CN109852938A - 一种AlTiN-Cu涂层 - Google Patents

Abstract

为了改善粉末合金的硬度、耐磨性，设计了一种AlTiN‑Cu涂层。采用WC‑6Co硬质合金刀片为原料，所制得的AlTiN‑Cu涂层，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。其中，阴极弧离子镀法在硬质合金基体上沉积出组织致密，结合状态良好的涂层，涂层组织呈典型柱状晶结构，Cu在涂层中，主要以金属形式存在，能细化晶粒，提高涂层内应力。AlTiN‑Cu涂层刀具干式切削不锈钢的寿命较普通AlTiN涂层刀寿命提升60%本发明能够为制备高性能的AlTiN‑Cu涂层提供一种新的生产工艺。

Description

一种AlTiN-Cu涂层

所属技术领域

本发明涉及一种粉末冶金材料，尤其涉及一种AlTiN-Cu涂层。

背景技术

涂层是涂料一次施涂所得到的固态连续膜，是为了防护，绝缘，装饰等目的，涂布于金属，织物，塑料等基体上的塑料薄层。涂料可以为气态、液态、固态，通常根据需要喷涂的基质决定涂料的种类和状态。在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。硬质合金刀具性能的两个关键指标-硬度和强度之间总存着矛盾，硬度高的材料强度低，而提高强度往往是以硬度的降低为代价。为了解决硬质合金材料中存在的这种矛盾，更好地提高刀具的切削性能，比较有效的一种方法是采用各种涂层技术在硬质合金基体上涂覆上一层或多层高硬度、高耐磨损性能的材料。硬质合金刀具表面上的涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了硬质合金刀具的月牙洼磨损，可以显著地提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。

高性能的氮化钛与氮铝化钛是常用的硬质合金涂层材料。不同的硬质合金涂层，直接关系着刀具的使用寿命。AlTiN涂层中，.AlTiN晶体薄膜中，Al原子置换TiN中的一部分Ti原子后使晶格发生畸变。晶格畸变度大的涂层，一方面晶界增多，另一方面位错多且不易滑动，从而导致涂层硬度的提高。

发明内容

本发明的目的是为了改善粉末合金的硬度、耐磨性，设计了一种AlTiN-Cu涂层。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

AlTiN-Cu涂层的制备原料包括：WC-6Co硬质合金刀片。

AlTiN-Cu涂层的制备步骤为：将原料按实验设计方案称重、配料，配好后加至阴极弧离子镀设备中进行涂层，涂层工艺参数为：温度450℃，时间90min，压力200MPa。将镀好涂层的硬质合金刀片进行干燥、润湿等处理，然后进行下一步的切削工艺。切削分别采用干切削与湿切削进行是实验，切削速度为200。

AlTiN-Cu涂层的检测步骤为：表面形貌采用SEM观察，元素分布采用EDX分析，物相结构采用X射线衍射仪测量，元素化合状态分析采用X射线光电子能谱仪硬度，采用纳米硬度测试仪测试，晶粒尺寸采用划线法测定，硬度和断裂韧性用压痕法测定和计算。

所述的AlTiN-Cu涂层，采用阴极弧离子镀法在硬质合金基体上沉积出组织致密，结合状态良好的涂层，涂层表面存在液滴缺陷，Cu的加入会导致涂层表面液滴增多。AlTiN涂层组织呈典型柱状晶结构，Cu引入AlTiN涂层后能细化晶粒，提高涂层内应力，降低涂层硬度，晶面取向强度减弱。

所述的AlTiN-Cu涂层，涂层中Al、Cu、Ti等元素均匀分布在涂层表面，Cu在涂层中，主要以金属形式存在。金属Cu有优良的润滑性能，AlTiN-Cu涂层刀具干式切削不锈钢的寿命较普通AlTiN涂层刀寿命提升60%，在湿式切削不锈钢时金属铜产生的自润滑效应不明显，且AlTiN-Cu涂层较AlTiN涂层硬度低，致使湿式切削不锈钢AlTiN-Cu涂层寿命较AlTiN涂层低。

本发明的有益效果是：

采用WC-6Co硬质合金刀片为原料，经过配料、干燥、涂层工艺成功制备了具有优异力学性能的AlTiN-Cu涂层。其中，涂层在硬质合金基体上组织致密，结合状态良好，涂层组织呈典型柱状晶结构，Cu引入AlTiN涂层后能细化晶粒，刀具干式切削不锈钢的寿命较普通AlTiN涂层刀寿命提升60%。所制得的AlTiN-Cu涂层，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的AlTiN-Cu涂层提供一种新的生产工艺。

具体实施方式

实施案例1：

AlTiN-Cu涂层的制备原料包括：WC-6Co硬质合金刀片。AlTiN-Cu涂层的制备步骤为：将原料按实验设计方案称重、配料，配好后加至阴极弧离子镀设备中进行涂层，涂层工艺参数为：温度450℃，时间90min，压力200MPa。将镀好涂层的硬质合金刀片进行干燥、润湿等处理，然后进行下一步的切削工艺。切削分别采用干切削与湿切削进行是实验，切削速度为200。AlTiN-Cu涂层的检测步骤为：表面形貌采用SEM观察，元素分布采用EDX分析，物相结构采用X射线衍射仪测量，元素化合状态分析采用X射线光电子能谱仪硬度，采用纳米硬度测试仪测试，晶粒尺寸采用划线法测定，硬度和断裂韧性用压痕法测定和计算。

