CN101591780A - 一种刀具耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刀具耐磨涂层的制备方法，其特征是采用等离子体扩渗与沉积复合技术，通过变换含氮、含钛、含碳气源组成，在高速钢刀具表面由里向外形成了一个渗氮层～4.5μm、TiN结合层～3.5μm、TiC耐磨涂层～2.5μm的多层梯度复合涂层。用本发明的制备方法制得的多层复合涂层增强高速钢刀具，刀具基体与涂层的结合状态良好，能保持刀具心部韧性的同时，提高刀具表面的强度、硬度、耐磨性和使用寿命。

Description

一种刀具耐磨涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高速钢刀具表面涂层强化及其制备方法。

背景技术

随着机械制造业的发展，高速切削加工技术及其刀具材料的研究得到快速发展，要求高速刀具材料具备普通刀具材料的基础性能外，还特别要求具备高的耐磨性、耐热性、抗热冲击性及高的可靠性。但由于高速工具钢在切削过程中，刀刃本身承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击、振动负荷，同时还要受到工件和切屑的强烈摩擦作用，导致刀具在使用过程经常出现磨损、卷刃、崩刃或折断等，缩短了刀具的使用寿命，降低了生产效率，同时增加了生产成本。采用表面涂层强化技术对高速钢刀具进行表面强化处理，获得心部韧性好、表面硬度高、耐磨、耐蚀、使用寿命长的刀具，是高速钢刀具强韧化的有效途径之一。近年来，国内外涂层技术迅猛发展，在新型刀具的生产制造中，涂层刀具发展最快，目前工业发达国家涂层刀具已占80％以上，CNC机床上所用切削刀具有90％以上采用了表面涂层技术，齿轮加工刀具及立铣刀、钻头有一半以上采用涂层技术。

涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层等，其中常用的有TiC、TiN、Al₂O₃、金刚石涂层，涂层厚度为5～10um或10um以上。随着涂层技术的发展，单一涂层由于基体较软或涂层与基体结合力不够，导致基体不能有力支撑涂层而发生早期破坏，应用受到很大制约。通过多组元涂层、多层涂层设计，利用物理气相沉积涂层技术，并与其他表面处理工艺或涂层相结合，形成一种带过渡层(或中间层)的双层涂层或多层涂层，能有效克服单一涂层的缺点，使刀具材料具有的性能和良好的应用前景，受到广泛关注。但不可否认，虽然气相沉积技术制备的单层或多层涂层的表面硬度高、耐磨性好，但表面硬化层与基体之间有明显的界面，结合力较弱，表面硬化层与基体的热膨胀系数不同，刀具在使用过程中由于温度变化引起的界面热应力可能导致涂层脱落，影响到涂层的表面增强导致高速钢刀具的非正常失效。

关于所述刀具多层复合涂层，在公开号CN 1514039曾报道了采用等离子体增强脉冲激光沉积法或热丝辅助射频等离子体CVD方法制备切削刀具用氮化硼复合涂层，该涂层包括一个和硬质合金基体结合的基础层(TiC_xO_yN_z)，一个中间结合层(镍(Ni)层)和一个最外的氮化硼层。

公开号CN 1280632曾报道了一种在刀具上沉积细粒氧化铝涂层的等离子体化学气相沉积(PACVD)法，该方法在等离子体由加在两个电极上的双极脉冲直流电压产生的，并在将待涂覆的基材固定在电极上且为电连接。与现有方法相比，该方法抑制了绝缘表面上电荷的积累，因此在所述表面上不产生电弧，从而使反应平稳、长期进行。

发明内容：

本发明提供一种高速钢刀具表面形成硬度高且连续变化、涂层与基体材料无界面、结合紧密、耐磨性能和承载性能显著提高的多层梯度复合涂层及其制备方法。

本发明为达到以上目的，是通过这样的技术方案来实现的：本发明的多层梯度复合涂层的结构从里往外分别由渗氮层、结合层、耐磨层组成，其中，渗氮层为氮在α-Fe、γ-Fe中的间隙固熔体涂层，结合层为气相化学生成的TiN涂层，耐磨涂层为气相化学生成的TiC涂层。该涂层结构的优点是：a、离子氮化处理除去了基体表面的氧化物，导致渗氮层与基体之间的结合力提高，而且Fe、N、Cr、Ti内扩散层的形成导致界面冶金结合，对结合力有积极作用。b、由于渗氮层的效应，TiN、TiC裂纹的扩展只有在基体界面上才能进行，延长了裂纹移动路径，而且大大增加了TiC、TiN与基体的结合力，增加了有效硬化深度。c、TiN、TiC两者的晶格常数相差不大，是同构互溶性的，从而保证TiC涂层与TiN过渡层的结合以及与基体、渗镀层的结合，而且TiC具有很高的表面硬度值，从而使多层复合涂层具有很高的高速耐磨性能和承载能力。

