一種涂層切削刀具及其制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種涂層切削刀具及其制作方法，該涂層切削刀具包括基體和基體上涂覆的單層或多層涂層；所述涂層為（Ti1-aMea）X涂層，其中，Me為化學(xué)元素Al、Cr、Zr、Si、Hf、Nb、W和Ta的其中一種或幾種，X為化學(xué)元素N、C、O和B的其中一種或幾種，a在0.2到0.6之間，涂層的總厚度為1μm至8μm之間，涂層在室溫下的納米硬度H在32GPa至42GPa之間。本發(fā)明通過(guò)使用Ti基（Ti1-aMea）X涂層為主要功能層，含有特定的固溶金屬元素Me，使其擁有獨(dú)特的結(jié)晶方式及結(jié)晶形態(tài)，從而能大幅改善涂層切削工具的耐磨性和抗沖擊性的平衡性，提高切削加工的刀具或刀片壽命。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種涂層切削刀具及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及涂層切削工具，特別是涉及一種涂層切削刀具及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]干式切削及高速加工是近年來(lái)切削技術(shù)發(fā)展的主要方向，干式切削由于其良好的環(huán)境親和性，高速切削由于能提高加工效率和降低成本，在切削加工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但由于它們的切削過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱，造成刀具刃部溫度劇烈升高，因而對(duì)刀具材料的特性特別是表面涂層材料提出了更苛刻的要求。
[0003]工具上常用的TiN涂層因其較低的抗氧化溫度及低硬度已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足切削加工技術(shù)持續(xù)發(fā)展的需求。TiN涂層在600°C以上易氧化生成TiO2，在涂層應(yīng)力作用下導(dǎo)致氧化層剝落使涂層失效。與TiN涂層相比，后續(xù)開(kāi)發(fā)出的TiAlN涂層由于Al的加入，Al原子置換TiN中部分的Ti原子形成TiAlN固溶體，高溫下Al元素向表面擴(kuò)散形成一層致密的Al2O3保護(hù)膜，可明顯提高涂層的高溫抗氧化性和高溫硬度。當(dāng)涂層中的鋁含量超過(guò)某一臨界值時(shí)，結(jié)晶的穩(wěn)定性變差，其晶體由Bl-NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)變?yōu)锽4-ZnS型六方結(jié)構(gòu)，面心立方結(jié)構(gòu)的TiAlN涂層具有良好的綜合性能，而轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)后機(jī)械性能將會(huì)急劇變差。
[0004]CN101200797A公開(kāi)了一種切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層，其特征是:納米多層涂層由TiN層、(Tix，Alh)N、(Tiy，Al1JN和(Tix，Al1J N交替沉積在硬質(zhì)合金基體上組成，其中，0.5 < X < 1，0.3 < y < 0.5，涂層總的厚度控制在2?6um，TiN層厚度控制在2?8nm，(Tix, Al1J N單層厚度控制在I?5nm，(Tiy, Al1J N單層厚度控制在I?5nm。多層涂層中由于引入了 TiN，在高溫條件下可能會(huì)引起整體性能的降低。
[0005]CN101318230A公開(kāi)了一種帶涂層的硬質(zhì)合金切削刀具刀片，所述涂層為均勻的AlxTih層，其中x=0.6-0.67。涂層厚度為1.211111至3.611111。其涂層中的Al含量過(guò)高，高溫相變后會(huì)引起某些加工過(guò)程中刃口抗沖擊能力的下降。
[0006]JP3003986公開(kāi)了一種切削刀片，涂層包括TiAIN，TiAlCN,其特點(diǎn)為X線(xiàn)衍射圖譜上反射峰強(qiáng)度值比(220)/ (111)為I以上。
