CN116904961B - 一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械加工刀具技术领域，具体涉及一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具及其制备方法，刀具包括刀具基体和涂覆在刀具基体上的涂层；所述涂层至少包含通过中温CVD方法在刀具基体上从内到外交替沉积的一层微米柱状晶MT‑TiCN层和一层纳米等轴晶MT‑TiBxCyNzOw层，其中，x+y+z+w=1，0＜x≤0.1，0.5≤y≤0.9，0.1≤z≤0.5，0＜w≤0.1。本发明周期性涂层的结构细化了MT‑TiCN涂层晶粒，增加了裂纹扩展路径，因此本发明的涂层具有较高的韧性和耐磨性，能显著提高刀具的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于机械加工刀具技术领域，具体为一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具及其制备方法。
背景技术
为满足提高生产效率的需求，现代机械加工领域对刀具的性能提出了更高的要求。硬质合金刀具表面涂层对提升刀具性能有着至关重要的作用。刀具用CVD涂层普遍采用“TiN/TiCN/TiAlOCN/α-Al2O3/TiN”这种复合涂层结构。其中，TiCN涂层采用中温化学气相沉积（MT-CVD）方法制备，是刀具CVD涂层的重要功能层之一，具有良好的抗后刀面磨损能力，TiCN涂层晶粒通常为粗大的柱状晶，硬度和耐磨性有待提高，且柱状结构容易导致裂纹沿直线贯穿至基体。
自上世纪90年代MT-TiCN涂层（中温化学气相沉积方法制备的TiCN涂层）在市场上运用以来，为提高涂层耐磨性和刀具寿命，细化MT-TiCN涂层晶粒，一直是CVD硬质合金涂层的研究热点。公开号为CN103506640A的中国专利公开了一种硼掺杂细化TiCN涂层的晶粒度的方法。该方法在CVD制备涂层过程中，在反应气体中通入适量的BCl3，将硼元素掺入TiCN涂层内。所制备的TiBCN涂层硬度和耐磨性得到了显著提高，同时也提升了涂层切削刀具的切削性能。然而，硼掺杂的TiBCN涂层存在应力较大，涂层结合力降低的缺点。此外，由于硼元素较轻，容易扩散到基体表面产生有害的CoWB相。公开号为CN104099580A的中国专利涉及一种通过在TiCN工艺气体中掺入不同量的碳氢化合物气体，制备晶粒尺寸为50~150nm的微米柱状晶MT-TiCN的方法。碳掺杂的TiCN涂层具有较细的晶粒度、较高的硬度以及较低的摩擦系数，能显著提升切削工具的耐磨性和抗冲击性。不当的碳掺杂量容易导致膜基界面处不连续杂质相的形成，从而导致膜基结合力降低。此外，碳氢化合物气体的裂解很容易导致反应室内壁及石墨舟皿表面附着碳颗粒，引起碳污染。公告号为CN100549222C的中国专利提供了一种通过采用CO、CO2、ZrCl4或AlCl3掺杂来有效细化MT-TiCN涂层晶粒尺寸的方法。该方法甚至可以获得纳米等轴晶结构的涂层。该发明的MT-TiCN涂层具有更高的耐磨性和韧性，尤其适合于塑性金属如不锈钢的切削加工。但纳米级别的MT-TiCN硬度反而会降低，且由于过多的晶界，容易产生晶界滑移，导致涂层耐磨性反而不好。可见，虽然通过元素掺杂可调控MT-TiCN涂层成分和晶粒度，提高涂层硬度和耐磨性，但是各种元素掺杂方法也存在一定的缺陷，且涂层硬度的提高不可避免的会导致涂层韧性的下降，在切削过程中容易产生微小崩口，导致涂层刀具过早失效。
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具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具及其制备方法，特别是涉及一种具有增强韧性和耐磨性的MT-TiBxCyNzOw涂层工具及其制备方法。
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：
一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具，包括刀具基体和涂覆在刀具基体上的涂层；
所述涂层至少包含通过中温CVD方法在刀具基体上从内到外交替沉积的一层微米柱状晶MT-TiCN层和一层纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层，其中，x+y+z+w=1，0＜x≤0.1，0.5≤y≤0.9，0.1≤z≤0.5，0＜w≤0.1。
作为本发明所述的一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具的优选方案，其中：微米柱状晶MT-TiCN层和纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层之间含有一层B和O元素含量呈梯度变化的过渡层。
作为本发明所述的一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具的优选方案，其中：所述过渡层的厚度为0.01~0.02μm，所述过渡层中的O和B元素含量从MT-TiCN层到其相邻的MT-TiBxCyNzOw层呈现梯度递增变化。
作为本发明所述的一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具的优选方案，其中：所述交替沉积的次数为2~7次。
作为本发明所述的一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具的优选方案，其中：所述单层纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层的厚度小于0.5μm，所述单层微米柱状晶MT-TiCN层的厚度为0.5~5.0μm。
作为本发明所述的一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具的优选方案，其中：所述MT-TiBxCyNzOw层的纳米等轴晶的平均晶粒度小于100nm，所述MT-TiCN层的微米柱状晶的平均晶粒度为0.3~2.0μm。