本发明还提供了一种刀具多层梯度复合涂层的制备方法，其特征是：在同一台设备实现等离子体扩渗与沉积复合技术相结合，利用变换气源(包括渗剂)组成与配比，制备多层复合梯度涂层。该制备方法的优点在于：采用在刀具表面气相沉积高硬度涂层的同时，通过在炉内阴、阳极间加上高压电，气体辉光放电形成所需的等离子体，带有较大能量的等离子体轰击阴极(刀具)表面并渗入工件，引起表面强化层与基体材料间的原子互相渗透、溶为一体，形成高硬度、耐磨梯度功能涂层，改善涂层与基体的结合强度，减少使用过程中由于温度变化引起的热应力，使产品得到优越的性能。等离子体扩渗与气相沉积复合技术与单纯气相沉积技术相比，表面涂层硬度相近而涂层与基体材料的结合力要强得多；本项目技术与单纯等离子体扩渗相比，涂层硬度提高许多。

本发明还提供了多层梯度复合涂层的气源组成，其特征是：选择TiCl₄气体为Ti源，NH₃、N₂气体为TiN的氮源和高速钢的渗氮剂，CH₄、C₂H₂气体为TiC碳源，Ar₂气体为保护性气体。

本发明制备的多层梯度复合涂层，涂层的结合状况较好，涂层由里向外形成了一个渗氮层～4.5μm、TiN层～3.5μm、TiC～2.5μm的梯度层厚。刀具的有效硬化层深度10～12μm，心部硬度大于65HRC，表面硬度为大于1850HV，耐磨性大于普通高速钢的3倍以上。

具体实施方式：

实施例1：

TiCl₄气体为Ti源，NH₃气体为TiN的氮源和高速钢的渗氮剂，CH₄气体为TiC碳源，Ar₂气体为保护性气体。

采用等离子体扩渗与沉积复合技术，通过变换气源组成，在高速钢刀具表面由里向外形成了一个渗氮层～4.5μm、TiN结合层～3.5μm、TiC耐磨涂层～2.5μm的多层梯度复合涂层，刀具的有效硬化层深度10μm，心部硬度大于60HRC，表面硬度为大于1800HV，耐磨性大于普通高速钢的2.5倍以上。

实施例2：

TiCl₄气体为Ti源，N₂气体为TiN的氮源和高速钢的渗氮剂，C₂H₂气体为TiC碳源，Ar₂气体为保护性气体。

采用等离子体扩渗与沉积复合技术，通过变换气源组成，在高速钢刀具表面由里向外形成了一个渗氮层～4.5μm、TiN结合层～3.5μm、TiC耐磨涂层～2.5μm的多层梯度复合涂层，刀具的有效硬化层深度12μm，心部硬度大于65HRC，表面硬度为大于1850HV，耐磨性大于普通高速钢的3倍以上。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1、一种刀具耐磨涂层的制备方法，其特征是：在同一台设备实现等离子体扩渗与沉积复合技术相结合，利用变换气源(包括渗剂)组成与配比，制备多层复合梯度涂层。

2、一种如权利要求1所述的刀具耐磨涂层制备方法，其特征在于：涂层的结构为多层复合梯度涂层，从里往外分别由渗氮层、结合层、耐磨层组成，其中，渗氮层为氮在α-Fe、γ-Fe中的间隙固熔体涂层，结合层为气相化学生成的TiN涂层，耐磨涂层为气相化学生成的TiC涂层。

3、一种如权利要求1和2所述的刀具耐磨涂层制备方法，其原料特征是：选择TiCl₄气体为Ti源，NH₃、N₂气体为TiN的氮源和高速钢的渗氮剂，CH₄、C₂H₂气体为TiC碳源，Ar₂气体为保护性气体。