CN116604057B - 一种复合涂层刀具及其制备方法和应用 - Google Patents
一种复合涂层刀具及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116604057B CN116604057B CN202310873638.5A CN202310873638A CN116604057B CN 116604057 B CN116604057 B CN 116604057B CN 202310873638 A CN202310873638 A CN 202310873638A CN 116604057 B CN116604057 B CN 116604057B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coating
- layer
- sub
- tib
- composite
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 128
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 118
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 58
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 90
- 238000009498 subcoating Methods 0.000 claims abstract description 61
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 42
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 31
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 29
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 25
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 20
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 20
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 15
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 15
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 13
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000997 High-speed steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 3
- 239000011195 cermet Substances 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 abstract description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 22
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 12
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 7
- 229910009043 WC-Co Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 6
- 229910018509 Al—N Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000004584 weight gain Effects 0.000 description 3
- 235000019786 weight gain Nutrition 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- 229910004261 CaF 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/38—Borides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/34—Nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/36—Carbonitrides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
- B23B2228/10—Coatings
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
Abstract
本发明属于机械加工刀具技术领域，具体涉及一种复合涂层刀具及其制备方法和应用，该刀具包括由硬质合金、陶瓷或钢制成的基体，以及基体上面的复合涂层；复合涂层包括第一子涂层和第二子涂层，以及所述第一子涂层和第二子涂层之间设有硼含量由低到高梯度变化的Ti‑B‑N过渡层，Ti‑B‑N过渡层能很好地提高TiB2层与其余涂层间的结合力，解决了CVD制备TiB2涂层难以使用的问题。
Description
技术领域
本发明属于机械加工刀具技术领域，具体为一种复合涂层刀具及其制备方法和应用。
背景技术
钛合金、高温合金、耐热不锈钢等材料广泛应用于航空航天、能源等领域高端装备零部件上，现代切削加工要求高效，追求高速切削；提倡环保，少用或不用冷却液，追求绿色干式切削。钛合金、高温合金、耐热不锈钢等材料切削时与刀具接触的局部温度可达1000℃以上，这些材料在高温下仍具有高强度，并且在切削期间产生碎片式切屑，对刀具产生断续的高切削冲击力，高强度、加工硬化和粘附硬化等材料特性对刀具提出了硬而韧的要求。大部分刀具在切削有色金属和不锈钢等材料时，由于材料与刀具的亲和性（刀具与待切削材料间元素互相渗透、反应）导致加工精度低和刀具损坏。为适应上述加工要求，刀具涂层要求摩擦系数低、涂层结合强度高、耐磨性好、亲和性低、高温抗氧化性好、兼具硬度和韧性。
长期以来国内外涂层刀具的研究和应用主要集中在金属氧化物、氮化物、碳化物等二元涂层材料方面。然而，强共价键结合的特性导致这些涂层要么韧性较差、要么抗氧化物性能较差。近年来为有效解决上述缺点，具有复合结构的多元化金属涂层成为主流研究方向。
评判具有复合结构的多层涂层-复合涂层性能好坏的一个重要指标是涂层结合力的好坏。涂层结合力，是指涂层与涂层之间、及涂层与基体之间的相互粘附能力，也就是将单层涂层从其余涂层中或基体上剥离的难易程度。越难剥离意味着涂层的结合力越好，涂层刀片使用时越能发挥各涂层的特点，使用寿命也更长。涂层结合力问题也是复合涂层首要解决的问题。
上个世纪80年代开始，硼元素掺杂传统涂层的研究就已经开始，得到了一些公认的研究成果：硼元素具有很好的细晶强化作用，它能使涂层晶粒细化从而提高涂层硬度；硼元素与钛、镍、铝等金属的化学反应，使得掺硼涂层有利于有色金属的加工。TiB2涂层具有纳米级晶粒，硬度超过4600HV；与铁基、镍基、钛基等高温合金材料亲和性低，不易产生粘附破坏刀具；摩擦系数低，具有自润滑性，非常适合不使用润滑液的干式切削。但是，TiB2涂层硬而脆，韧性低，难以与其它涂层结合，从而限制了TiB2涂层的应用。
专利CN103060653A中利用磁控溅射的方法使用TiB2靶和Cu靶制备出二硼化钛-铜韧性硬质涂层，该涂层具有高硬度、高韧性的特点，但是在加工有色金属材料时会出现粘刀破坏刀具。专利CN107740043A中利用磁控溅射和射频溅射的方法同时沉积TiB2和CaF2，该方法改善了TiB2涂层的韧性使得掺杂CaF2的TiB2涂层与基体结合良好，但也不可避免的降低了TiB2涂层本身的硬度。并且这些方法使用的都是物理气相沉积技术，不具备化学气相沉积技术涂层的高硬度、高涂层结合力的特点。
由此，目前需要有一种方案来解决现有技术中存在的技术问题。
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复合涂层刀具及其制备方法和应用。
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：
一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具，其中，包括基体和依次设置在所述基体表面的复合涂层；所述复合涂层自基体向外依次包括第一子涂层、Ti-B-N过渡层、第二子涂层TiB2层，所述Ti-B-N过渡层中的硼含量自第一子涂层向第二子涂层方向梯度增加，硼含量在0~50at.%之间变化，且Ti-B-N过渡层表层硼含量不高于所述第二子涂层TiB2层的硼含量，Ti-B-N过渡层硬度在2500~5000HV之间变化；所述Ti-B-N过渡层中的面心立方结构fcc-TiN相自第一子涂层向第二子涂层方向由大于85vol.%含量逐步减小到0，密排六方结构hcp-TiB2相由0含量逐步提高到50vol.%以上；所述第二子涂层TiB2层的物相组成包含密排六方结构hcp-TiB2和非晶相a-TiB，其中hcp-TiB2的体积分数不低于85%、a-TiB体积分数为5~15%。
作为本发明所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述第一子涂层选自TiN、TiC、TiCN、Ti1-xAlxN、Al2O3中的一种或多种。
作为本发明所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述第一子涂层为Ti1-xAlxN，x≥0.7，Ti1-xAlxN的物相组成包含面心立方结构fcc-TiN、面心立方结构fcc-AlN和密排六方结构hcp-AlN，且fcc-AlN的体积分数不低于80%，所述第一子涂层的纳米硬度为2600~3000HV。
作为本发明所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述第二子涂层的纳米硬度为4000~5000HV。
作为本发明所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述复合涂层的总厚度为5.0~20.0μm，优选10~15.0μm；
所述第一子涂层的厚度为3.0~10.0μm，优选为5.0~8.0μm；