实施案例2：

采用阴极弧沉积法能在硬质合金基体上沉积组织致密，结合面良好的AlTiN与AlTiN-Cu涂层。AlTiN涂层的晶粒组织沿垂直于基体的方向生长，并呈典型的柱状晶结构，部分柱状晶贯穿了整个涂层。随着Cu元素的引入，AlTiN涂层晶粒显著细化，涂层组织中柱状晶结构消失，形成纳米晶结构。在沉积过程中，Cu分布在AlTiN晶粒周围，阻碍了晶粒生长，致使柱状晶消失，晶粒明显细化。

实施案例3：

涂层表面均有大固体颗粒出现。阴极弧法制备涂层过程中易引起靶材中粒子的蒸发，出现液滴，液滴随离子一起沉积在硬质合金基体上，造成涂层缺陷。与普通AlTiN涂层相比，AlTiN-Cu涂层表面液滴数量多，颗粒大。一方面可能由于TiAl熔点较高，在Al含量为50%时，TiAl熔点为1300℃，较Cu的熔点高，另一方面Cu的导热性较Al、Ti的好，靶材受热更快，温度更高，在沉积过程中更容易引起靶材中粒子蒸发。Cu的引入使涂层表面出现液滴数量多，且颗粒大。

实施案例4：

涂层表面存在大量液滴缺陷，涂层中Ti、Al、Cu等元素粒子均匀分布在涂层表面，在液滴较多区域不存在单一元素富集情况。AlTiN-Cu涂层中Cu含量为2%。采用纳米压痕法测得AlTiN涂层的硬度为29GPa，AlTiN-Cu涂层的硬度为31GPa，Cu引入后致使涂层硬度略微下降。Cu对AlTiN涂层硬度的影响主要为如下两种机制：一方面Cu的加入细化了涂层晶粒有利于涂层硬度的提升，另一方面起主导作用的是，Cu在AlTiN涂层中以软的金属相形态存在，降低了涂层整体的硬度。

实施案例5：

在涂层中Cu并未形成其他形式化合物。AlTiN-Cu涂层中没有Cu相峰出现，表明Cu主要以非晶金属相结构存在，Cu在TiN-Cu涂层中以非晶金属相形态分布在TiN颗粒周围。AlTiN涂层呈面心立方结构，同时，Cu元素引入，AlTiN涂层面取向减小，呈现明显的生长织构，随着Cu元素的引入，AlTiN峰宽化，表明涂层中晶粒细化与内应力提高。

实施案例6：

在干切削情况下，AlTiN涂层刀具在连续切削9min时涂层的后刀面平均磨损量超过0.2mm，判定涂层失效，而AlTiN-Cu涂层刀具在连续切削13min时涂层后刀面平均磨损量超过0.2mm。AlTiN-Cu涂层刀具较AlTiN涂层刀具的切削寿命提升约60%。Cu引入AlTiN能显著降低涂层后端面磨损量。干式切削条件下，切削温度较高，金属Cu具有较好的润滑性能，显著降低涂层摩擦因数，进而降低接触区域温度，提高刀具的使用寿命。与干式切削相比，刀具的使用寿命显著提高。切削液能带走工件接触区域产生的大量热量，且对工件与刀具有较好的润滑作用，因而能极大地降低切削温度，提升刀具切削寿命。湿式切削时，AlTiN-Cu涂层刀具的切削寿命比AlTiN涂层刀具的低，这是由于在湿式切削不锈钢时金属铜的润滑效果不明显， Cu的加入降低了涂层的硬度，致使涂层切削寿命下降。

Claims (4)

1.AlTiN-Cu涂层的制备原料包括：WC-6Co硬质合金刀片。

2.根据权利要求1所述的AlTiN-Cu涂层，其特征是AlTiN-Cu涂层的制备步骤为：将原料按实验设计方案称重、配料，配好后加至阴极弧离子镀设备中进行涂层，涂层工艺参数为：温度450℃，时间90min，压力200MPa，将镀好涂层的硬质合金刀片进行干燥、润湿等处理，然后进行下一步的切削工艺，切削分别采用干切削与湿切削进行是实验，切削速度为200。

3.根据权利要求1所述的AlTiN-Cu涂层，其特征是AlTiN-Cu涂层的检测步骤为：表面形貌采用SEM观察，元素分布采用EDX分析，物相结构采用X射线衍射仪测量，元素化合状态分析采用X射线光电子能谱仪硬度，采用纳米硬度测试仪测试，晶粒尺寸采用划线法测定，硬度和断裂韧性用压痕法测定和计算。

4.根据权利要求1所述的AlTiN-Cu涂层，其特征是所述的AlTiN-Cu涂层，采用阴极弧离子镀法在硬质合金基体上沉积出组织致密，结合状态良好的涂层，涂层表面存在液滴缺陷，Cu的加入会导致涂层表面液滴增多，AlTiN涂层组织呈典型柱状晶结构，Cu引入AlTiN涂层后能细化晶粒，提高涂层内应力，降低涂层硬度，晶面取向强度减弱，所述的AlTiN-Cu涂层，涂层中Al、Cu、Ti等元素均匀分布在涂层表面，Cu在涂层中，主要以金属形式存在，金属Cu有优良的润滑性能，AlTiN-Cu涂层刀具干式切削不锈钢的寿命较普通AlTiN涂层刀寿命提升60%，在湿式切削不锈钢时金属铜产生的自润滑效应不明显，且AlTiN-Cu涂层较AlTiN涂层硬度低，致使湿式切削不锈钢AlTiN-Cu涂层寿命较AlTiN涂层低。