CN116555725A - 一种cvd涂层切削刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工刀具技术领域，具体涉及一种CVD涂层切削刀具及其制备方法，所述切削刀具包括：刀具基体，以及在所述刀具基体上通过CVD方法沉积形成的单层或多层涂层，单层或多层涂层中至少包括一层Ti_{1‑a‑b‑c}Al_aSi_bB_cN涂层，其中0.6≤a≤0.9，0≤b≤0.1，0≤c≤0.05。本发明通过多种合金元素的掺杂，形成多元涂层体系，通过CVD方法制备得到切削刀具具有高硬度、自润滑、能耐高温氧化的良好性能，能够满足现代制造业的发展趋势。

Description

一种CVD涂层切削刀具及其制备方法

技术领域

本发明属于机械加工刀具技术领域，具体为一种CVD涂层切削刀具及其制备方法。

背景技术

现代制造业正在向高效、环保方向发展，高速、干式切削加工所占比例越来越高，刀具在干式切削过程中，刀尖局部温度可达上千度，极大的加剧刀具的磨损。此外新型材料如钛合金、镍基高温合金、耐热不锈钢等，由于材料强度高，切削加工时刀具表面易生成积屑瘤，刀具粘结磨损严重，普通硬质合金刀具已经不能满足现代制造业的发展趋势。

近十几年，超硬的TiAlN涂层材质有了快速的发展，很好的耐磨损、抗高温氧化性使其成功的应用到硬质合金刀具上。如何进一步提升其性能，通常在采用物理气相沉积（PVD）方法沉积TiAlN涂层过程中，掺入至少一种合金元素（Si、B、Cr等），形成Ti-Al-X-N类型的多元过渡金属氮化物可显著的提升原有TiAlN涂层的耐磨性和抗高温氧化性。

随着工业技术的发展，原本只能在PVD（物理气相沉积）上制备的TiAlSiN涂层已经可以用CVD涂层技术实现。专利CN110318039B提供了一种带涂覆层的切削工具，该切削工具采用的CVD方法制备TiAlSiN层。

专利CN114672786A提供了一种耐高温氧化性的TiAlSiON涂层的制作方法。在TiAlN涂层的基础上，采用CVD方法掺入Si元素可有效提升涂层硬度，同时随着O元素的掺入，可阻碍刀具在切削过程中氧的扩散，从而提高涂层抗高温氧化性。

专利CN114196940A公开了一种通过CVD方法制得的TiAlBN复合涂层，其中TiAlN层中掺入B元素可降低涂层摩擦系数。

研究表明：CVD方法制备的TiAlN涂层，铝含量可高于70%，高铝抑制了六方相的AlTiN生成，而PVD方法制备的TiAlN涂层铝含量不能超过60%，严重限制了涂层抗氧化性能的提高。在CVD TiAlN涂层基础上掺入Si元素，可改变原有涂层柱状晶的结构从而起到细化晶粒提高涂层硬度的作用， TiAlSiN涂层，在耐磨性和抗高温氧化性方面都有进一步的提高。硼元素添加到TiAlN后，可提高锐钛矿结构a-TiO₂亚稳相向金红石结构r-TiO₂稳定相的转变温度，促进a-Al₂O₃的生成，因此，TiAlBN涂层也能显著提升TiAlN涂层的抗氧化性。同时B元素对有色金属的亲和性低，可有效阻碍涂层原子向材料的扩散，提供更好的自润滑性。但过高的硼含量容易导致涂层发生脆化影响使用寿命。

由此，目前需要有一种方案来解决现有技术中存在的技术问题。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种CVD涂层切削刀具及其制备方法，通过CVD方法制备得到切削刀具具有高硬度、自润滑、能耐高温氧化的良好性能，能够满足现代制造业的发展趋势。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种CVD涂层切削刀具，其中，包括刀具基体，以及在所述刀具基体上通过CVD方法沉积的涂覆层，所述涂覆层为单层或多层涂层，单层或多层涂层中至少包括一层Ti_{1-a-b- c}Al_aSi_bB_cN涂层，其中0.6≤a≤0.9，0<b≤0.1，0<c≤0.05；