所述Ti-B-N过渡层的厚度为0.50~4.0μm，优选为1.0~3.0μm；
所述第二子涂层TiB2层的厚度为1.0~10.0μm，优选为2.0~5.0μm。
作为本发明所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述复合涂层还包括沉积在所述基体表面和所述第一子涂层之间的结合层，所述结合层为TiN、TiC、TiCN中的一种或多种，优选为TiN，结合层厚度为0.1~1.0μm。
作为本发明所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述基体的材料为硬质合金、高速钢、金属陶瓷、聚晶金刚石、立方氮化硼中的一种。
一种上述的复合涂层刀具的制备方法，所述结合层通过采用化学气相沉积技术，在750~1000℃、50~200mbar条件下，以包括TiCl4、N2、H2为原料，在所述基体表面发生化学反应而获得；
和/或所述第一子涂层通过采用化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、AlCl3、NH3、N2、Ar为原料，在所述结合层的表面发生化学反应而获得；
和/或所述Ti-B-N过渡层通过化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、BCl3、N2、Ar为原料，并逐渐增加BCl3的比例，在所述第一子涂层的表面发生化学反应而获得；
和/或所述第二子涂层TiB2层通过化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、BCl3、Ar为原料，在所述过渡层的表面发生化学反应而获得。
一种上述复合涂层刀具用于对钛合金、镍基高温合金、耐热不锈钢中任一种材料进行高速切削或/和干式切削的应用。
本发明的有益效果如下：
1、本发明的复合涂层刀具的复合涂层采用化学气相沉积技术制备而成，复合涂层中的第一子涂层Ti-Al-N涂层，铝含量达到80%时，涂层中仍不会出现hcp-AlN相，本发明制备的Ti-Al-N涂层具有优秀的综合性能，尤其是抗高温氧化性能。
2、本发明制备的具有TiB2涂层且具有高结合力的涂层刀具，采用本发明方法制备TiB2涂层，采用梯度变化的过渡层，使得TiB2涂层有效地与其它涂层结合，为有效地使用TiB2涂层提供了一种方法。提高涂层间的结合力，解决了TiB2涂层由于其硬度高、脆性大的特点而导致的与其它涂层结合困难的技术问题。
3、本发明在沉积形成过渡层Ti-B-N时，通过控制反应气体的流量比，即逐渐增加BCl3的比例，可灵活调整过渡层中硼元素的含量，使过渡层的硼含量呈梯度变化。硼含量梯度变化的Ti-B-N涂层，Ti-B-N晶粒尺寸随硼含量的增加逐渐变小，硬度随硼含量增加而逐渐提高，很好地完成Ti-Al-N粗晶粒、低硬度到TiB2细晶粒、高硬度的过渡。另外，随着硼含量的增加Ti-B-N涂层中逐渐由fcc-TiN晶相占主导转变为由hcp-TiB2晶相主导，从涂层结构上很好地完成Ti-Al-N涂层到TiB2涂层的过渡。硼含量梯度变化的过渡层能实现晶粒尺寸、晶相、硬度方面的梯度变化，能有效衔接两个子涂层，提高涂层结合力。同时，在加工材料时，也能对高频断续的高冲击力起到缓冲作用，提高涂层寿命。
4、由于本发明方法制备Ti-B-N、TiB2涂层温度较高，通常大于700℃，且硼原子半径小，Ti-B-N涂层中的硼原子易扩散至WC-Co基等硬质合金基体内部，形成W3CoB3等脆性相，降低刀具的韧性。因此，本发明在采用CVD方法沉积形成含硼涂层前，先沉积形成其他致密的不含硼涂层（如第一子涂层），可显著减少硼元素向基体扩散。
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为本发明一种复合涂层刀具的剖面结构示意图。
附图标号说明：
10、基体，20、复合涂层，21、结合层，22、第一子涂层，23、Ti-B-N过渡层，24、第二子涂层。
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。
本发明提供一种带涂层的切削刀具及其制备方法，通过多种合金元素的掺杂，形成多元涂层体系，提高了刀具的硬度、自润滑、能耐高温氧化性能，也提高了涂层结合力。
如图1所示，一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具，包括基体10和依次设置在所述基体表面的复合涂层20；所述复合涂层20自基体向外依次包括第一子涂层22、Ti-B-N过渡层23、第二子涂层24，第二子涂层24为TiB2层，所述Ti-B-N过渡层中的硼含量自第一子涂层向第二子涂层方向梯度增加，硼含量在0~50at.%之间变化，且Ti-B-N过渡层表层硼含量不高于所第二子涂层TiB2层的硼含量，Ti-B-N过渡层硬度在2500~5000HV之间变化；所述Ti-B-N过渡层中的面心立方结构fcc-TiN相自第一子涂层向第二子涂层方向由大于85vol.%含量逐步减小到0，密排六方结构hcp-TiB2相由0含量逐步提高到50vol.%以上；所述第二子涂层TiB2层的物相组成包含密排六方结构hcp-TiB2和非晶相a-TiB，其中hcp-TiB2的体积分数不低于85vol.%、a-TiB体积分数为5~15vol.%。
优选地，所述第一子涂层选自TiN、TiC、TiCN、Ti1-xAlxN、Al2O3中的一种或多种。
