CN111054940A

CN111054940A - 一种具有涂层的刀具及其制备方法

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Publication number: CN111054940A
Application number: CN202010002862.3A
Authority: CN
Inventors: 陈汪林; 颜安; 王成勇; 江信榕; 伍卫凯; 李炳新
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-01-02
Publication date: 2020-04-24

Abstract

本发明提供了一种具有涂层的刀具，其特征在于，刀具的前刀面表面复合有微织构涂层，所述微织构涂层由微织构和复合于所述微织构表面的涂层组成；距离刀尖200～600μm时，微织构的深度大于0且小于等于2μm，距离刀尖大于600μm时，微织构的深度为5～30μm。本申请通过在刀具的前刀面上制备不同深度的微织构，使微织构涂层刀具具有好的涂层结合力、摩擦磨损性能以及冷却润滑能力。

Description

一种具有涂层的刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及刀具技术领域，尤其涉及一种具有涂层的刀具及其制备方法。

背景技术

近年来，摩擦学研究领域提出了表面织构的概念。表面织构又称表面微织构，已被证明是提高表面摩擦学性能的有效手段。表面织构技术是通过改变材料表面的物理结构来改善材料表面特性的方法，表面织构是具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等图案的点阵。刀具刀面上雕刻微织构，并不影响刀具的力学性能，微织构可存储润滑油和磨屑，降低前刀面的摩擦系数，使得切削力降低10％～30％，显著提高刀具的耐磨性和产品的加工效率。但仅仅微织构刀具还不满足加工需求，由此微织构涂层刀具应运而生。

刀具表面微织构涂层具有高的硬度、好的耐磨性以及好的摩擦磨损性能，微米级微织构虽然摩擦磨损性能好，但是涂层结合力不行，涂层很容易剥落，由此加速刀具寿命减少。因此，微织构涂层刀具同时具有好的涂层结合力和良好的摩擦磨损性能依旧是难点。目前报道的比较多的是同一深度微织构，而不同深度微织构暂时没人报道过。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种具有涂层的刀具，本申请提供的刀具可同时具有较好的涂层结合力、摩擦磨损性能和冷却润滑性能。

有鉴于此，本申请提供了一种具有涂层的刀具，刀具的前刀面表面复合有微织构涂层，所述微织构涂层由微织构和复合于所述微织构表面的涂层组成；距离刀尖200～600μm时，微织构的深度大于0且小于等于2μm，距离刀尖大于600μm时，微织构的深度为5～30μm。

优选的，微织构的间距为150～600nm。

优选的，所述微织构的形貌为圆坑或线型凹槽。

优选的，所述微织构的形貌为圆坑时，所述微织构的直径为70～150μm。

优选的，所述微织构的边界为圆形过渡。

优选的，所述刀具为硬质合金基体的刀具。

本申请还提供了所述的具有涂层的刀具的制备方法，包括以下步骤：

A)将刀具预清洗后加工出不同深度的微织构，以使距离刀尖200～600μm时，微织构的深度大于0且小于等于2μm，距离刀尖大于600μm时，微织构的深度为5～30μm；

B)在所述微织构表面镀膜，得到具有涂层的刀具。

优选的，所述预清洗的方法为：

将所述刀具依次在丙酮和酒精中超声清洗15～20min。

优选的，所述镀膜的方式为PVD镀膜方式。

本申请提供了一种具有涂层的刀具，该刀具的前刀面复合有微织构涂层，微织构的不同深度是根据刀具加工时切屑与前刀面接触的区域而设定的，具体的，不同深度的微织构是根据微织构到刀尖、切削刃的距离而定的，离刀尖刃口越近，微织构的深度为微纳米级，离刀尖刃口越远，微织构的深度越深；离刀尖刃口近端微织构深度较浅具有好的涂层结合力以及抗磨损性，在离刀尖刃口远端微织构深度较深具有好的摩擦磨损性能、存储磨屑的能力同时也具有好的冷却润滑的能力。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的硬质合金块体上不同深度微织构涂层和AlTiN硬质涂层的划痕结合力对比照片；

图2为本发明实施例1制备的硬质合金块体上不同深度微织构涂层和AlTiN硬质涂层的摩擦系数曲线图；

图3为本发明实施例2制备的微织构和微织构图层的微观形貌图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

刀具在进行加工时，刀具前刀面与切屑接触紧密，切屑与前刀面接触的区域分为三个区域，其中第二变形区与前刀面有很强的挤压力和摩擦作用，而第三变形区与刀具前刀面作用不如第二变形区，所以可以根据刀具作用情况，在刀具前刀面上制备不同功能的微织构。

研究表明，微织构的深度是影响微织构涂层刀具性能的重要因素，微织构为微纳(浅)织构的时候可以提高涂层的结合力，但对摩擦磨损性能影响不大；微织构深度较深的时候，涂层结合力得不到保证，但摩擦磨损性能由于微织构可以存储润滑剂和磨屑，在刀具加工时可以在刀面与被加工表面形成一层润滑膜，提高刀具的摩擦磨损性能以及加工质量；换言之，微纳米级微织构具有好的涂层结合力以及好的抗磨性，但在存储磨屑方面没有优势；微米级微织构具有好的摩擦磨损性能，但涂层结合力不好(如图1所示)；而在涂层刀具加工材料时，好的涂层结合力和摩擦磨损性能都是必需的，因此，本申请根据微织构到刀尖、切削刃的距离来调节微织构深度，不仅能有效避免尺寸突变引起的性能突变，还能使材料具有不同特征尺寸的结构相互协调，使不同尺寸结构的性能得到整体的综合和优化。因此，通过控制微织构的不同深度，使不同深度的微织构涂层刀具不仅具有好的涂层结合力还具有好的摩擦磨损性能。

由此，本申请提供了一种具有涂层的刀具，刀具的前刀面表面复合有微织构涂层，所述微织构涂层由微织构和复合于所述微织构表面的涂层组成；距离刀尖200～600μm时，微织构的深度大于0且小于等于2μm，距离刀尖大于600μm时，微织构的深度为5～30μm。

在本申请提供的具有涂层的刀具中，所述涂层具体是微织构涂层，更具体的，所述微织构涂层由微织构和复合于微织构表面的涂层组成；所述涂层为本领域技术人员熟知的涂层，例如：AlCrN、TiAlN、TiN等涂层，所述微织构也为本领域技术人员熟知的点阵，对此本申请没有特别的限制，区别在于，本申请微织构涂层中的微织构的深度是随着距刀尖、切削刃的距离而变化的，且微纳米微织构大大提高了与涂层的结合力，至100N，接近两倍。

不同深度微织构是根据距离刀具刀尖和刀具切削刃的距离而设定的，距离刀尖刃口越近，微织构的深度越浅，为微纳米级别，距离刀尖刃口越远，微织构的深度越深，为微米级，但是微织构并非在刀尖、切削刃开始部分就存在的，微织构如果打到切削刃上，会破环刀具刃口的结构，对刀具产生不利的影响，会增大切屑与切削刃和刀尖的磨损，最小距离是200μm，这个参数可以保证加工的时候，可以快速准确的进行，不至于设置的过小而激光打到切削刃。更具体的，在距离刀尖200～600μm且距离切削刃200～400μm时，微织构的深度大于0且小于等于2μm，即在距刀尖和切削刃的上述范围内，微织构涂层的深度均大于0且小于等于2μm；在距离刀尖大于600μm且距离切削刃大于400μm时，微织构的深度为5～30μm，即在距刀尖和切削刃的上述范围内，微织构的深度均在5～30μm。

在本发明中，具有涂层的刀具的微织构的形貌可以是圆坑，也可以是线型凹槽；微织构深度随着距刀尖、切削刃的距离而发生变化，但是微织构的直径不变，其为70～150μm。微织构的间距为150～600μm；且微织构的边界都是圆形过渡，而不是棱角过渡。所述微织构的作用范围为2～4mm，即最远端的微织构距离刀尖的距离为2～4mm。

本申请对所述具有涂层的刀具中的刀具基体材料没有特别的限制，可以选择本领域技术人员熟知的刀具基体材料；在具体实施例中，所述刀具采用硬质合金刀具。

本申请所述具有涂层的刀具是在刀具的基础上加工出微织构，再采用合适的涂层工艺，制备出微织构涂层刀具；具体的，本申请所述具有涂层的刀具的制备方法，包括以下步骤：

A)将刀具预清洗后在刀具的前刀面加工出不同深度的微织构，以使距离刀尖200～600μm时，微织构的深度大于0且小于等于2μm，距离刀尖大于600μm时，微织构的深度为5～30μm；

B)在所述微织构表面镀膜，得到具有涂层的刀具。

在制备具有涂层的刀具的过程中，本申请首先将刀具进行预清洗，所述预清洗具体为：将所述刀具依次在丙酮和酒精中超声清洗15～20min。

在清洗之后，则在清洗后的刀具的前刀面表面加工出不同深度的微织构，所述微织构的加工按照本领域技术人员熟知的方式进行，对此本申请没有特别的限制。

本申请最后在微织构表面镀膜，以得到具有涂层的刀具。所述镀膜为本领域技术人员熟知的镀膜工艺，可以根据实际需要而在微织构表面镀上不同的涂层，示例的，所述涂层可以为AlCrN、TiAlN、TiN等涂层，对于涂层的选择本申请没有特别的限制。

本发明提供了一种具有涂层的刀具，即刀具的前刀面表面复合有微织构涂层，所述微织构涂层由微织构和复合于所述微织构表面的涂层组成；本申请根据微织构到刀尖、切削刃的距离，调整微织构的尺寸，而使具有微织构涂层的刀具不仅具有良好的涂层结合力，还具有好的摩擦磨损性能和冷却润滑性能。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的具有涂层的刀具进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

将硬质合金块体在酒精和丙酮中各超声清洗15min，吹干，在样品表面加工出1.5μm深、15μm、30μm的圆坑凹坑，然后打开PVD镀膜机，调整PVD沉积工艺参数，分别在不同深度的圆坑微织构表面镀AlTiN硬质涂层。

将硬质合金块体在酒精和丙酮中各超声清洗15min，吹干，打开PVD镀膜机，调整PVD沉积工艺参数，在硬质合金块体表面镀AlTiN硬质涂层。

图1为本实施例制备的硬质合金块体上不同深度微织构涂层和AlTiN硬质涂层划痕结合力对比图；图2为本实施例制备的硬质合金块体上不同深度微织构涂层和AlTiN硬质涂层的摩擦系数曲线图。根据图1和图2可知，不同深度的微织构对摩擦系数影响不同。

实施例2

将硬质合金基体车刀粒在酒精和丙酮中各超声清洗15min，吹干，距离车刀刀尖200μm～600μm区域加工深度为1.5μm内部镶嵌着周期为600nm的微织构；距离车刀刀尖600～1000μm区域加工深度为15μm的微织构；距离车刀刀尖1000～2000μm加工深度为30μm的微织构；然后打开PVD镀膜机，调整PVD沉积工艺参数，在车刀前刀面的不同深度微织构车刀上镀AlTiN硬质涂层。该实施例的微织构如图3的左图，涂层为图3的右图，由图3可知，微织构大大提高了与涂层的结合力，至100N，接近两倍。

实施例3

将硬质合金基体车刀粒在酒精和丙酮中各超声清洗15min，吹干，距离车刀刀尖200μm～600μm区域加工深度为2μm线型凹槽的微织构；距离车刀刀尖600～1000μm区域加工深度为10μm的微织构；距离车刀刀尖1000～2000μm加工深度为30μm的微织构；然后打开PVD镀膜机，调整PVD沉积工艺参数，在车刀前刀面的不同深度微织构车刀上镀AlTiN硬质涂层。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种具有涂层的刀具，其特征在于，刀具的前刀面表面复合有微织构涂层，所述微织构涂层由微织构和复合于所述微织构表面的涂层组成；距离刀尖200～600μm时，微织构的深度大于0且小于等于2μm，距离刀尖大于600μm时，微织构的深度为5～30μm。

2.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于，微织构的间距为150～600nm。

3.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于，所述微织构的形貌为圆坑或线型凹槽。

4.根据权利要求1或3所述的刀具，其特征在于，所述微织构的形貌为圆坑时，所述微织构的直径为70～150μm。

5.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于，所述微织构的边界为圆形过渡。

6.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于，所述刀具为硬质合金基体的刀具。

7.权利要求1所述的具有涂层的刀具的制备方法，包括以下步骤：

B)在所述微织构表面镀膜，得到具有涂层的刀具。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述预清洗的方法为：

将所述刀具依次在丙酮和酒精中超声清洗15～20min。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述镀膜的方式为PVD镀膜方式。