所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层结构为呈面心立方fcc的纳米晶TiAlBN和非晶态Si_xN_y，其中非晶态Si_xN_y的体积分数为5-10%，两者以非晶态包裹纳米晶的形态共存，所述纳米晶TiAlBN的晶粒尺寸≤50nm，非晶态的Si_xN_y厚度达到0.1-10nm。

作为本发明所述的一种CVD涂层切削刀具的优选方案，其中：所述Ti_{1-a-b- c}Al_aSi_bB_cN涂层中，B原子含量不高于6%，优选B原子含量为2~4%。

作为本发明所述的一种CVD涂层切削刀具的优选方案，其中：所述Ti_{1-a-b- c}Al_aSi_bB_cN涂层为粒状至柱状结构，其中晶粒尺寸为10-500nm，优选晶粒尺寸小于40nm的粒状结构。

作为本发明所述的一种CVD涂层切削刀具的优选方案，其中：所述Ti_{1-a-b- c}Al_aSi_bB_cN涂层的厚度为1-20μm。

作为本发明所述的一种CVD涂层切削刀具的优选方案，其中：所述Ti_{1-a-b- c}Al_aSi_bB_cN涂层的显微硬度35GPa以上。

作为本发明所述的一种CVD涂层切削刀具的优选方案，其中：所述刀具基体表面涂覆单层涂层，单层涂层的厚度为1-25μm；或者所述刀具基体涂覆多层涂层，多层涂层的总厚度为1-25μm。

作为本发明所述的一种CVD涂层切削刀具的优选方案，其中：所述涂覆层还包括与所述刀具基体表面相邻的打底层以及最外侧的着色层，所述打底层以及着色层分别由Ti、TiN、TiC、TiCN中的一层或多层构成，所述打底层的厚度为0.1-1.0μm，所述着色层的厚度为0.1-2μm。

作为本发明所述的一种CVD涂层切削刀具的优选方案，其中：所述刀具基体材质选自烧结碳化物、陶瓷、金属陶瓷或硬质合金。

为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种根据上述的CVD涂层切削刀具的制备方法，其中，在所述刀具基体上涂覆一层或多层涂层，其中至少包括一个采用化学气相沉积技术制备而成的Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN层，所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层的沉积原料为H₂、TiCl₄、SiCl₄、BCl₃、AlCl₃、NH₃，其中AlCl₃提供铝源，所述AlCl₃占总气体流量的0.2-0.9%，SiCl₄提供硅源，所述SiCl₄占总气体流量的0.01-0.5%，BCl₃提供硼源，所述BCl₃占总气体流量的0.01-0.3%；沉积温度为700~900℃，压力为6~20mbar。

作为本发明所述的一种CVD涂层切削刀具的制备方法的优选方案，其中：所述制备方法中还包括对涂层表面进行湿喷砂后处理，湿喷砂后处理之后涂层的粗糙度为Ra≤0.3μm。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供的一种CVD涂层切削刀具，切削刀具表面涂覆的Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层包含有更高的铝含量，Al原子含量不低于60%，最高可达到90%，采用CVD方法制备的Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层比通过PVD方法制备的涂层含有更少的hcp-AlN相，从而使涂层具备更高的硬度。

2、本发明提供的切削刀具表面涂层包含有含钛打底层，打底层的设置能通过限制基体中Co的扩散，增强涂层与基体间的结合力，防止钴与涂层中的Si元素形成钴-硅化合物，从而造成涂层硬度下降，能够缓解涂层材料间因材料性质不同而引起的较大残余应力。

3、本发明提供的切削刀具表面涂层，在现有技术中CVD 沉积的TiAlN的基础上掺杂Si元素，使涂层的晶体结构由立方的B1-NaCl型逐渐转变为六角的A1B2型结构，从而细化了涂层晶粒并产生较小的晶粒尺寸分布，使涂层的结合强度和断裂韧性均获得提高。