优选地，所述第一子涂层为Ti1-xAlxN，x≥0.7，Ti1-xAlxN的物相组成包含面心立方结构fcc-TiN、面心立方结构fcc-AlN和密排六方结构hcp-AlN，且fcc-AlN的体积分数不低于80vol.%，所述第一子涂层的纳米硬度为2600~3000HV。
优选地，所述第二子涂层的纳米硬度为4000~5000HV。
优选地，所述复合涂层的总厚度为5.0~20.0μm，优选10~15.0μm。
优选地，所述第一子涂层的厚度为3.0~10.0μm，优选为5.0~8.0μm。
优选地，所述Ti-B-N过渡层的厚度为0.50~4.0μm，优选为1.0~3.0μm。
优选地，所述第二子涂层TiB2层的厚度为1.0~10.0μm，优选为2.0~5.0μm。
优选地，所述复合涂层还包括沉积在所述基体表面和所述第一子涂层之间的结合层，所述结合层为TiN、TiC、TiCN中的一种或多种，优选为TiN，结合层厚度为0.1~1.0μm。
优选地，所述基体的材料为硬质合金、高速钢、金属陶瓷、聚晶金刚石、立方氮化硼中的一种。
一种上述的复合涂层刀具的制备方法，所述结合层通过采用化学气相沉积技术，在750~1000℃、50~200mbar条件下，以包括TiCl4、N2、H2为原料，在所述基体表面发生化学反应而获得；
和/或所述第一子涂层通过采用化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、AlCl3、NH3、N2、Ar为原料，在所述结合层的表面发生化学反应而获得；
和/或所述Ti-B-N过渡层通过化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、BCl3、N2、Ar为原料，并逐渐增加BCl3的比例，在所述第一子涂层的表面发生化学反应而获得；
和/或所述第二子涂层TiB2层通过化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、BCl3、Ar为原料，在所述过渡层的表面发生化学反应而获得。
一种上述复合涂层刀具刀具用于对钛合金、镍基高温合金、耐热不锈钢中任一种材料进行高速切削或/和干式切削的应用。
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
基体采用WC-Co基硬质合金，结合层为TiN，第一子涂层为Ti0.17Al0.83N，过渡层为Ti-B-N涂层、硼含量在0~50at.%之间，第二子涂层为TiB2。复合涂层的结构为：TiN+Ti0.17Al0.83N+Ti-B-N+TiB2。复合涂层刀具通过以下步骤S1-S4制得，以下各涂层均采用化学气相沉积技术（CVD）制备：
S1：制备结合层TiN，沉积温度850℃，沉积压力90mbar，反应材料包括TiCl4、N2、H2，各反应材料的纯度大于99%，沉积时间100min，涂层厚度0.6μm；
S2：制备第一子涂层Ti0.17Al0.83N，沉积温度800℃，沉积压力10mbar，反应材料包括H2、TiCl4、AlCl3、NH3、N2、Ar，各反应材料的纯度大于99%，沉积时间150min，涂层厚度5μm；
S3：制备过渡层Ti-B-N层，沉积温度850℃，沉积压力60mbar，反应材料包括H2、TiCl4、BCl3、NH3、N2、Ar，各反应材料的纯度大于99%，BCl3流量逐步提高，且BCl3最大流量小于制备第二子涂层时BCl3的流量，沉积时间100min，涂层厚度1.2μm；
S4：制备第二子涂层TiB2，沉积温度850℃，沉积压力60mbar，反应材料包括H2、TiCl4、BCl3、Ar，各反应材料的纯度大于99%，沉积时间200min，涂层厚度3.0μm。
实施例2
基体采用WC-Co基硬质合金，涂层结构为：TiN+Ti-B-N+TiB2。结合层TiN参照实施例1中步骤S1实施；Ti-B-N层参照实施例1中步骤S3实施；TiB2层参照实施例1中步骤S4实施。
对比例1
基体采用WC-Co基硬质合金，涂层结构为：TiN+Ti0.17Al0.83N+TiB2。结合层TiN参照实施例1中步骤S1实施；Ti0.17Al0.83N层参照实施例1中步骤S2实施；TiB2层参照实施例1中步骤S4实施。
对比例2
基体采用WC-Co基硬质合金，涂层结构为：TiN+TiB2。结合层TiN参照实施例1中步骤S1实施；TiB2层参照实施例1中步骤S4实施。
对本发明实施例1-2制备的涂层以及对比例1-2制备的涂层进行检测对比，检测方式以及检测结果如下所示。
硬度的检测方法如下：涂层沉积后用直径为20mm的轴承钢球在涂层表面对磨20秒，研磨时加入金刚石研磨剂，将基体表面抛光成镜面。然后采用TTX-NHT2型纳米压痕仪（奥地利安东帕公司）测试磨痕处涂层的硬度（放大100倍），压针为金刚石玻氏压头（Berkovich），最大载荷20mN，加载速率40mN/min，卸载速率为40mN/min，保压时间5秒，为了消除基体对硬度的影响，压入深度小于涂层总厚度的1/10。共测量20个不同点的硬度，取平均值为涂层的硬度。
