CN117305806B - 一种涂层切削刀片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械加工刀片技术领域，具体涉及一种涂层切削刀片及其制备方法，刀片包括刀片基体和涂覆在刀片基体上的涂层；所述涂层至少包含一个κ‑Al2O3‑C层，所述κ‑Al2O3‑C层包含多晶κ‑Al2O3晶粒和碳。本发明通过碳掺杂可以形成同时具有优异耐磨性和优异润滑性的覆膜，本发明制备的涂层切削刀片具有较低的摩擦系数和优异的抗粘结磨损能力，在车削、铣削和钻削不锈钢材料中具有优异的切削性能。
Description
技术领域
本发明属于机械加工刀片技术领域，具体为一种涂层切削刀片及其制备方法。
背景技术
不锈钢被广泛应用于航空航天、发电设备制造、建筑和食品等工业部门及日常生活中。不锈钢属于难加工的材料的一种，由于不锈钢导热率低等特点，再加上在加工过程中塑性变形大，容易导致加工硬化现象、切削力大、切削温度高和积屑瘤严重等导致粘刀问题的出现。目前，通过CVD（化学气相沉积）方法制备的κ-Al2O3涂层由于具备韧性高和热导率低的特点，广泛运用于不锈钢的加工。为了进一步克服不锈钢加工的难点，必须提高κ-Al2O3涂层材料的润滑性和抗粘结磨损能力。研究人员做了很多尝试去提高氧化铝涂层的性能，其中元素掺杂是提高氧化铝涂层切削性能的一种有效途径，现有技术中公开的氧化铝涂层掺杂元素有：硫，碲，磷，砷，锑，铋，硅，硼，钛和锆等，但是其均无法提高氧化铝涂层的润滑性和抗粘结磨损能力，不能进一步克服不锈钢加工的难点。
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涂层切削刀片及其制备方法，提供一种碳掺杂的κ-Al2O3层切削工具，其可以通过形成同时具有优异耐磨性和优异润滑性的覆膜，达到进一步克服不锈钢加工的难点，提高刀片使用寿命的目的。
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：
一种涂层切削刀片，包括刀片基体和涂覆在刀片基体上的涂层；所述涂层至少包含一个κ-Al2O3-C层，所述κ-Al2O3-C层包含多晶κ-Al2O3晶粒和碳，其厚度为1~25μm。
作为本发明所述的一种涂层切削刀片的优选方案，其中：以原子百分比计，所述κ-Al2O3-C层的碳含量＜20at%。
作为本发明所述的一种涂层切削刀片的优选方案，其中：所述涂层具有位于所述κ-Al2O3-C层与基体之间的MT-TiCN层，所述MT-TiCN层的厚度为0.1~8μm。
作为本发明所述的一种涂层切削刀片的优选方案，其中：所述涂层具有位于所述κ-Al2O3-C层和MT-TiCN层之间的中间层，所述中间层包含TiAlOCN层，并且其平均厚度为0.1~0.5μm。
作为本发明所述的一种涂层切削刀片的优选方案，其中：所述涂层具有位于所述κ-Al2O3-C层外侧的着色层，所述着色层选自TiN、TiC、TiCN中的一种或多种。
作为本发明所述的一种涂层切削刀片的优选方案，其中：κ-Al2O3-C层中，晶粒度＜2.5μm的晶粒的占比≥90%。
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：
一种涂层切削刀片的制备方法，使用含有一种或多种铝的卤化物气体和一种含氧的气体，通过氢气作为载气，在一定温度下发生化学反应并在基体上沉积形成所述κ-Al2O3-C层，κ-Al2O3-C层是通过在氧化铝的生长过程中在工艺气体中通入含碳气体制备的，所述含碳气体为包括CH4、C2H4、C2H6的碳氢化合物。
作为本发明所述的一种涂层切削刀片的制备方法的优选方案，其中：在κ-Al2O3-C层的氧化铝的形核过程，原料气体中不包含含碳气体，在κ-Al2O3-C层的氧化铝的生长过程中，原料气体加入含碳气体，含碳气体占所有气体的体积分数不高于2%。
作为本发明所述的一种涂层切削刀片的制备方法的优选方案，其中：κ-Al2O3-C层的制备温度为900~1050℃，并在κ-Al2O3-C层的氧化铝的生长过程中，添加一种含硫的气体。
作为本发明所述的一种涂层切削刀片的制备方法的优选方案，其中：使用喷砂或抛光对所述涂层进行后处理，使得所述涂层的表面粗糙度Ra≤0.3μm。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种涂层切削刀片及其制备方法，刀片包括刀片基体和涂覆在刀片基体上的涂层；所述涂层至少包含一个κ-Al2O3-C层，所述κ-Al2O3-C层包含多晶κ-Al2O3晶粒和碳。本发明通过碳掺杂可以形成同时具有优异耐磨性和优异润滑性的覆膜，本发明制备的涂层切削刀片具有较低的摩擦系数和优异的抗粘结磨损能力，在车削、铣削和钻削不锈钢材料中具有优异的切削性能。
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1的涂层刀片的κ-Al2O3-C层的表面扫描电镜图；
图2为本发明实施例1的涂层刀片的κ-Al2O3-C层的成分图谱；
图3为本发明实施例1的涂层刀片的κ-Al2O3-C层的衍射图谱；
图4为对比例1的涂层刀片的κ-Al2O3层的表面扫描电镜图；
图5为对比例1的涂层刀片的κ-Al2O3层的成分图谱；
图6为对比例1的涂层刀片的κ-Al2O3层的衍射图谱。
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。
本发明的主要目的是提出一种涂层切削刀片及其制备方法，提供一种碳掺杂的κ-Al2O3层切削工具，其可以通过形成同时具有优异耐磨性和优异润滑性的覆膜，达到进一步克服不锈钢加工的难点，提高刀片使用寿命的目的。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种涂层切削刀片，包括刀片基体和涂覆在刀片基体上的涂层；所述涂层至少包含一个κ-Al2O3-C层，所述κ-Al2O3-C层包含多晶κ-Al2O3晶粒和碳，其厚度为1~25μm，其厚度优选为1~3μm。所述刀片基体由硬质合金，钛基碳氮化物或陶瓷材料制成。
优选的，以原子百分比计，所述κ-Al2O3-C层的碳含量＜20at%。
优选的，所述涂层具有位于所述κ-Al2O3-C层与基体之间的MT-TiCN层，所述MT-TiCN层为柱状结构，平均晶粒度小于0.5μm，所述MT-TiCN层的厚度为0.1~8μm。
优选的，所述涂层具有位于所述κ-Al2O3-C层和MT-TiCN层之间的中间层，所述中间层包含针状TiAlOCN层，并且其平均厚度为0.1~0.5μm。
优选的，所述涂层还可以具有位于基体与MT-TiCN层之间的打底层，所述打底层选自TiN、TiC、TiCN中的一种或多种。
优选的，所述涂层具有位于所述κ-Al2O3-C层外侧的着色层，所述着色层选自TiN、TiC、TiCN中的一种或多种。
优选的，所述κ-Al2O3-C层晶体具有沿一定晶向生长的显微组织结构，其中优选沿（013）方向，且其织构系数（TC）大于2。
优选的，κ-Al2O3-C层中，晶粒度＜2.5μm的晶粒的占比≥90%。所述晶粒度测定面与所述κ-Al2O3-C层的表面平行，或者与所述κ-Al2O3-C层和位于其外侧的相邻层之间的界面平行。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种涂层切削刀片的制备方法，使用含有一种或多种铝的卤化物气体和一种含氧的气体，通过氢气作为载气，在一定温度下发生化学反应并在基体上沉积形成所述κ-Al2O3-C层，κ-Al2O3-C层是通过在氧化铝的生长过程中在工艺气体中通入含碳气体制备的，所述含碳气体为包括CH4、C2H4、C2H6的碳氢化合物。
优选的，使用热化学气相沉积制备κ-Al2O3-C层，或者可以使用其它CVD沉积方法。所述涂层的任何其它层也是如此。
优选的，在κ-Al2O3-C层的氧化铝的形核过程，原料气体中不包含含碳气体，在κ-Al2O3-C层的氧化铝的生长过程中，原料气体加入含碳气体，含碳气体占所有气体的体积分数不高于2%；形核过程的沉积时间是15~25min；生长过程的沉积时间是140~160min。
优选的，κ-Al2O3-C层的制备温度为900~1050℃，并在κ-Al2O3-C层的氧化铝的生长过程中，添加一种含硫的气体以提高涂层沉积速率，含硫的气体优选为H2S。
优选的，使用喷砂或抛光对所述涂层进行后处理，使得所述涂层的表面粗糙度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
通过CVD技术在硬质合金可转位刀片CNMG 120408E-MC3刀片上涂覆4层涂层，刀片基体组分为10%的Co，1.7%的立方碳化物以及余量的WC，涂层的总厚度约为6μm，有内到外依次由TiN层（约0.5μm），MT-TiCN层（约2.5μm）、TiAlOCN层（约0.5μm）、κ-Al2O3-C层（约2.5μm）构成。
通过使用众所周知的TiN层和MT-TiCN层沉积技术，对刀片基体首先涂覆约0.5μm的TiN层，然后涂覆约2.5μm的MT-TiCN层。TiN和MT-TiCN层的沉积时间分别是80min和100min。TiN层和MT-TiCN层沉积的工艺参数如表1所示。
表1 TiN层和MT-TiCN层沉积的工艺参数
在MT-TiCN层的外侧，使用H2、TiCl4、AlCl3、CO、CH4和N2的混合气体在1000℃下沉积TiAlOCN层，沉积时间为30min。详细工艺参数如表2所示。
表2 TiAlOCN层沉积的工艺参数
随后在TiAlOCN层的外侧，根据如表3工艺沉积κ-Al2O3-C层。其中，形核阶段和生长阶段的沉积时间分别是20min和150min。
表3 κ-Al2O3-C层沉积的工艺参数
使用抛光工艺对所述涂层进行后处理，使得所述涂层的表面粗糙度Ra≤0.3μm。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，κ-Al2O3-C层为未掺杂碳的κ-Al2O3层。
根据如表4工艺沉积κ-Al2O3层。
表4 κ-Al2O3层沉积的工艺参数
采用扫描电子显微镜分别对实施例1的κ-Al2O3-C层和对比例1的κ-Al2O3层表面进行观察，如图1和图4所示。通过摩擦磨损仪测量涂层的摩擦系数，测得实施例1的κ-Al2O3-C层和对比例1的κ-Al2O3层的摩擦系数分别为0.4和0.7。实施例1的κ-Al2O3-C层和对比例1的κ-Al2O3层的成分图谱分别如图2和图5所示。实施例1的κ-Al2O3-C层和对比例1的κ-Al2O3层的衍射图谱分别如图3和图6所示。
在涂层性能方面，以下通过不锈钢连续和断续车削，对实施例1的刀片和对比例1的刀片进行对比实验。
连续车削实验相关信息如下：
操作：连续车削
工件：圆柱件
材料：316L不锈钢
刀片类型：CNMG 120408E-MC3
切削速度：220m/min
进给：0.25mm/rev
切深：1.0mm
干/湿切削：湿切
切削5min、10min、15min、20min、25min后的磨损量VB（单位mm）测量结果见表5。
表5 连续车削实验结果记录表
由表5可以看出，本发明实施例1的刀片大大提高了涂层刀具的寿命。值得注意的是，在切削过程中，我们观察到实施例1刀片的积屑瘤小于对比例1刀片，且实施例1刀片的加工的工件光洁度要好于对比例1刀片加工的工件表面光洁度。
断续车削实验相关信息如下：
操作：断续车削
工件：开槽圆柱件
材料：316L不锈钢
刀片类型：CNMG 120408E-MC3
切削速度：100m/min
进给：0.2mm/rev
切深：0.5mm
干/湿切削：湿切
切削3min、7min、11min、15min、20min后的磨损量VB（单位mm）测量结果见表6。
表6 断削实验结果记录表
由表6可以看出，本发明的涂层切削刀片提高了刀具的耐崩性。本发明的刀片无论连续还是断续，皆提高了使用寿命。
实施例2
通过CVD技术在硬质合金可转位刀片CNMG 120408E-MC3刀片上涂覆4层涂层，刀片基体组分为10%的Co，1.7%的立方碳化物以及余量的WC，涂层的总厚度约为6μm，有内到外依次由TiN层（约0.5μm），MT-TiCN层（约2.5μm）、TiAlOCN层（约0.5μm）、κ-Al2O3-C层（约2.5μm）构成。
通过使用众所周知的TiN层和MT-TiCN层沉积技术，对刀片基体首先涂覆约0.5μm的TiN层，然后涂覆约2.5μm的MT-TiCN层。TiN和MT-TiCN层的沉积时间分别是80min和100min。TiN层和MT-TiCN层沉积的工艺参数如表7所示。
表7 TiN层和MT-TiCN层沉积的工艺参数
在MT-TiCN层的外侧，使用H2、TiCl4、AlCl3、CO、CH4和N2的混合气体在1000℃下沉积TiAlOCN层，沉积时间为30min。详细工艺参数如表8所示。
表8 TiAlOCN层沉积的工艺参数
随后在TiAlOCN层的外侧，根据如表9工艺沉积κ-Al2O3-C层。其中，形核阶段和生长阶段的沉积时间分别是18min和155min。
表9 κ-Al2O3-C层沉积的工艺参数
使用抛光工艺对所述涂层进行后处理，使得所述涂层的表面粗糙度Ra≤0.3μm。
对比例2
与实施例2的不同之处在于，κ-Al2O3-C层为未掺杂碳的κ-Al2O3层。
根据如表10工艺沉积κ-Al2O3层。
表10 κ-Al2O3层沉积的工艺参数
通过摩擦磨损仪测量涂层的摩擦系数，测得实施例2的κ-Al2O3-C层和对比例2的κ-Al2O3层的摩擦系数分别为0.45和0.7。实施例2的κ-Al2O3-C层和对比例2的κ-Al2O3层的碳含量分别为10 at%和0 at%。
在涂层性能方面，以下通过不锈钢连续和断续车削，对实施例2的刀片和对比例2的刀片进行对比实验。
连续车削实验相关信息如下：
操作：连续车削
工件：圆柱件
材料：316L不锈钢
刀片类型：CNMG 120408E-MC3
切削速度：220m/min
进给：0.25mm/rev
切深：1.0mm
干/湿切削：湿切
切削5min、10min、15min、20min、25min后的磨损量VB（单位mm）测量结果见表11。
表11 连续车削实验结果记录表
由表11可以看出，本发明实施例2的刀片大大提高了涂层刀具的寿命。值得注意的是，在切削过程中，我们观察到实施例2刀片的积屑瘤小于对比例2刀片，且实施例2刀片的加工的工件光洁度要好于对比例2刀片加工的工件表面光洁度。
断续车削实验相关信息如下：
操作：断续车削
工件：开槽圆柱件
材料：316L不锈钢
刀片类型：CNMG 120408E-MC3
切削速度：100m/min
进给：0.2mm/rev
切深：0.5mm
干/湿切削：湿切
切削3min、7min、11min、15min、20min后的磨损量VB（单位mm）测量结果见表12。
表12 断削实验结果记录表
由表12可以看出，本发明的涂层切削刀片提高了刀具的耐崩性。本发明的刀片无论连续还是断续，皆提高了使用寿命。
本发明刀片包括刀片基体和涂覆在刀片基体上的涂层；所述涂层至少包含一个κ-Al2O3-C层，所述κ-Al2O3-C层包含多晶κ-Al2O3晶粒和碳。本发明通过碳掺杂可以形成同时具有优异耐磨性和优异润滑性的覆膜，本发明制备的涂层切削刀片具有较低的摩擦系数和优异的抗粘结磨损能力，在车削、铣削和钻削不锈钢材料中具有优异的切削性能。
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 (7)
1.一种不锈钢加工用涂层切削刀片，其特征在于，包括刀片基体和涂覆在刀片基体上的涂层；所述涂层至少包含一个κ-Al2O3-C层，所述κ-Al2O3-C层包含多晶κ-Al2O3晶粒和碳，其厚度为1~25μm；以原子百分比计，所述κ-Al2O3-C层的碳含量＜20at%；所述κ-Al2O3-C层中，晶粒度＜2.5μm的晶粒的占比≥90%；
所述的涂层切削刀片的制备方法，使用含有一种或多种铝的卤化物气体和一种含氧的气体，通过氢气作为载气，在一定温度下发生化学反应并在基体上沉积形成所述κ-Al2O3-C层，κ-Al2O3-C层是通过在氧化铝的生长过程中在工艺气体中通入含碳气体制备的；在κ-Al2O3-C层的氧化铝的形核过程，原料气体中不包含含碳气体，在κ-Al2O3-C层的氧化铝的生长过程中，原料气体加入含碳气体，含碳气体占所有气体的体积分数不高于2%。
2.根据权利要求1所述的涂层切削刀片，其特征在于，所述涂层具有位于所述κ-Al2O3-C层与基体之间的MT-TiCN层，所述MT-TiCN层的厚度为0.1~8μm。
3.根据权利要求2所述的涂层切削刀片，其特征在于，所述涂层具有位于所述κ-Al2O3-C层和MT-TiCN层之间的中间层，所述中间层包含TiAlOCN层，并且其平均厚度为0.1~0.5μm。
4.根据权利要求1所述的涂层切削刀片，其特征在于，所述涂层具有位于所述κ-Al2O3-C层外侧的着色层，所述着色层选自TiN、TiC、TiCN中的一种或多种。
5.一种权利要求1-4任一项所述的涂层切削刀片的制备方法，其特征在于，使用含有一种或多种铝的卤化物气体和一种含氧的气体，通过氢气作为载气，在一定温度下发生化学反应并在基体上沉积形成所述κ-Al2O3-C层，κ-Al2O3-C层是通过在氧化铝的生长过程中在工艺气体中通入含碳气体制备的，所述含碳气体为包括CH4、C2H4、C2H6的碳氢化合物；在κ-Al2O3-C层的氧化铝的形核过程，原料气体中不包含含碳气体，在κ-Al2O3-C层的氧化铝的生长过程中，原料气体加入含碳气体，含碳气体占所有气体的体积分数不高于2%。
6.根据权利要求5所述的涂层切削刀片的制备方法，其特征在于，κ-Al2O3-C层的制备温度为900~1050℃，并在κ-Al2O3-C层的氧化铝的生长过程中，添加一种含硫的气体。
7.根据权利要求5所述的涂层切削刀片的制备方法，其特征在于，使用喷砂或抛光对所述涂层进行后处理，使得所述涂层的表面粗糙度Ra≤0.3μm。
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