涂层上未覆盖所述重构涂层与所述遮盖层的区域涂覆有取向不变涂层，所述取向不变涂层、所述遮盖层与所述重构涂层之间连续设置。
4.如权利要求1所述的差异化织构重构涂层刀具，其特征在于，所述重构涂层的成分选自TiCN、Al2O3、TiN、TiB2、TiBN、ZrN、ZrC、ZrCN、SiC中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的差异化织构重构涂层刀具，其特征在于，所述基体包括硬质合金刀具，按重量百分比计，所述基体的成分为79％WC+15％TiC+6％Co或94％WC+6％Co；
所述基础涂层成分包括TiCN和Al2O3。
6.一种权利要求1-5任一项所述的差异化织构重构涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择基体；
(2)在所述基体上涂覆TiCN和Al2O3形成基础涂层；
(3)在所述基础涂层上部分涂覆遮盖层；
(4)采用机械处理的方式去除一定厚度的未涂覆有遮盖层的基础涂层外层，形成应力调控过渡涂层；
(5)通过CVD技术涂覆重构涂层：首先差异化择优取向Al2O3成核，再经差异化择优取向Al2O3涂覆，得到所述重构涂层。
7.如权利要求6所述的差异化织构重构涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述差异化择优取向Al2O3成核过程中，控制成核温度为1000-1050℃，压力为60-90mbar，沉积时间为10-30min；H2、N2、AlCl3、CO2、HCl和CO体积百分比分别为80-90％、5-10％、0.5-2％、1-5％、1.5-3％和0.1-1％。
8.如权利要求6所述的差异化织构重构涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述差异化择优取向Al2O3涂覆过程中，控制温度为1000-1050℃，压力为60-90mbar，沉积时间为100-300min；H2、N2、AlCl3、CO2、HCl、H2S和CO体积百分比分别为80-90％、5-20％、0.5-5％、1-5％、1.5-3％、0.1-1％和0.1-1％；其中H2S与CO2的体积比大于0.08且小于0.11。
9.如权利要求6所述的差异化织构重构涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，TiCN涂覆参数为：控制温度850-880℃，压力60-90mbar，沉积时间300-450min，H2、N2、TiCl4和CH3CN体积百分比分别为50-85％、5-40％、1-4％和0.1-1％；
Al2O3成核参数为：控制温度1000-1050℃，压力60-90mbar，沉积时间10-25min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl和CO体积百分比分别为80-90％、5-10％、0.5-2％、1-5％、1.5-3％和0.1-4％；
Al2O3涂覆参数为：控制温度1000-1050℃，压力60-90mbar，沉积时间400-500min，H2、N2、AlCl3、CO2、HCl、H2S和CO体积百分比分别为80-90％、5-10％、0.5-2％、1-5％、0.5-1％、0.1-1％和0.1-1％；其中H2S与CO2比例大于0.11；
TiN涂覆参数为：控制温度900-1050℃，压力500-800mbar，沉积时间50-100min，H2、N2和TiCl4体积百分比分别为60-80％、20-35％和0.5-2％。
10.如权利要求6所述的差异化织构重构涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，采用粒度为80-500目的氧化铝对所述基础涂层进行干喷砂处理，控制压力为1.5-3bar，处理时间2-10min，喷砂距离100-250mm，喷砂次数2-5次。
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