结合强度的检测方法如下：采用瑞士CSM公司生产的REVETEST划痕测试仪测量涂层与基体的结合强度。划痕试验法是用一个直径约200微米的半球形金刚石压头在涂层表面上滑动，在此过程中通过自动加载机构连续增加垂直载荷L，当L达到其临界载荷Lc时，涂层与基体开始剥离，涂层和基体之间的界面临界载荷Lc即压头完全划透涂层并使之从其基体上连续剥离所需要的最小载荷；同时，压头与涂层和基体的摩擦力F相应发生变化。此时，涂层会产生声发射，通过传感器获取划痕时的声发射信号、载荷的变化量、切向力的变化量，经放大处理，输入计算机经A/D转换将测量结果绘制成图形，在声发射信号-载荷曲线上临界载荷值Lc处对应得出声发射峰，此时临界载荷Lc即为涂层与基体结合强度的判据。测试参数为：线性加载，加载载荷200N，加载速率99N/min，划痕速度5mm/min，划痕长度5mm。
氧化增重的测试方法如下：将样品置于马弗炉中在空气气氛下加热至1000℃，保温1h，然后将样品取出在空气中冷却至室温。采用精度为0.1mg的高精度电子天平称量样品氧化前后的重量，计算样品的氧化增重。
摩擦系数测试参照国际标准ASTM G99-2017进行测试。
表1
从表1的检测结果可以看出，以硼含量梯度变化的Ti-B-N层作为过渡层，复合涂层的结合强度均超过100N，说明复合涂层中TiB2层与其余各子涂层间结合很好，有效解决了CVD制备TiB2涂层的使用问题；复合涂层中含有Ti-Al-N层，其1000℃氧化1h增重很少，说明复合涂层具有很好的高温抗氧化性能。
以下对通过本发明实施例1-2和对比例1-2制备得到的切削刀具的切削性能进行试验，分别进行使用寿命和磨损量两方面的测试。
其中，试验条件如下：
刀具：WC-Co硬质合金可转位铣刀（型号：XNMU 070508-MM4）
加工材料：不锈钢316L
切削参数：
切削速度：VC=220m/min
进给：fz=0.25mm/z
切深：ap=1.0mm
切削宽度：ae=80%刀盘直径
切削方式：干切
切削不同时间后，刀片后刀面的磨损量VB（单位mm）测量结果见表2，刀片后刀面磨损量采用带刻度标尺的OLYMPUS SZ61光学超景深显微镜测量。
表2
从表2的对比来看，以硼含量梯度变化的Ti-B-N层作为过渡层，复合涂层的使用寿命是不含Ti-B-N过渡层的2倍以上，且切削过程中没有涂层剥落，表明本发明提供的切削刀具在耐磨性和刀具使用寿命上具有明显优势。
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)
1.一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具，其特征在于，包括基体和依次设置在所述基体表面的复合涂层；所述复合涂层自基体向外依次包括第一子涂层、Ti-B-N过渡层、第二子涂层TiB2层，所述Ti-B-N过渡层中的硼含量自第一子涂层向第二子涂层方向梯度增加，硼含量在0~50at.%之间变化，且Ti-B-N过渡层表层硼含量不高于所述第二子涂层TiB2层的硼含量，Ti-B-N过渡层硬度在2500~5000HV之间变化；所述Ti-B-N过渡层中的面心立方结构fcc-TiN相自第一子涂层向第二子涂层方向由大于85vol.%含量逐步减小到0，密排六方结构hcp-TiB2相由0含量逐步提高到50vol.%以上；所述第二子涂层TiB2层的物相组成包含密排六方结构hcp-TiB2和非晶相a-TiB，其中hcp-TiB2的体积分数不低于85vol.%、a-TiB体积分数为5~15vol.%；
所述第一子涂层为Ti1-xAlxN，其中，x≥0.7，Ti1-xAlxN的物相组成包含面心立方结构fcc-TiN、面心立方结构fcc-AlN和密排六方结构hcp-AlN，且fcc-AlN的体积分数不低于80vol.%，所述第一子涂层的纳米硬度为2600~3000HV；
所述第二子涂层的纳米硬度为4000~5000HV；
所述复合涂层的总厚度为5.0~20.0μm，所述第一子涂层的厚度为3.0~10.0μm，所述Ti-B-N过渡层的厚度为0.50~4.0μm，所述第二子涂层TiB2层的厚度为1.0~10.0μm。
2.根据权利要求1所述的复合涂层刀具，其特征在于，所述复合涂层的总厚度为10~15.0μm，所述第一子涂层的厚度为5.0~8.0μm，所述Ti-B-N过渡层的厚度为1.0~3.0μm，所述第二子涂层TiB2层的厚度为2.0~5.0μm。
3.根据权利要求2所述的复合涂层刀具，其特征在于，所述复合涂层还包括沉积在所述基体表面和所述第一子涂层之间的结合层，所述结合层为TiN、TiC、TiCN中的一种或多种，结合层厚度为0.1~1.0μm。
4.根据权利要求1所述的复合涂层刀具，其特征在于，所述基体的材料为硬质合金、高速钢、金属陶瓷、聚晶金刚石、立方氮化硼中的一种。
5.一种权利要求1-2、4中任一项所述的复合涂层刀具的制备方法，其特征在于，所述第一子涂层通过采用化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、AlCl3、NH3、N2、Ar为原料，在所述基体表面发生化学反应而获得；和/或所述Ti-B-N过渡层通过化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、BCl3、N2、Ar为原料，并逐渐增加BCl3的比例，在所述第一子涂层的表面发生化学反应而获得；和/或所述第二子涂层TiB2层通过化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、BCl3、Ar为原料，在所述过渡层的表面发生化学反应而获得。