[0007]JP3382781公開(kāi)了一種切削刀具，其表面涂層由Ti含量為75_98at%的一層和Ti含量為20-65at%的層交互疊加構(gòu)成，前者的X線(xiàn)衍射圖譜上反射波峰(200)/(111)強(qiáng)度比I以下，后者的X線(xiàn)衍射圖譜上反射波峰(200)/(111)強(qiáng)度比I以上。
[0008]以上的技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足不斷發(fā)展的切削加工工藝對(duì)刀具切削刃的耐磨性和抗沖擊性的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種涂層切削刀具及其制作方法，通過(guò)使用Ti基(TihMea)X涂層為主要功能層，含有特定的固溶金屬元素Me，使其擁有獨(dú)特的結(jié)晶方式及結(jié)晶形態(tài)，從而能大幅改善涂層切削工具的耐磨性和抗沖擊性的平衡性，提高切削加工的刀具或刀片壽命。
[0010]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種涂層切削刀具，包括基體和基體上涂覆的單層或多層涂層；所述基體為硬質(zhì)合金、金屬陶瓷或高速鋼材料制作而成；所述單層或多層涂層，所述涂層為(TihMea) X涂層，其中，Me為化學(xué)元素Al、Cr、Zr、S1、Hf、Nb、W和Ta的其中一種或幾種，X為化學(xué)元素N、C、O和B的其中一種或幾種，a在0.2到0.6之間，利用X射線(xiàn)衍射在Θ/2Θ幾何構(gòu)成檢測(cè)多晶立方相的存在，在衍射圖譜上所述涂層特征表現(xiàn)為僅有一個(gè)明顯的立方相反射波峰，波峰位于以2 Θ為橫坐標(biāo)的40度至45度之間，且波峰與背景比例P在大于1.2小于3之間，其余涂層立方相反射峰的波峰與背景比例P值小于1.2或波峰未能檢出。
[0011]所述涂層在衍射圖譜上表面為反射波峰寬化，反射波峰半幅全寬在0.8度2 Θ以上。
[0012]所述硬質(zhì)合金材料中，是以WC為主成分，并含有6被％至13被％的(:0，和含有0.lwt%至0.5wt%的Cr，其中，WC顆粒平均大小為0.5 μ m至2.5 μ m之間。
[0013]所述涂層在室溫下的納米硬度H在32GPa至42GPa之間。
[0014]所述單層或多層涂層的總厚度為Ιμπι至8μπι之間。
[0015]所述多層涂層中，緊靠所述基體的一層涂層被設(shè)定為過(guò)渡層，過(guò)渡層以外的涂層被設(shè)定為功能層，所述過(guò)渡層與功能層的厚度之比為1:3以下。
[0016]所述多層涂層中，最外一層涂層被設(shè)定為表面層，表面層之內(nèi)的涂層被設(shè)定為功能層，所述表面層與功能層的結(jié)構(gòu)不相同，且表面層的厚度為0.1 μ m至I μ m之間。
[0017]一種涂層切削刀具及其制作方法，是在基體上采用物理氣相沉積方法沉積所述涂層，所述涂層在下列條件下使用陰極電弧蒸鍍生成:
[0018]總壓力為0.1Pa至IPa ；
[0019]蒸鍍電流在160A至280A之間；
[0020]偏壓在-30V至-200V之間；
[0021 ] 沉積溫度500 V至700 V之間。
[0022]進(jìn)一步的，還包括在涂層后，通過(guò)機(jī)械加工進(jìn)行表面平滑化處理。
[0023]一種涂層切削刀具的用途，適用于銑削加工。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:
[0025]由于本發(fā)明使用Ti基(TihMea)X涂層為主要功能層，含有特定的固溶金屬元素Me,使其擁有獨(dú)特的結(jié)晶方式及結(jié)晶形態(tài)，能大幅改善涂層工具的耐磨性和抗沖擊性的平衡性，提高切削加工的刀具刀片壽命。
[0026]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明；但本發(fā)明的一種涂層切削刀具及其制作方法不局限于實(shí)施例。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本發(fā)明實(shí)施例3中涂層刀具的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1、基體；2、主功能層Tia5Ala5N ;3、表面層 Tia65Ala35CN ；