4、本发明提供的切削刀具表面涂层，在现有技术中CVD 沉积的TiAlSiN的基础上掺杂B元素，由于硼元素的掺入导致的晶格畸变，同时产生的钉扎效应，可抑制涂层中的其他元素，如Al元素等与材料的亲和性，有效阻碍涂层向材料中的扩散，增加涂层的自润滑效果，减少刀具表面积屑瘤。通过将涂层中硼元素B原子含量设置为不高于6%，使涂层均有更好的硬度以及抗高温氧化的性能，同时避免发生脆化风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例的涂层断面结构示意图；

图2为本发明实施例1的涂层实物断口扫描电镜图；

图3为本发明实施例2的涂层实物表面扫描电镜图；

图4为本发明实施例2的涂层实物断口扫描电镜图；

图5为本发明实施例2的涂层实物表面扫描电镜图。

附图标号说明：

1-刀具基体，2-涂覆层，21-打底层，22-Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层，23-着色层。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种带涂层的切削刀具及其制备方法，通过多种合金元素的掺杂，形成多元涂层体系，提高了刀具基体的硬度、自润滑、能耐高温氧化性能。

如图1所示，一种CVD涂层切削刀具，包括：刀具基体1，以及在所述刀具基体1上通过CVD方法沉积的涂覆层2，所述涂覆层2为单层或多层涂层，单层或多层涂层中至少包括一层Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层22，其中0.6≤a≤0.9，0<b≤0.1，0<c≤0.05；

所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层结构为呈面心立方fcc的纳米晶TiAlBN和非晶态Si_xN_y，其中非晶态Si_xN_y的体积分数为5-10%，两者以非晶态包裹纳米晶的形态共存，所述纳米晶TiAlBN的晶粒尺寸≤50nm，非晶态的Si_xN_y厚度达到0.1-10nm。

优选地，非晶态的Si_xN_y厚度达到1-5nm。

优选地，所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层中，B原子含量不高于6%，优选B原子含量为2~4%。

优选地，所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层为粒状至柱状结构，其中晶粒尺寸为10-500nm，优选晶粒尺寸小于40nm的粒状结构。

优选地，所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层的厚度为1-20μm。

优选地，所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层的显微硬度35GPa以上。

优选地，所述刀具基体表面涂覆单层涂层，单层涂层的厚度为1-25μm；或者所述刀具基体涂覆多层涂层，多层涂层的总厚度为1-25μm。

优选地，单层涂层或多层涂层的厚度为5-10μm。

优选地，所述涂覆层还包括与所述刀具基体表面相邻的打底层21以及最外侧的着色层23，所述打底层21以及着色层23分别由Ti、TiN、TiC、TiCN中的一层或多层构成。

优选地，所述打底层21的厚度为0.1-1.0μm，更优选为0.2-0.5μm。

所述着色层23的厚度为0.1-2μm，更优选为0.5-1.0μm。

优选地，所述刀具基体材质选自烧结碳化物、陶瓷、金属陶瓷或硬质合金。

优选地，所述涂层还可用于其它类型的成型工具、冲压工具，或者汽车、航天工业的零部件表面。

一种根据上述的CVD涂层切削刀具的制备方法，其中，在所述刀具基体上涂覆一层或多层涂层，其中至少包括一个采用化学气相沉积技术制备而成的Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN层，所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层的沉积原料为H₂、TiCl₄、SiCl₄、BCl₃、AlCl₃、NH₃，其中AlCl₃提供铝源，所述AlCl₃占总气体流量的0.2-0.9%，SiCl₄提供硅源，所述SiCl₄占总气体流量的0.01-0.5%，BCl₃提供硼源，所述BCl₃占总气体流量的0.01-0.3%；沉积温度为700~900℃，压力为6~20mbar。

优选地，其他反应气体包括0.1%的TiCl₄和0.15%NH₃。

优选地，制备方法中还包括对涂层表面进行湿喷砂后处理。

优选地，湿喷砂后处理之后涂层的粗糙度为Ra≤0.3μm。

以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。

实施例1

切削刀具基体表面涂层制备，切削刀具为硬质合金，硬质合金成分为10%Co，2%的立方碳化物以及余量的WC。

在基体上制备的涂覆层，总厚度为7μm，由0.5μm的打底层TiN、5.5μm的Ti_0.18Al_0.7Si_0.1B_0.02N涂层和1.0μm的着色层TiN构成。

采用CVD技术制备Ti_0.18Al_0.7Si_0.1B_0.02N涂层，在温度为700~900℃，压力为6~20mbar，并且以H₂、TiCl₄、SiCl₄、BCl₃、AlCl₃、NH₃为原料。

第一反应气体为AlCl₃，即为铝源，其在总反应气体的占比为0.75%；

第二反应气体为SiCl₄，即为硅源，其在总反应气体的占比为0.3%；

第三反应气体为BCl₃，即为硼源，其在总反应气体的占比为0.15%；

其他反应气体包括0.1%的TiCl₄和0.15%NH₃以及余量的H₂共同构成总反应气体。

打底层和顶层采用已知的CVD方法沉积。

对涂层表面进行湿喷砂后处理，表面处理之后的所述涂层的粗糙度Ra≤0.3μm。

图2和图3为实施例一涂层的表面及断面形貌，测得Ti_0.15Al_0.7Si_0.1B_0.02N层中Si含量为12at%，B含量为2at%。

实施例2

切削刀具基体表面涂层制备，切削刀具为硬质合金，硬质合金成分为8.5%Co，2%的立方碳化物以及余量的WC。

在基体上制备的涂覆层2，总厚度为8μm，由0.5μm的打底层TiN、6.0μm的Ti_0.15Al_0.7Si_0.1B_0.05N涂层和1.5μm的着色层TiCN构成。

采用CVD技术制备Ti_0.15Al_0.7Si_0.1B_0.05N涂层，在温度为750~850℃，压力为6~20mbar，并且以H₂、TiCl₄、SiCl₄、BCl₃、AlCl₃、NH₃为原料。

第一反应气体为AlCl₃，即为铝源，其在总反应气体的占比为0.75%；

第二反应气体为SiCl₄，即为硅源，其在总反应气体的占比为0.3%；

第三反应气体为BCl₃，即为硼源，其在总反应气体的占比为0.35%；

其他反应气体包括0.05%的TiCl₄和0.15%NH₃以及余量的H₂共同构成总反应气体。

打底层和顶层采用已知的CVD方法沉积。

对涂层表面进行湿喷砂后处理，表面处理之后的所述涂层的粗糙度Ra≤0.3μm。

图4和图5为实施例二涂层的表面及断面形貌，测得Ti_0.15Al_0.7Si_0.1B_0.05N层中Si含量为12at%，B含量为5at%。

通过本组实施例发现，当硼含量增加，涂层结构变得非常精细，涂层表面的晶粒尺寸可以达到40nm以下，使得涂层表面非常光滑。

切削性能对比测试：

1、采用常规以PVD（物理气相沉积）制备的TiAlSiN涂层（厚度与实施例2接近且使用的相同基体）切削刀具，即对比例1，与本发明实施例2所制备得到的切削刀具进行切削性能进行试验，分别进行使用寿命和磨损量两方面的测试。

其中，试验条件如下：

刀具：WC-Co硬质合金可转位铣刀（型号：XNMU 070508-MM4）

加工材料：不锈钢316L

切削参数：

切削速度：VC=220m/min

进给：fz=0.25mm/z

切深：ap=1.0mm

切削宽度：ae=80%刀盘直径

切削方式：湿切

（1）在加工参数一致，刀具磨损量较一致时，比较刀具使用寿命T（单位mins）。寿命结果如表1：

表1

（2）刀具磨损量测试：选取第一组刀具，在加工参数与时长一致时，比较刀具磨损量，评价刀具耐磨性；

切削5.0分钟，8.0分钟，13.0分钟和18.5分钟后的磨损量VB（单位mm）测量结果如表2：

表2

从表1和表2的对比来看，本发明实施例2提供的切削刀具在耐磨性和刀具使用寿命上具有明显优势。

2、采用常规以PVD（物理气相沉积）制备的TiAlSiN涂层（厚度与实施例2接近且使用的相同基体）切削刀具，即对比例1，与本发明实施例2所制备得到的切削刀具进行高速铣削性能进行试验。

其中，试验条件如下：

刀具：WC-Co硬质合金可转位铣刀（型号：XNMU 070508-MM4）

加工材料：高温合金GH4033

切削参数：

切削速度：VC=300m/min

进给：fz=0.25mm/z

切深：ap=1.0mm

切削宽度：ae=80%刀盘直径

切削方式：湿切

检测项目：刀具表面积削瘤面积S（单位mm²）。

表3

从表3的对比来看，本发明实施例2提供的切削刀具表面抵抗积削瘤的能力具有明显优势，并且实验过程中可观察到实施例2有更加平滑的磨损。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种CVD涂层切削刀具，其特征在于，包括刀具基体，以及在所述刀具基体上通过CVD方法沉积的涂覆层，所述涂覆层为单层或多层涂层，单层或多层涂层中至少包括一层Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层，其中0.6≤a≤0.9，0<b≤0.1，0<c≤0.05；

所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层结构为呈面心立方fcc的纳米晶TiAlBN和非晶态Si_xN_y，其中非晶态Si_xN_y的体积分数为5-10%，两者以非晶态包裹纳米晶的形态共存，所述纳米晶TiAlBN的晶粒尺寸≤50nm，非晶态的Si_xN_y厚度达到0.1-10nm。

2.根据权利要求1所述的CVD涂层切削刀具，其特征在于，所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层中，B原子含量不高于6%，优选B原子含量为2~4%。

3.根据权利要求1所述的CVD涂层切削刀具，其特征在于，所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层为粒状至柱状结构，其中晶粒尺寸为10-500nm，优选晶粒尺寸小于40nm的粒状结构。

4.根据权利要求1所述的CVD涂层切削刀具，其特征在于，所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层的厚度为1-20μm。

5.根据权利要求1所述的CVD涂层切削刀具，其特征在于，所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层的显微硬度35GPa以上。

6.根据权利要求1所述的CVD涂层切削刀具，其特征在于，所述刀具基体表面涂覆单层涂层，单层涂层的厚度为1-25μm；或者所述刀具基体涂覆多层涂层，多层涂层的总厚度为1-25μm。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的CVD涂层切削刀具，其特征在于，所述涂覆层还包括与所述刀具基体表面相邻的打底层以及最外侧的着色层，所述打底层以及着色层分别由Ti、TiN、TiC、TiCN中的一层或多层构成，所述打底层的厚度为0.1-1.0μm，所述着色层的厚度为0.1-2μm。

8.根据权利要求7所述的CVD涂层切削刀具，其特征特在于，所述刀具基体材质选自烧结碳化物、陶瓷、金属陶瓷或硬质合金。

9.一种权利要求1-8中任一项所述的CVD涂层切削刀具的制备方法，其特征在于，在所述刀具基体上涂覆一层或多层涂层，其中至少包括一个采用化学气相沉积技术制备而成的Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN层，所述Ti_1-a-b-cAl_aSi_bB_cN涂层的沉积原料为H₂、TiCl₄、SiCl₄、BCl₃、AlCl₃、NH₃，其中AlCl₃提供铝源，所述AlCl₃占总气体流量的0.2-0.9%，SiCl₄提供硅源，所述SiCl₄占总气体流量的0.01-0.5%，BCl₃提供硼源，所述BCl₃占总气体流量的0.01-0.3%；沉积温度为700~900℃，压力为6~20mbar。

10.根据权利要求9所述的CVD涂层切削刀具的制备方法，其特征在于，所述制备方法中还包括对涂层表面进行湿喷砂后处理，湿喷砂后处理之后涂层的粗糙度为Ra≤0.3μm。