作为本发明所述的一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具的优选方案，其中：所述微米柱状晶MT-TiCN层的显微硬度不低于25Gpa。
作为本发明所述的一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具的优选方案，其中：所述刀具基体的材料为硬质合金、钛基碳氮化物或陶瓷材料，所述涂层总厚度为1~30μm。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具的制备方法，所述微米柱状晶MT-TiCN层在800~950℃、50~200mbar条件下，以TiCl4、N2、H2和CH3CN为前驱体，通过中温CVD方法制备得到；所述纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层在800~950℃、50~200mbar条件下，以TiCl4、BCl3、N2、H2、CO和CH3CN为前驱体，通过中温CVD方法制备得到。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具及其制备方法，刀具包括刀具基体和涂覆在刀具基体上的涂层；所述涂层至少包含通过中温CVD方法在刀具基体上从内到外交替沉积的一层微米柱状晶MT-TiCN层和一层纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层，其中，x+y+z+w=1，0＜x≤0.1，0.5≤y≤0.9，0.1≤z≤0.5，0＜w≤0.1。本发明周期性涂层的结构细化了MT-TiCN涂层晶粒，增加了裂纹扩展路径，因此本发明的涂层具有较高的韧性和耐磨性，能显著提高刀具的使用寿命。
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为本发明实施例1的刀具的涂层及裂纹传播路径图；
图2为对比例1的刀具的MT-TiCN涂层及裂纹传播路径图。
附图标号说明：
1-第一涂层，2-第二涂层，3-第三涂层，4-第四涂层，5-第五涂层，6-基体。
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。
本发明提供一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具及其制备方法，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具，包括刀具基体和涂覆在刀具基体上的涂层；
所述涂层至少包含通过中温CVD方法在刀具基体上从内到外交替沉积的一层微米柱状晶MT-TiCN层和一层纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层，其中，x+y+z+w=1，0＜x≤0.1，0.5≤y≤0.9，0.1≤z≤0.5，0＜w≤0.1。纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层的存在，打破了微米柱状晶MT-TiCN层的生长，迫使其重新形核长大，起到了抑制晶粒长大的作用。与此同时，被打断的MT-TiCN层的柱状结构有利于增加裂纹传播的路径。本发明的涂层具有较高的韧性和耐磨性，能显著提高刀具的使用寿命。
优选的，为改善涂层之间的结合力，微米柱状晶MT-TiCN层和纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层之间含有一层B和O元素含量呈梯度变化的过渡层。
优选的，所述过渡层的厚度为0.01~0.02μm，所述过渡层中的O和B元素含量从MT-TiCN层到其上方的MT-TiBxCyNzOw层呈现梯度递增变化。
优选的，所述交替沉积的次数为2~7次。
优选的，所述单层纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层的厚度小于0.5μm，所述单层微米柱状晶MT-TiCN层的厚度为0.5~5.0μm。
优选的，所述MT-TiBxCyNzOw层的纳米等轴晶的平均晶粒度小于100nm，所述MT-TiCN层的微米柱状晶的平均晶粒度为0.3~2.0μm。
优选的，所述微米柱状晶MT-TiCN层的显微硬度不低于25Gpa。
优选的，所述刀具基体的材料为硬质合金、钛基碳氮化物或陶瓷材料，所述涂层总厚度为1~30μm。
优选的，所述涂层例如可以由基体向外依次分布五层，第一涂层是厚度为0.1~2.5μm的底层；第二涂层为至少包含通过中温CVD方法在刀具基体上从内到外交替沉积的一层微米柱状晶MT-TiCN层和一层纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层的涂层，厚度为1~15μm；第三涂层为TiAlOCN涂层，厚度为0.1~2.5μm；第四涂层为α-Al2O3涂层，厚度为1~15μm；第五涂层是厚度为0.1~2.5μm的顶层着色层。
优选的，所述第一涂层和第五涂层为TiN涂层、TiC涂层或TiCN涂层，优选为TiN涂层。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具的制备方法，所述微米柱状晶MT-TiCN层在800~950℃、50~200mbar条件下，以TiCl4、N2、H2和CH3CN为前驱体，通过中温CVD方法制备得到；所述纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层在800~950℃、50~200mbar条件下，以TiCl4、BCl3、N2、H2、CO和CH3CN为前驱体，通过中温CVD方法制备得到。
优选的，所述TiAlOCN涂层以TiCl4、N2、H2、CH4、CO、CO2和AlCl3为前驱体，在900~1000℃、50~500 mbar条件下，通过化学反应制备。
优选的，所述α-Al2O3涂层以H2、AlCl3和CO2为前驱体，以H2S为催化剂，在900~1010℃、50~200mbar条件下，通过化学反应制备。