6.一种权利要求3所述的复合涂层刀具的制备方法，其特征在于，所述结合层通过采用化学气相沉积技术，在750~1000℃、50~200mbar条件下，以包括TiCl4、N2、H2为原料，在所述基体表面发生化学反应而获得；和/或所述第一子涂层通过采用化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、AlCl3、NH3、N2、Ar为原料，在所述结合层的表面发生化学反应而获得；和/或所述Ti-B-N过渡层通过化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、BCl3、N2、Ar为原料，并逐渐增加BCl3的比例，在所述第一子涂层的表面发生化学反应而获得；和/或所述第二子涂层TiB2层通过化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条件下，以包括H2、TiCl4、BCl3、Ar为原料，在所述过渡层的表面发生化学反应而获得。
7.权利要求1-4中任一项所述的复合涂层刀具用于对钛合金、镍基高温合金、耐热不锈钢中任一种材料进行高速切削或/和干式切削的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310873638.5A CN116604057B (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 一种复合涂层刀具及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310873638.5A CN116604057B (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 一种复合涂层刀具及其制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116604057A CN116604057A (zh) | 2023-08-18 |
| CN116604057B true CN116604057B (zh) | 2023-10-20 |
Family
ID=87680415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310873638.5A Active CN116604057B (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 一种复合涂层刀具及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116604057B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117926215B (zh) * | 2024-03-25 | 2024-06-07 | 赣州澳克泰工具技术有限公司 | 一种具有cvd涂层的刀具及其制备方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101524904A (zh) * | 2008-03-07 | 2009-09-09 | 山高刀具公司 | 分层涂覆的切削工具 |
| CN102021516A (zh) * | 2009-09-02 | 2011-04-20 | 三菱综合材料株式会社 | 表面被覆切削工具 |
| CN104131250A (zh) * | 2014-07-25 | 2014-11-05 | 广东工业大学 | 一种梯度成分设计的纳米复合刀具涂层及其制备方法 |
| CN105142831A (zh) * | 2013-02-21 | 2015-12-09 | 住友电工硬质合金株式会社 | 表面被覆切削工具及其制造方法 |
| CN109652763A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-04-19 | 艾瑞森表面技术（苏州）股份有限公司 | 一种适用于硬质合金刀片的周期性多层涂层及其制备方法 |
| CN109852938A (zh) * | 2017-11-30 | 2019-06-07 | 沈阳东青科技有限公司 | 一种AlTiN-Cu涂层 |
| CN114196940A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-18 | 赣州澳克泰工具技术有限公司 | 一种复合涂层刀具及其制备方法和应用 |
| CN114592166A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-06-07 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 含梯度复合结构的硬质涂层刀具及其制备方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080102296A1 (en) * | 2006-10-26 | 2008-05-01 | Farshad Ghasripoor | Erosion resistant coatings and methods of making |
| US9994958B2 (en) * | 2016-01-20 | 2018-06-12 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp. | Coating, cutting tool, and method of manufacturing coating |