[0028]圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的TiAlN涂層的Θ /2 θ X射線(xiàn)衍射圖譜；
[0029]圖3是對(duì)比例2的TiAlN涂層的Θ /2 θ X射線(xiàn)衍射圖譜?！揪唧w實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案為:一種優(yōu)化切削刀具刀片切削性能的技術(shù)，所述切削刀具或刀片包括基體和涂層，所述基體為硬質(zhì)合金、金屬陶瓷或高速鋼材料制作而成，所述涂層為單層或多層涂層，所述單層或多層涂層化學(xué)成分為(TihMea)X層，其中，Me為化學(xué)元素Al、Cr、Zr、S1、Hf、Nb、W和Ta的其中一種或幾種，X為化學(xué)元素N、C、O和B的其中一種或幾種，a在0.2到0.6之間，a在0.2到0.6之間，最能實(shí)現(xiàn)涂層工具刃口的耐磨性和抗沖擊性的平衡性，a小于0.2則涂層刀具的耐磨性不佳，a大于0.6則涂層刀具抗沖擊力下降，優(yōu)選0.3至0.5之間。
[0031]所述多層涂層的表面涂層的化學(xué)成分設(shè)置與主要功能層(TihMea)X不同，以實(shí)現(xiàn)改善切削加工中的抗粘屑性或潤(rùn)滑性，該表面涂層厚度為0.1 μ m至I μ m之間，優(yōu)選0.3 μ m至0.5 μ m之間。
[0032]所述基體采用粉末冶金技術(shù)，通過(guò)壓制、燒結(jié)形成具有特定幾何形狀的毛坯，毛坯經(jīng)過(guò)磨削加工和特殊的刃口處理后得到刀具基體。特別需要強(qiáng)調(diào)的是所述的刀具刀片涂層前的預(yù)處理。
[0033]涂層前預(yù)處理:是采用噴砂法對(duì)刀具表面進(jìn)行清洗，去除切削刀具表面的氧化層、磨削破碎層，改善涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，提高膜層附著力；進(jìn)一步對(duì)切削刀具刃口進(jìn)行拋光處理，消除刃口鈍化后產(chǎn)生的粗糙痕跡，鋸齒等，提高切削刃的強(qiáng)度。
[0034]所述涂層采用了物理氣相沉積(PVD)的方法，在總壓力為0.1Pa至IPa，在160A至280A蒸鍍電流，優(yōu)選200A至240A，在-30V至-200V偏壓，沉積溫度500°C至700°C條件下，優(yōu)選550°C至650°C條件下，通過(guò)使用電弧蒸鍍沉積上述涂層。
[0035]具體涂層處理如下:經(jīng)過(guò)前處理的刀具基體首先經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的Ar或Kr等離子體清洗，在更加微觀的層面上去除表面殘留雜質(zhì)，以進(jìn)一步提升涂層附著力。根據(jù)基體材質(zhì)的表面特性，可在刀具基體上采用PVD法沉積一層過(guò)渡層，該層通過(guò)特殊的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，與基體具有良好的晶格匹配性，提供了良好的附著性，涂層厚度太薄將無(wú)法有效支撐其上的功能層，造成涂層剝離，厚度太厚會(huì)引起耐磨性的下降，優(yōu)選厚度為500nm?I μπι。根據(jù)基體材質(zhì)的表面特性，也可不加過(guò)渡層。接著沉積一層厚度為I μ m?7 μ m的主功能層(TiwMea) X，該層主要為提供優(yōu)異耐磨性及抗沖擊性，優(yōu)選厚度為2?4 μ m，涂層厚度太薄無(wú)法提供優(yōu)異的耐磨損性，厚度太厚會(huì)使涂層產(chǎn)生剝離而失效。所述涂層的總厚度為Iym至8 μ m之間,優(yōu)選1.2 μ m至5 μ m之間。
[0036]涂層后，還可以通過(guò)機(jī)械加工(毛刷或濕噴砂)進(jìn)行表面平滑化處理，提高切削加工中刀具的排屑能力，減少突發(fā)損壞的幾率。