优选的，使用湿喷砂或抛光对涂层进行后处理，使得涂层表面粗糙度Ra≤0.7μm。
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
通过CVD技术在硬质合金可转位刀片WNMG 080408E刀片上依次涂覆至少5层涂层（如图1所示，为方便作图及展示效果，图中仅展示第二涂层2的部分组成结构），刀片基体6组分为10%的Co，1.7%的立方碳化物以及余量的WC，5层涂层的总厚度约为16μm，包括第一涂层1（TiN涂层、约0.5μm），第一涂层2（微米柱状晶MT-TiCN层和纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层交替5次形成的涂层、共约9μm）、第三涂层3（TiAlOCN涂层、约0.5μm）、第四涂层4（α-Al2O3涂层、约5μm）和第五涂层5（TiN涂层、约0.5μm）。
各涂层的制备工艺参数如表1所示。
表1
对比例1
通过CVD技术在硬质合金可转位刀片WNMG 080408E刀片上依次涂覆至少5层涂层（如图2所示），刀片基体6组分为10%的Co，1.7%的立方碳化物以及余量的WC，5层涂层的总厚度约为16μm，包括第一涂层1（TiN涂层、约0.5μm），第一涂层2（单层柱状晶MT-TiCN涂层、共约9μm）、第三涂层3（TiAlOCN涂层、约0.5μm）、第四涂层4（α-Al2O3涂层、约5μm）和第五涂层5（TiN涂层、约0.5μm）。
各涂层的制备工艺参数如表2所示。
表2
在涂层性能方面，通过钢件的车削，对实施例1的刀具和对比例1的刀具进行钢件连续和断续切削对比实验。切削实验1相关信息如下：
操作：连续车削
工件：圆柱件
材料：合金钢
刀片类型：WNMG 080408E
切削速度：350 m/min
进给：0.3 mm/rev
切深：2.0 mm
湿式切削
切削4min、8min、12min和16min后的磨损量VB（单位mm）测量结果见表3。
表3
切削实验2相关信息如下：
操作：断续车削
工件：开槽圆柱件
材料：合金钢
刀片类型：WNMG 080408E
切削速度：250 m/min
进给：0.3 mm/rev
切深：2.0 mm
湿式切削
切削4min、9min、14min和18min后的磨损量VB（单位mm）测量结果见表4。
表4
结合图1-图2中的裂纹传播路径（图中箭头所指涂层中的延伸线条）以及实验1和实验2可以看出，本发明的涂层切削刀片增加了裂纹扩展路径提高了刀具的耐崩性，与对比例1的刀片相比，本发明的刀片无论在钢件的连续车削还是断续车削，皆使得刀片寿命得到了提高。
本发明刀具包括刀具基体和涂覆在刀具基体上的涂层；所述涂层至少包含通过中温CVD方法在刀具基体上从内到外交替沉积的一层微米柱状晶MT-TiCN层和一层纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层，其中，x+y+z+w=1，0＜x≤0.1，0.5≤y≤0.9，0.1≤z≤0.5，0＜w≤0.1。本发明周期性涂层的结构细化了MT-TiCN涂层晶粒，增加了裂纹扩展路径，因此本发明的涂层具有较高的韧性和耐磨性，能显著提高刀具的使用寿命。
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 (6)
1.一种具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具，其特征在于，包括刀具基体和涂覆在刀具基体上的涂层；
所述涂层至少包含通过中温CVD方法在刀具基体上从内到外交替沉积的一层微米柱状晶MT-TiCN层和一层纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层，其中，x+y+z+w=1，0＜x≤0.1，0.5≤y＜0.9，0.1≤z＜0.5，0＜w≤0.1；
所述交替沉积的次数为2~7次；单层所述纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层的厚度小于0.5μm，单层所述微米柱状晶MT-TiCN层的厚度为0.5~5.0μm；所述MT-TiBxCyNzOw层的纳米等轴晶的平均晶粒度小于100nm；所述MT-TiCN层的微米柱状晶的平均晶粒度为0.3~2.0μm。
2.根据权利要求1所述的具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具，其特征在于，微米柱状晶MT-TiCN层和纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层之间含有一层B和O元素含量呈梯度变化的过渡层。
3.根据权利要求2所述的具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具，其特征在于，所述过渡层的厚度为0.01~0.02μm。
4.根据权利要求2所述的具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具，其特征在于，所述过渡层中的O和B元素含量从MT-TiCN层到其相邻的MT-TiBxCyNzOw层呈现梯度递增变化。
5.根据权利要求1所述的具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具，其特征在于，所述微米柱状晶MT-TiCN层的显微硬度不低于25Gpa。
6.一种权利要求1-5任一项所述的具有增强韧性和耐磨性的涂层刀具的制备方法，其特征在于，所述微米柱状晶MT-TiCN层在800~950℃、50~200mbar条件下，以TiCl4、N2、H2和CH3CN为前驱体，通过中温CVD方法制备得到；所述纳米等轴晶MT-TiBxCyNzOw层在800~950℃、50~200mbar条件下，以TiCl4、BCl3、N2、H2、CO和CH3CN为前驱体，通过中温CVD方法制备得到。
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