-
2023
- 2023-07-17 CN CN202310873638.5A patent/CN116604057B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101524904A (zh) * | 2008-03-07 | 2009-09-09 | 山高刀具公司 | 分层涂覆的切削工具 |
| CN102021516A (zh) * | 2009-09-02 | 2011-04-20 | 三菱综合材料株式会社 | 表面被覆切削工具 |
| CN105142831A (zh) * | 2013-02-21 | 2015-12-09 | 住友电工硬质合金株式会社 | 表面被覆切削工具及其制造方法 |
| CN104131250A (zh) * | 2014-07-25 | 2014-11-05 | 广东工业大学 | 一种梯度成分设计的纳米复合刀具涂层及其制备方法 |
| CN109852938A (zh) * | 2017-11-30 | 2019-06-07 | 沈阳东青科技有限公司 | 一种AlTiN-Cu涂层 |
| CN109652763A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-04-19 | 艾瑞森表面技术（苏州）股份有限公司 | 一种适用于硬质合金刀片的周期性多层涂层及其制备方法 |
| CN114196940A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-18 | 赣州澳克泰工具技术有限公司 | 一种复合涂层刀具及其制备方法和应用 |
| CN114592166A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-06-07 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 含梯度复合结构的硬质涂层刀具及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116604057A (zh) | 2023-08-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114196940B (zh) | 一种复合涂层刀具及其制备方法和应用 | |
| US6797369B2 (en) | Cemented carbide and cutting tool | |
| CN116604057B (zh) | 一种复合涂层刀具及其制备方法和应用 | |
| KR20070110318A (ko) | 초경합금 및 절삭 공구 | |
| WO2011002008A1 (ja) | サーメットおよび被覆サーメット | |
| JPWO2009017053A1 (ja) | Ｔｉ基サーメットおよび被覆サーメット並びに切削工具 | |
| CN114672786B (zh) | 一种耐高温氧化、自润滑的多层涂层刀具及其制备方法 | |
| JP5765627B2 (ja) | 耐久性に優れる被覆工具およびその製造方法 | |
| CN116162917B (zh) | 一种多层涂层刀具及制备方法 | |
| JP5851826B2 (ja) | 高温下での耐塑性変形性に優れる切削工具用ｗｃ基超硬合金および被覆切削工具ならびにこれらの製造方法 | |
| JP4731645B2 (ja) | 超硬合金および被覆超硬合金とその製造方法 | |
| KR100305315B1 (ko) | 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구 및 그 제조방법 | |
| CN111893457A (zh) | 一种涂层切削刀具及其制备方法 | |
| JP5004145B2 (ja) | サーメットおよび被覆サーメット並びにそれらの製造方法 | |
| CN109562461A (zh) | 耐熔敷崩刀性及耐剥离性优异的表面包覆切削工具 | |
| CN115786875A (zh) | 一种具有增强韧性和耐磨性的涂层及其制备方法与应用 | |
| JP4069749B2 (ja) | 荒加工用切削工具 | |
| JPH10237650A (ja) | Ｗｃ基超硬合金およびその製造方法 | |
| CN103114233B (zh) | 一种涂层梯度硬质合金刀具材料 | |
| JP4077739B2 (ja) | 表面被覆Ｔｉ基サーメット製切削工具およびその製造方法 | |
| JPH11335870A (ja) | 炭窒化チタン・酸化アルミニウム被覆工具 | |
| CN114836754B (zh) | 一种带涂层的切削工具及其制备方法 | |
| JPH06330321A (ja) | 被覆硬質合金部材 | |
| JPH0768623B2 (ja) | 表面被覆超硬合金 | |
| JP2002194474A (ja) | 炭化タングステン系超硬基複合材料焼結体 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |