CN116837347B - 一种带涂层的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，具体涉及一种带涂层的切削刀具及其制备方法，所述涂层具有多层化结构，结合了TiBCN涂层和α‑Al₂O₃涂层的优点，TiBCN涂层在（220）方向上具有择优取向且具有梯度结构，在保证TiBCN涂层硬度的同时，B含量由低到高，最后再逐渐降低可以更好的减少B元素扩散对涂层结合力的影响，具有比传统无织构的涂层更好的抗沟槽磨损和/或后刀面磨损的能力，制备的涂层兼具硬度高和结合力好的特点，大幅提升涂层综合性能，适用不同类型的切削刀具且制备方法简单，效果好，易于工业化生产。

Description

一种带涂层的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，具体为一种带涂层的切削刀具及其制备方法。

背景技术

目前采用化学气相沉积（CVD）方法制备涂层硬质合金刀具仍然是企业生产的重要途径，CVD方法可以制备较厚的涂层，并且涂层表面质量高、基体与涂层结合强度高、成本较低。切削刀具的耐磨性通常通过CVD方法沉积的金属氧化物、氮化物和碳化物来改善。常见的CVD功能层有TiCN涂层和Al₂O₃涂层，如何提高这两个涂层的性能是目前CVD发展主要的研究方向。

TiCN和Al₂O₃涂层的硬度通常为20~35GPa，通过在TiCN涂层中掺硼元素，可以提高涂层的硬度，从而提高涂层的耐磨性。同时，采用CVD工艺制备的涂层具有明显的结晶性结构，通常显示为明显的晶面择优织构。已知涂层的优选结晶取向可以对涂层切削刀具的机械性能和切削性能产生显著影响，而涂层晶面织构的研究主要在Al₂O₃涂层上，相比于传统无取向的氧化铝涂层，织构强化的氧化铝涂层使得刀具切削性能得到提高，但是现有的功能层的改进还不能很好的满足日益发展的生产加工对刀具性能提出的越来越高的要求。

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带涂层的切削刀具及其制备方法。

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：

一种带涂层的切削刀具，包括刀具基体和基体上的通过CVD方法制备的总厚度为10~25μm的多层涂层；

所述多层涂层从内向外依次包括：

在（220）方向上具有择优取向的TiB_1-x-yC_xN_y层，其中0.6≤x≤0.8，0.10≤1-x-y≤0.15；

TiN+TiAlOCN过渡层；

α-Al₂O₃层。

作为本发明所述的一种带涂层的切削刀具的优选方案，其中：所述TiB_1-x-yC_xN_y层的厚度为5~12μm，优选厚度为8~10μm；所述TiB_1-x-yC_xN_y层具有梯度结构，B含量从内至外逐渐增加，在该层总厚度的3/4处含量最高，但不高于15at%；在该层剩余总厚度的1/4内，B含量从内至外逐渐降低，但不低于10at%。

作为本发明所述的一种带涂层的切削刀具的优选方案，其中：所述TiB_1-x-yC_xN_y层的晶粒为小于3μm的粒状至柱状结构，优选晶粒为小于0.8μm的柱状结构；所述TiB_1-x-yC_xN_y层的显微硬度≥30GPa。

作为本发明所述的一种带涂层的切削刀具的优选方案，其中：所述TiN+TiAlOCN过渡层的厚度为0.1~3μm；

作为本发明所述的一种带涂层的切削刀具的优选方案，其中：所述α-Al₂O₃层的厚度为5~10μm，优选厚度为6~8μm；所述α-Al₂O₃层的平均晶粒度≤3μm；所述α-Al₂O₃层的显微硬度≥25GPa。

作为本发明所述的一种带涂层的切削刀具的优选方案，其中：刀具基体和TiB_{1-x- y}C_xN_y层之间还包括打底层，打底层为TiN层，打底层的厚度为0.1~0.5μm。

作为本发明所述的一种带涂层的切削刀具的优选方案，其中：α-Al₂O₃层之外还包括着色层，着色层包括至少一层TiN或TiC或TiCN，厚度为0.1~2μm。

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：

一种带涂层的切削刀具的制备方法，所述涂层采用CVD方法制备，包括如下步骤：

S1、在刀具基体上通过CVD方法制备TiB_1-x-yC_xN_y层；

S2、通过CVD方法在TiB_1-x-yC_xN_y层上制备TiN+TiAlOCN过渡层；

S3、通过CVD方法在TiN+TiAlOCN过渡层上制备α-Al₂O₃层。

作为本发明所述的一种带涂层的切削刀具的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，TiB_1-x-yC_xN_y层通过CVD方法在750~950℃的反应温度下制备。

作为本发明所述的一种带涂层的切削刀具的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，采用乙腈作为碳源、氮源，BCl₃作为硼源，TiCl₄作为钛源，氢气作为载气，通过调控BCl₃含量，使TiB_1-x-yC_xN_y层具有梯度结构。

作为本发明所述的一种带涂层的切削刀具的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，TiN+TiAlOCN过渡层通过CVD方法在950~1050℃的反应温度下制备。

作为本发明所述的一种带涂层的切削刀具的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，α-Al₂O₃层通过CVD方法在900~1080℃的反应温度下制备。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种带涂层的切削刀具及其制备方法，所述涂层具有多层化结构，结合了TiBCN涂层和α-Al₂O₃涂层的优点，TiBCN涂层在（220）方向上具有择优取向且具有梯度结构，在保证TiBCN涂层硬度的同时，B含量由低到高，最后再逐渐降低可以更好的减少B元素扩散对涂层结合力的影响，具有比传统无织构的涂层更好的抗沟槽磨损和/或后刀面磨损的能力，制备的涂层兼具硬度高和结合力好的特点，大幅提升涂层综合性能，适用不同类型的切削刀具且制备方法简单，效果好，易于工业化生产。

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是本发明实施例的带涂层的切削刀具的截面结构示意图；

图2为本发明实施例的带涂层的切削刀具的截面扫描电镜图；

图3为本发明实施例的TiB_1-x-yC_xN_y层的XRD衍射图谱；

图4为本发明实施例1与对比例1的刀具磨损对比图。

其中，1、刀具基体，2、打底层，3、TiB_1-x-yC_xN_y层，4、TiN+TiAlOCN过渡层，5、α-Al₂O₃层，6、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，具有如下优势：

（1）本发明的TiB_1-x-yC_xN_y层在TiCN涂层基础上掺入B元素，起到晶粒细化的作用，并且对涂层中的硼元素含量进行限定，可有效的抑制涂层在高温下发生的脆化，使得整个涂层晶粒大小一致，硬度均匀。

（2）本发明的TiB_1-x-yC_xN_y层在（220）方向上具有择优取向，该织构下的TiB_1-x-yC_xN_y层硬度明显高于无取向的TiB_1-x-yC_xN_y层，使得涂层在车削和铣削中能表现出更好的切削性能，尤其在抗沟槽磨损和/或后刀面磨损的能力有明显提高。

（3）本发明的TiB_1-x-yC_xN_y层具有梯度结构，在保证TiB_1-x-yC_xN_y层硬度的同时，B含量由低到高最后再逐渐降低，可以更好的减少B元素扩散对涂层结合力的影响。

（4）本发明提供的TiB_1-x-yC_xN_y层、TiN+TiAlOCN过渡层和α-Al₂O₃层复合涂层结构，TiN+TiAlOCN的过渡层组合可提高涂层间的结合力。其中TiN可抑制TiB_1-x-yC_xN_y层中B元素的扩散，TiAlOCN的针状结构给予外层的α-Al₂O₃层更好的粘附性。涂层兼具硬度高和结合力好的特点，大幅提升涂层综合性能，且制备方法简单，效果好，易于工业化生产。

如图1所示，根据本发明的一个方面，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种带涂层的切削刀具，包括刀具基体1和基体上的通过CVD方法制备的总厚度为10~25μm的多层涂层；

所述多层涂层从内向外依次包括：

在（220）方向上具有择优取向的TiB_1-x-yC_xN_y层3，其中0.6≤x≤0.8，0.10≤1-x-y≤0.15；

TiN+TiAlOCN过渡层4；

α-Al₂O₃层5。

优选的，所述TiB_1-x-yC_xN_y层3的厚度为5~12μm，优选厚度为8~10μm；所述TiB_1-x-yC_xN_y层3具有梯度结构，B含量从内至外逐渐增加，在该层总厚度的3/4处含量最高，但不高于15at%；在该层剩余总厚度的1/4内，B含量从内至外逐渐降低，但不低于10at%。所述TiB_{1-x- y}C_xN_y层3具有整体纤维织构，其中在XRD衍射图谱（如图3所示）中，所述TiB_1-x-yC_xN_y层3的（220）晶面显示出最强的衍射峰。

本发明具有改进性能的新涂层结构，将高度（220）织构化的TiB_1-x-yC_xN_y层3与α-Al₂O₃层5完美结合，所述TiB_1-x-yC_xN_y层3中，0.6≤x≤0.8，0.10≤1-x-y≤0.15，控制C/N原子比，其目的在于更好的控制其涂层晶粒度，稳定涂层硬度，并且使得涂层具有强织构；通过调控BCl₃含量，使的TiB_1-x-yC_xN_y层3具有梯度结构，其目的在于保证其硬度的同时，减少B扩散对涂层结合力的影响；所述TiN+TiAlOCN过渡层4结构，其目的在于通过抑制B元素扩散和增加涂层针状结构的致密度提高TiB_1-x-yC_xN_y层3与α-Al₂O₃层5间的结合力。

在本发明的上下文中，术语“纤维织构”（也简称为“织构”），其检测方法为采用Bruker D8衍射仪，在刀具后刀面上进行X射线衍射（XRD），将带涂层的切削刀具安装在样品架中以确保样品的后刀面平行样品的参考表面，调整后刀面至适当的高度。采用Cu-Kα辐射用于测量，电压为40 kV，电流为40 mA，在10~90°的入射角范围内扫描测量带涂层的切削刀具的衍射强度。

分析涂层织构采用Harris公式和标准强度PDF卡来计算织构系数（TC），其定义如下：

式中：

I(hkl)为通过X射线衍射而测量到的（hkl）晶面的反射强度；

I₀(hkl)为根据PDF卡号421489的衍射反射的标准强度；

n为计算中所用的反射晶面的数目；

所用的(hkl)反射晶面有（111）、（200）、（220）、（311）、（222）。

优选的，TiB_1-x-yC_xN_y层3的涂层织构TC（111）、TC（200）、TC（311）和TC（222）均小于0.5，TC（220）大于3，优选大于4。

优选的，所述TiB_1-x-yC_xN_y层3的晶粒为小于3μm的粒状至柱状结构，优选晶粒为小于0.8μm的柱状结构；所述TiB_1-x-yC_xN_y层3的显微硬度≥30GPa。

优选的，所述TiN+TiAlOCN过渡层4的厚度为0.1~3μm；

优选的，所述α-Al₂O₃层5的厚度为5~10μm，优选厚度为6~8μm；所述α-Al₂O₃层5的平均晶粒度≤3μm；所述α-Al₂O₃层5的显微硬度≥25GPa。

优选的，刀具基体1和TiB_1-x-yC_xN_y层3之间还可以包括打底层2，打底层2为TiN层，打底层2的厚度为0.1~0.5μm。

优选的，α-Al₂O₃层5之外还可以包括着色层6，着色层6包括至少一层TiN或TiC或TiCN，厚度为0.1~2μm。

根据本发明的另一个方面，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种带涂层的切削刀具的制备方法，所述涂层采用CVD方法制备，包括如下步骤：

S1、在刀具基体1上通过CVD方法制备TiB_1-x-yC_xN_y层3；

S2、通过CVD方法在TiB_1-x-yC_xN_y层3上制备TiN+TiAlOCN过渡层4；

S3、通过CVD方法在TiN+TiAlOCN过渡层4上制备α-Al₂O₃层5。

优选的，所述刀具基体1可以为烧结碳化物、陶瓷、金属陶瓷或硬质合金。

优选的，所述步骤S1中，TiB_1-x-yC_xN_y层3通过CVD方法在750~950℃的反应温度下制备；采用乙腈作为碳源、氮源，BCl₃作为硼源，TiCl₄作为钛源，氢气作为载气，通过调控TiB_1-x-yC_xN_y层3中C/N原子比来控制其织构，通过调控BCl₃含量，使TiB_1-x-yC_xN_y层3具有梯度结构。

优选的，所述步骤S2中，TiN+TiAlOCN过渡层4通过CVD方法在950~1050℃的反应温度下制备。

优选的，所述步骤S3中，α-Al₂O₃层5通过CVD方法在900~1080℃的反应温度下制备。

优选的，所述制备方法还包括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≤0.5μm。

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

一种带涂层的切削刀具的制备方法，用CVD方法在硬质合金基体上涂覆制成，硬质合金成分为6.0wt%Co，1wt%的立方碳化物以及余量的WC，刀具几何形状为CNMA 120408E-KD5。带涂层的切削刀具的截面扫描电镜图如图2所示，涂层总厚为18μm，TiN打底层（约0.5μm），TiB_1-x-yC_xN_y层（约10.5μm），TiN+TiAlOCN过渡层（约1.0μm），α-Al₂O₃层（约5.5μm）和TiN着色层（约0.5μm），包括如下步骤：

S1、在刀具基体上通过CVD方法制备TiB_1-x-yC_xN_y层；

TiB_1-x-yC_xN_y层（约10.5μm）制备的反应气体包括：TiCl₄、CH₃CN、BCl₃、N₂、H₂。为了控制TiB_1-x-yC_xN_y层的织构，需控制CH₃CN和TiCl₄的比例，TiB_1-x-yC_xN_y层制备的工艺参数如表1所示。

表1

S2、通过CVD方法在TiB_1-x-yC_xN_y层上制备TiN+TiAlOCN过渡层；

TiN+TiAlOCN层（约1.0μm）制备的反应气体包括：TiCl₄、AlCl₃、CO、CH₄、N₂、H₂。TiN+TiAlOCN层制备的工艺参数如表2所示。

表2

S3、通过CVD方法在TiN+TiAlOCN过渡层上制备α-Al₂O₃层；

α-Al₂O₃层（约5.5μm）制备的反应气体包括AlCl₃、HCl、H₂、H₂S和CO₂。α-Al₂O₃层的制备包含两个步骤，第一步为形核阶段，第二步为生长阶段。H₂S作为催化剂只在第二步中使用。α-Al₂O₃层制备的工艺参数如表3所示。

表3

对于TiN打底层和TiN着色层，采用表4的工艺参数。

表4

对比例1

与实施例1的不同之处在于，

TiB_1-x-yC_xN_y层制备的工艺参数不同。

对比例1的TiB_1-x-yC_xN_y层制备的工艺参数如表5所示。

表5

对实施例1和对比例1的TiB_1-x-yC_xN_y层进行XRD检测，结果如图3所示。

实施例1和对比例1的TiB_1-x-yC_xN_y层以及PDF卡号421489的衍射反射的标准强度卡片中各峰的X相对强度如表6所示。

表6

经过计算，实施例1和对比例1的各个衍射峰的织构系数（TC）如表7所示。

表7

以下对实施例1和对比例1的具有多层复合涂层结构的带涂层切削刀具的切削性能进行试验：

其中，试验条件如下：

刀具：WC-Co硬质合金车刀（CNMA 120408E-KD5）

加工材料：灰铁HT250

切削参数：

切削速度：VC=250m/min

进给：fz=0.25mm/z

切深：ap=1.0mm

切削方式：连续湿切

在加工参数一致，刀具磨损量较一致时，比较刀具使用寿命。寿命结果（单位：min）如表8：

表8

刀片磨损量测试：选取第一组刀片，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3.0min，5.0min，6.0min和7.0min后的磨损量VB（单位：mm）测量结果如表9，如图4所示，图4中（a）为实施例1的刀片切削7min后刀面的磨损照片，图4中（b）为对比例1的刀片切削7min后刀面的磨损照片，可以很明显的看出具有织构强化的实施例1的磨损量小于无织构强化的对比例1的磨损量。

表9

从上述试验来看，实施例1的涂层在耐磨性和刀具使用寿命上具有明显优势，试验过程中观察到具有强织构的TiB_1-x-yC_xN_y层可以有效抵抗刀具在切削过程中产生的热裂纹，有利于提高刀具的使用寿命；比对比例1无织构的涂层更好的抗沟槽磨损和/或抗后刀面磨损的能力。

实施例2

一种带涂层的切削刀具的制备方法，用CVD方法在硬质合金基体上涂覆制成，硬质合金成分为8.0wt%Co，1.5wt%的立方碳化物以及余量的WC，刀具几何形状为CNMG 120408E-PD3。涂层总厚为18μm，TiN打底层（约0.5μm），TiB_1-x-yC_xN_y层（约10.5μm），TiN+TiAlOCN过渡层（约1.0μm），α-Al₂O₃层（约5.5μm）和TiN着色层（约0.5μm），包括如下步骤：

S1、在刀具基体上通过CVD方法制备TiB_1-x-yC_xN_y层，通过调控BCl₃含量，使TiB_{1-x- y}C_xN_y层具有梯度结构，TiB_1-x-yC_xN_y层制备的工艺参数如表10所示。

表10

S2-S3，与实施例1相同。

实施例3

与实施例2的不同之处在于，

TiB_1-x-yC_xN_y层制备的工艺参数不同。

实施例3的TiB_1-x-yC_xN_y层制备的工艺参数如表11所示。

表11

实施例4

与实施例2的不同之处在于，

TiB_1-x-yC_xN_y层制备的工艺参数不同。

实施例4的TiB_1-x-yC_xN_y层制备的工艺参数如表12所示。

表12

以下对实施例2-4的具有多层复合涂层结构的带涂层切削刀具的切削性能进行试验：

其中，试验条件如下：

刀具：WC-Co硬质合金车刀（CNMG 120408E-PD3）

加工材料：合金钢4340

切削参数：

切削速度：VC=350m/min

进给：fz=0.25mm/z

切深：ap=1.0mm

切削方式：断续湿切

在加工参数一致，刀具磨损量较一致时，比较刀具抗冲击次数。抗冲击次数如表13：

表13

从上述试验来看，B含量梯度变化的实施例2和实施例3的涂层在抗冲击能力上相比于B含量没有梯度变化的实施例4的涂层在抗冲击能力上均有提高，其中具有明显梯度变化实施例3，更好的提高了刀具涂层间的结合力。

本发明所述带涂层的切削刀具的涂层具有多层化结构，结合了TiBCN涂层和α-Al₂O₃涂层的优点，TiBCN涂层在（220）方向上具有择优取向且具有梯度结构，在保证TiBCN涂层硬度的同时，B含量由低到高，最后再逐渐降低可以更好的减少B元素扩散对涂层结合力的影响，涂层具有比传统无织构的α-Al₂O₃更好的抗沟槽磨损和/或后刀面磨损的能力，制备的涂层兼具硬度高和结合力好的特点，大幅提升涂层综合性能，适用不同类型的切削刀具且制备方法简单，效果好，易于工业化生产。

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)

1.一种带涂层的切削刀具，其特征在于，包括刀具基体和基体上的通过CVD方法制备的总厚度为10~25μm的多层涂层；

所述多层涂层从内向外依次包括：

在（220）方向上具有择优取向的TiB_1-x-yC_xN_y层，其中0.6≤x≤0.8，0.10≤1-x-y≤0.15；所述TiB_1-x-yC_xN_y层具有梯度结构，B含量从内至外逐渐增加，在该层总厚度的3/4处含量最高，但不高于15at%；在该层剩余总厚度的1/4内，B含量从内至外逐渐降低，但不低于10at%；

TiN+TiAlOCN过渡层；

α-Al₂O₃层。

2.根据权利要求1所述的带涂层的切削刀具，其特征在于，所述TiB_1-x-yC_xN_y层的厚度为5~12μm。

3.根据权利要求1所述的带涂层的切削刀具，其特征在于，所述TiB_1-x-yC_xN_y层的晶粒为小于3μm的粒状至柱状结构；所述TiB_1-x-yC_xN_y层的显微硬度≥30GPa。

4.根据权利要求1所述的带涂层的切削刀具，其特征在于，所述TiN+TiAlOCN过渡层的厚度为0.1~3μm。

5.根据权利要求1所述的带涂层的切削刀具，其特征在于，所述α-Al₂O₃层的厚度为5~10μm；所述α-Al₂O₃层的平均晶粒度≤3μm；所述α-Al₂O₃层的显微硬度≥25GPa。

6.根据权利要求1所述的带涂层的切削刀具，其特征在于，刀具基体和TiB_1-x-yC_xN_y层之间还包括打底层，打底层的厚度为0.1~0.5μm。

7.一种权利要求1-6任一项所述的带涂层的切削刀具的制备方法，其特征在于，所述涂层采用CVD方法制备，包括如下步骤：

S1、在刀具基体上通过CVD方法制备TiB_1-x-yC_xN_y层；

S2、通过CVD方法在TiB_1-x-yC_xN_y层上制备TiN+TiAlOCN过渡层；

S3、通过CVD方法在TiN+TiAlOCN过渡层上制备α-Al₂O₃层。

8.根据权利要求7所述的带涂层的切削刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，TiB_1-x-yC_xN_y层通过CVD方法在750~950℃的反应温度下制备。

9.根据权利要求7所述的带涂层的切削刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用乙腈作为碳源、氮源，BCl₃作为硼源，TiCl₄作为钛源，氢气作为载气，通过调控BCl₃含量，使TiB_1-x-yC_xN_y层具有梯度结构。

10.根据权利要求7所述的带涂层的切削刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，TiN+TiAlOCN过渡层通过CVD方法在950~1050℃的反应温度下制备；所述步骤S3中，α-Al₂O₃层通过CVD方法在900~1080℃的反应温度下制备。