[0037]涂層后的刀具刀片，通過(guò)使用帶有AmeTek制日立S-3700N掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行能量色散分析來(lái)估算涂層(TihMea) X的成分a，切削刃口附近0.1-1mm位置的涂層斷面為測(cè)定位置。膜厚也是通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察切削刃口附近0.1-1mm位置涂層斷面來(lái)確定。
[0038]使用菲利普制X射線(xiàn)衍射設(shè)備Panalytical V percpro,以CoK α射線(xiàn)作為X射線(xiàn)源，控制管電壓為40Κν和電流40mA，發(fā)散縫隙為1°，以Θ/2 Θ機(jī)構(gòu)，2 Θ =20° -110°范圍，進(jìn)行X射線(xiàn)掃描，來(lái)測(cè)定涂層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，所得的衍射圖譜中反射峰有無(wú)是通過(guò)X’pertHighScore軟件的Search peaks功能來(lái)確認(rèn)。本說(shuō)明書(shū)內(nèi)所說(shuō)XRD圖譜(圖2，3),為上述方法實(shí)測(cè)值再計(jì)算轉(zhuǎn)化為以CuKa射線(xiàn)源為基準(zhǔn)的XRD圖譜。本發(fā)明中，在Ti基硬質(zhì)涂層中添加一種以上的他元素改善晶粒結(jié)構(gòu)，尤其細(xì)化及控制涂層晶體粒度是一個(gè)提高涂層刀具的切削性能的關(guān)鍵因素，體現(xiàn)在XRD圖譜上，為反射波峰寬化度，及反射峰值強(qiáng)度。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)了它們的最佳范圍:(200)波峰的半幅全寬(FWHM) 0.8以上，優(yōu)選1.0以上，波峰與背景比例P在大于1.2小于3之間。如果P值大于3，或半幅全寬(FWHM)0.8以下，則涂層的耐磨性不佳，P值小于1.2，則涂層與基體的結(jié)合力降低，涂層抗沖擊力下降。
[0039]在將涂層表面機(jī)械拋光至鏡面后，使用CSM nanoindenter TTX-NHT2系統(tǒng)的納米壓痕技術(shù)來(lái)估算出所述涂層的硬度數(shù)據(jù)，壓入深度大于200nm，硬度單位為GPa。涂層納米硬度H在32GPa至42GPa之間，優(yōu)選34GPa至40GPa之間，才能最大限度發(fā)揮涂層的耐磨性及抗沖擊能力。
[0040]以下結(jié)合具體例子對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0041]實(shí)施例一
[0042]本發(fā)明的一種涂層切削刀具(即涂層刀片)，刀片型號(hào)為銑刀片RPEW1204M0，刀片刃口采用特殊的鈍化處理技術(shù)；其基體為細(xì)顆粒硬質(zhì)合金，WC平均粒徑0.8 μ m，其成分中Co質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10% ;其涂層為通過(guò)物理氣相沉積方法(PVD法)制備而成，使用過(guò)渡層，過(guò)渡層與功能層厚度比例控制在1:3，總涂層厚度控制在3 μ m，涂層成分為T(mén)ia5Ala5N。XRD圖譜上僅有(200)波峰，波峰的 半幅全寬(FWHM)為1.26，波峰與背景比例P為1.5，涂層硬度H 為 39GPa。
[0043]對(duì)比刀片型號(hào)及基體材質(zhì)與本發(fā)明相同，并采用了相同的涂層前處理方式，所采用的涂層為T(mén)ia5Ala5N涂層。XRD圖譜上有(111)，(200)，(220)波峰，(200)波峰的半幅全寬(FWHM)為0.475，波峰與背景比例P為9.2，涂層硬度H為30GPa。
[0044]上述兩種刀片在以下條件下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。切削試驗(yàn)采用2片對(duì)稱(chēng)裝夾刀片的方式，根據(jù)切削過(guò)程中刀片磨損的實(shí)際狀況，以15min，30min，45min，…等時(shí)間段為時(shí)間間隔觀察后刀面磨損形貌，測(cè)量記錄刀片后刀面磨損量，若觀測(cè)間隔內(nèi)發(fā)生振動(dòng)、火花增大等異常情況，則即時(shí)停止試驗(yàn)觀測(cè)刀片損傷情況。試驗(yàn)中，選擇刀片后刀面平均磨損量Vb超過(guò)
0.3mm或任一刀片磨損Vbmax或崩刃超過(guò)0.4mm為壽命判斷標(biāo)準(zhǔn)。
[0045]加工材料:P20(3Cr2Mo)，硬度 33 ~35HRC
[0046]切削速度:Vc=150m/min
[0047]進(jìn)給:fz=l.0mm/tooth
[0048]切削深度:ap=0.8mm
[0049]切削寬度:ae=40mm
[0050]切削方式:型腔銑削
[0051]冷卻方式:干式切削
[0052]對(duì)比的兩種涂層共進(jìn)行了三組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
【權(quán)利要求】
1.一種涂層切削刀具，包括基體和基體上涂覆的單層或多層涂層；其特征在于:所述基體為硬質(zhì)合金、金屬陶瓷或高速鋼材料制作而成；所述單層或多層涂層，所述涂層為(TiwMea) X涂層，其中，Me為化學(xué)元素Al、Cr、Zr、S1、Hf、Nb、W和Ta的其中一種或幾種，X為化學(xué)元素N、C、O和B的其中一種或幾種，a在0.2到0.6之間，利用X射線(xiàn)衍射在Θ /2 Θ幾何構(gòu)成檢測(cè)多晶立方相的存在，在衍射圖譜上所述涂層特征表現(xiàn)為僅有一個(gè)明顯的立方相反射波峰，波峰位于以2Θ為橫坐標(biāo)的40度至45度之間，且波峰與背景比例P在大于.1.2小于3之間，其余涂層立方相反射峰的波峰與背景比例P值小于1.2或波峰未能檢出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述涂層在衍射圖譜上表面為反射波峰寬化，反射波峰半幅全寬在0.8度2 Θ以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述硬質(zhì)合金材料中，是以WC為主成分，并含有6wt%至13wt%的Co，和含有0.lwt%至0.5wt%的Cr，其中，WC顆粒平均大小為0.5 μ m至2.5 μ m之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述涂層在室溫下的納米硬度H在32GPa至42GPa之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述單層或多層涂層的總厚度為1μm至8μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述多層涂層中，緊靠所述基體的一層涂層被設(shè)定為過(guò)渡層，過(guò)渡層以外的涂層被設(shè)定為功能層，所述過(guò)渡層與功能層的厚度之比為1:3以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述多層涂層中，最外一層涂層被設(shè)定為表面層，表面層之內(nèi)的涂層被設(shè)定為功能層，所述表面層與功能層的結(jié)構(gòu)不相同，且表面層的厚度為0.1μm至1μm之間。
8.—種如權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的涂層切削刀具的制作方法，是在基體上采用物理氣相沉積方法沉積所述涂層，所述涂層在下列條件下使用陰極電弧蒸鍍生成: 總壓力為0.1Pa至1Pa ； 蒸鍍電流在160Α至280Α之間； 偏壓在-30V至-200V之間； 沉積溫度500 V至700 V之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的涂層切削刀具的制作方法，其特征在于:進(jìn)一步的，還包括在涂層后，通過(guò)機(jī)械加工進(jìn)行表面平滑化處理。
10.一種如權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的涂層切削刀具的用途，其特征在于:用于銑削加工。
【文檔編號(hào)】C23C14/32GK103586520SQ201310489244
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】陳路, 伍偉, 盧志紅 申請(qǐng)人:廈門(mén)金鷺特種合金有限公司