CN117758206A - 硬质合金带锯条及其制作方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种硬质合金带锯条及其制作方法和应用，以解决现有技术中刀具涂层无法满足硬质合金带锯条高速切削加工铝合金工况的技术问题。硬质合金带锯条包括基体及设置于基体表面的复合涂层，复合涂层包括交替设置的ZrYN层和TiB2层，复合涂层的最内层为ZrYN层，最外层为TiB2层。该硬质合金带锯条在高速锯切铝合金的过程中，不仅能够有效缓解被加工材料与带锯条之间的黏合与附着，还提供优异的涂层结合强度与高温抗氧化性能，适合铝合金锯切加工的高速断续切削的工况，使用寿命长且断面质量优。
Description
技术领域
本申请涉及硬质合金带锯条技术领域，特别是涉及一种硬质合金带锯条及其制作方法和应用。
背景技术
硬质合金带锯条是制造业中应用最为广泛的铝合金切断工具之一，具有切削效率高、断面质量优以及节能节材等优点。硬质合金带锯条切断铝合金的典型切削工况为对1709mm×3910mm的大尺寸铝合金板进行锯切，线速度高达1500m/min～3000m/min，切削效率要求达到1400cm2/min，切削过程仅使用少量油雾润滑降温；并且硬质合金带锯条由于自身特殊的柔性带状特征，表现出独有的多刃振动切削的特性，与化学气相沉积、物理气相沉积涂层的刚性刀具切削工况具有极大差异，因而对涂层各项性能都提出了更加严苛的要求。目前的刀具涂层并不适用于硬质合金带锯条高速切削加工铝合金的工况。
发明内容
本发明提供了一种硬质合金带锯条及其制作方法和应用，以解决现有技术中刀具涂层无法满足硬质合金带锯条高速切削加工铝合金工况的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
本发明的第一方面，提供了一种硬质合金带锯条，包括基体及设置于所述基体表面的复合涂层，所述复合涂层包括交替设置的ZrYN层和TiB2层，所述复合涂层的最内层为所述ZrYN层，最外层为所述TiB2层。
进一步地，所述ZrYN层中各元素的原子百分含量为：Zr为40％～70％，Y为1％～20％，N为10％～60％。
进一步地，所述TiB2层中各元素的原子百分含量为：Ti为20％～40％，B为60％～80％，且各元素的原子百分含量之和为100％。
进一步地，所述ZrYN层的厚度为100nm～1000nm，所述TiB2层的厚度为100nm～1000nm；所述复合涂层的厚度为1.0μm～6.0μm。
进一步地，所述ZrYN层与所述TiB2层的厚度比为5∶1～25。
进一步地，所述复合涂层还包括ZrN层，所述ZrN层位于所述复合涂层的最内侧，设置于所述基体与所述ZrYN层之间。
进一步地，所述ZrN层中各元素的原子百分含量为：Zr为40％～90％，N为10％～60％，且各元素的原子百分含量之和为100％。
进一步地，所述ZrN层中自所述基体由内至外Zr的原子百分含量递减，N的原子百分含量递增。
进一步地，所述ZrN层的厚度为0.5μm～2.0μm。
进一步地，所述基体包括带体和形成于所述带体上的锯齿，所述复合涂层设置于所述锯齿的表面上。
本发明的第二方面，提供了上述硬质合金带锯条的制作方法，包括以下步骤：将所述基体进行预处理，在预处理后的所述基体表面先后交替沉积所述ZrYN层和所述TiB2层，即得到所述硬质合金带锯条。
进一步地，所述步骤中在交替沉积所述ZrYN层和所述TiB2层之前，还包括在所述基体的表面沉积ZrN层。
本发明的第三方面，还提供了上述硬质合金带锯条在铝合金加工中的应用。
本发明提供的硬质合金带锯条，在基体表面交替设置ZrYN层和TiB2层的复合涂层，形成周期性的多层涂层结构，且靠近基体表面设置ZrYN层，复合涂层的最外侧设置TiB2层；其中ZrYN层和TiB2层都具有优异的高温抗氧化性能，ZrYN层的硬度相对于TiB2层低，且韧性更佳，ZrYN层和TiB2层形成软硬交替的分布周期性的多层结构，韧性显著提升，能够适用于在硬质合金带锯条高速锯切铝合金的高温以及振动切削工况。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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获得其他的附图。
图1为本发明实施例2中硬质合金带锯条表面复合涂层的结构示意图；
图2为本发明实施例1至4、对比例1至6的硬质合金带锯条对同尺寸铝合金板的锯切结果图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
本申请实施例的第一方面，提供一种硬质合金带锯条，包括基体及设置于基体表面的复合涂层，复合涂层包括交替设置的ZrYN层和TiB2层，复合涂层的最内层为ZrYN层，最外层为TiB2层。
硬质合金带锯条切断铝合金的典型切削工况为对1709mm×3910mm的大尺寸铝合金板进行锯切，线速度高达1500m/min～3000m/min，切削效率要求达到1400cm2/min，切削过程仅使用少量油雾润滑降温；并且硬质合金带锯条由于自身特殊的柔性带状特征，表现出独有的多刃振动切削的特性，与化学气相沉积、物理气相沉积涂层的刚性刀具切削工况具有极大差异，因而对涂层与基体之间的结合强度、耐磨减摩性能及高温热稳定性都提出了更加严苛的要求。
TiB2涂层具有高熔点(～3100℃)、良好导热性和导电性、高硬度、高耐磨性及强耐腐蚀性等优异理化性能；且TiB2涂层刀具与铝合金、铜等有色金属间化学亲和力低，切削加工时粘附少，不产生积屑瘤和冷焊。但是TiB2涂层自身存在残余应力过大、韧性差以及与刀具基体结合强度差等固有缺陷，因此用于铝合金加工的TiB2涂层刀具的实际切削寿命存在显著波动性。对于铝合金、钛合金等有色金属的加工，如何使TiB2涂层扬长避短是刀具发挥更好性能的关键。
本申请实施例在硬质合金带锯条的基体表面交替设置ZrYN层和TiB2层的复合涂层，形成周期性的多层涂层结构，且靠近基体表面设置ZrYN层，复合涂层的最外侧设置TiB2层；ZrYN层通过晶格畸变产生固溶强化，表现出硬度上的提升，同时提升了涂层的高温抗氧化性能与韧性；TiB2涂层具有高熔点、高硬度、耐磨减摩以及化学性能稳定的特点，尤其是与铝合金等有色金属间化学亲和力低。ZrYN层和TiB2层都具有优异的高温抗氧化性能，ZrYN层的硬度相对于TiB2层低，且韧性更佳。
通过交替沉积ZrYN层和TiB2层，构建软硬交替的周期性多层结构，韧性显著提升，可以有效增强涂层整体的韧性与抗裂纹扩展能力，在组合ZrYN层和TiB2层各自性能优势的同时，还可以规避TiB2涂层自身存在残余应力过大、韧性差以及与基体结合强度差等固有缺陷，让硬质合金带锯条在高速锯切铝合金的过程中，不仅能够有效缓解被加工材料与带锯条之间的黏合与附着，还提供优异的涂层结合强度与高温抗氧化性能，适合铝合金锯切加工的高速断续切削的工况，使用寿命长且断面质量优。
具体地，ZrYN层中各元素的原子百分含量为：Zr为40％～70％，Y为1％～20％，N为10％～60％。TiB2层中各元素的原子百分含量为：Ti为20％～40％，B为60％～80％，且各元素的原子百分含量之和为100％。ZrYN层的厚度为100nm～1000nm，TiB2层的厚度为100nm～1000nm；复合涂层的厚度为1.0μm～6.0μm。ZrYN层的厚度与TiB2层的厚度的比值为5∶1～25。
另一些实施例中，复合涂层还包括ZrN层，ZrN层位于复合涂层的最内侧，设置于基体与ZrYN层之间。
本申请实施例中，ZrN涂层作为与基体表面直接结合的基层，一方面为ZrYN层、TiB2层交替层与硬质合金基体之间的性能过渡，保证涂层与带锯条之间的结合强度；另一方面，ZrN层作为硬质涂层，硬度分布范围适中，与硬质合金基体具有优良的结合性，且化学稳定性好，具有良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨性能，即使在切削过程中ZrYN层、TiB2层交替层出现失效或局部剥落的问题，ZrN层参与铝合金的高速锯切，其自身的性能依旧能够对硬质合金带锯条提供保护，延迟或者避免带锯条的急剧失效，使其更适合于硬质合金带锯条高速锯切铝合金的工况。
具体地，ZrN层中各元素的原子百分含量为：Zr为40％～90％，N为10％～60％，且各元素的原子百分含量之和为100％。ZrN层的厚度为0.5μm～2.0μm。
进一步地，ZrN层中自基体由内至外Zr的原子百分含量递减，N的原子百分含量递增。本申请实施例中上述涂层成分中原子百分含量的变化，使ZrN层实现从金属层到硬质涂层的性能过渡，有利于提升涂层与基体之间的结合强度。
一些实施例中，基体包括带体和形成于带体上的锯齿，复合涂层设置于锯齿的表面上。其中，锯齿的材料为切削工具用的硬质合金，带体的材料包括弹簧钢。可以理解地，带锯条切削铝合金使用锯齿部分，故复合涂层设置于硬质合金的表面上。
本申请实施例的第二方面，提供了上述硬质合金带锯条的制作方法，包括以下步骤：将基体进行预处理，在预处理后的基体表面先后交替沉积ZrYN层和所述TiB2层，即得到硬质合金带锯条。进一步地，步骤中在交替沉积ZrYN层和TiB2层之前，还包括在基体的表面沉积ZrN层。
本申请实施例的硬质合金带锯条的制作方法，工艺简单，设备硬件投入小，生产成本可控。通过该方法制备的硬质合金带锯条能够显著延长使用寿命，可以满足高速锯切铝合金过程中对效率、质量与寿命的多种需求。
本申请实施例的第三方面，提供了硬质合金带锯条在铝合金加工中的应用。针对于铝合金加工的实际工况，硬质合金带锯条在高速锯切铝合金的过程中，不仅能够有效缓解被加工材料与带锯条之间的黏合与附着，还提供优异的涂层结合强度与高温抗氧化性能，适合铝合金锯切加工的高速断续切削的工况，使用寿命长且断面质量优。
下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细地描述。
实施例1
一种硬质合金带锯条，包括基体及设置于基体表面的复合涂层，复合涂层包括自基体由内至外交替设置的ZrYN层和TiB2层，复合涂层的最内层为ZrYN层，最外层为TiB2层。
ZrYN层中各元素的原子百分含量为：Zr为37％，Y为15％，N为48％。TiB2层中各元素的原子百分含量为：Ti为32％，B为68％。每一交替的ZrYN层和TiB2层的厚度为600nm，交替沉积单元的数量为6个。各交替沉积单元的ZrYN层和TiB2层的厚度之比为1∶2。功能层的总厚度为3.6μm。
上述硬质合金带锯条的制作方法，包括以下步骤：
1、将54mm规格1.4/2.0TPI硬质合金带锯条，经过喷砂刃口钝化、超声波清洗、真空烘干后装夹进炉，加热抽真空并通过离子源对硬质合金带锯条表面进行Ar+H2(90％的99.999％纯度氩气与10％的99.999％纯度氢气)离子刻蚀，得到硬质合金带锯条的基体。
2、在硬质合金带锯条基体上采用物理气相沉积，首先加热至450℃并抽真空，涂层炉真空室真空度为5×10-3Pa，通入99.999％纯度的氮气以及99.999％纯度的氩气，保持总气压为0.6Pa，氮气与氩气的流量比为1∶5，以高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)模式运行99.99％纯度ZrY靶；保持总气压为0.6Pa，只通入99.999％纯度的氩气，以HiPIMS模式运行99.9％纯度TiB2靶。ZrY靶与TiB2靶交替运行。HiPIMS电源平均功率恒定为3.0kW，峰值电压-600V，频率恒为500Hz，脉冲宽度分别为50μs。使用同步脉冲偏压-100V，脉冲宽度200μs。
在基体上交替沉积ZrYN层和TiB2层为1个交替沉积单元，交替沉积单元的厚度为600nm，交替沉积单元的数量为6个，各交替沉积单元的ZrYN层和TiB2层的厚度之比为1∶2，最外层为TiB2层。
涂层制作过程结束后，降温冷却出炉，对硬质合金带锯条进行后处理，获得硬质合金带锯条成品。
实施例2
一种硬质合金带锯条，包括基体及设置于基体表面的复合涂层，复合涂层包括自基体由内至外依次排列的基层和功能层，基层为ZrN层，功能层为交替设置的ZrYN层和TiB2层。带锯条的复合涂层结构参照图1。
ZrN层中各元素的原子百分含量自基体表面由内而外：Zr从90％过渡至40％，N从10％过渡至60％。基层的厚度为1.5μm。
ZrYN层中各元素的原子百分含量为：Zr为37％，Y为15％，N为48％。TiB2层中各元素的原子百分含量为：Ti为32％，B为68％。每一交替的ZrYN层和TiB2层的厚度为600nm，交替沉积单元的数量为6个。各交替沉积单元的ZrYN层和TiB2层的厚度之比为1∶2。功能层的总厚度为3.6μm。
上述硬质合金带锯条的制作方法，包括以下步骤：
1、将54mm规格1.4/2.0TPI硬质合金带锯条，经过喷砂刃口钝化、超声波清洗、真空烘干后装夹进炉，加热抽真空并通过离子源对硬质合金带锯条表面进行Ar+H2(90％的99.999％纯度氩气与10％的99.999％纯度氢气)离子刻蚀，得到硬质合金带锯条的基体。
2、在硬质合金带锯条基体上采用物理气相沉积，首先加热至450℃并抽真空，涂层炉真空室真空度为5×10-3Pa，通入99.999％纯度的氮气以及99.999％纯度的氩气，保持总气压为0.6Pa，氮气与氩气的流量比从1∶10逐渐过渡至1∶5，以高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)模式运行99.99％纯度Zr靶，HiPIMS电源平均功率恒定为3.0kW，峰值电压-600V，频率恒为500Hz，脉冲宽度分别为50μs。使用同步脉冲偏压-50V，脉冲宽度200μs。
关闭Zr靶，总气压以及氮气、氩气流量比保持不变，以HiPIMS模式运行99.99％纯度ZrY靶；保持总气压为0.6Pa，只通入99.999％纯度的氩气，以HiPIMS模式运行99.9％纯度TiB2靶。ZrY靶与TiB2靶交替运行。HiPIMS电源平均功率恒定为3.0kW，峰值电压-600V，频率恒为500Hz，脉冲宽度分别为50μs。使用同步脉冲偏压-100V，脉冲宽度200μs。在ZrN层上，交替沉积ZrYN层和TiB2层为1个交替沉积单元，交替沉积单元的厚度为600nm，交替沉积单元的数量为6个，各交替沉积单元的ZrYN层和TiB2层的厚度之比为1∶2，最外层为TiB2层。
涂层制作过程结束后，降温冷却出炉，对硬质合金带锯条进行后处理，获得硬质合金带锯条成品。
实施例3
本实施例与实施例2基本相同，区别仅在于：在ZrN层上，交替沉积ZrYN层和TiB2层为1个交替沉积单元，交替沉积单元的厚度为300nm，交替沉积单元的数量为12个。
实施例4
本实施例与实施例2基本相同，区别仅在于：各交替沉积单元的ZrYN层和TiB2层的厚度之比为2:1。
对比例1
本对比例的硬质合金带锯条基体材质、规格均与实施例2相同，区别在于，使用HiPIMS模式制备TiB2单层结构涂层(各元素原子百分含量为：Ti为32％，B为68％)，涂层厚度5.2μm。
对比例2
本对比例的硬质合金带锯条基体材质、规格均与实施例2相同，区别在于，使用HiPIMS模式制备ZrN单层结构涂层(各元素原子百分含量为：Zr为50％，N为50％)，涂层厚度5.3μm。
对比例3
本对比例的硬质合金带锯条基体材质、规格均与实施例2相同，区别在于，使用HiPIMS模式制备ZrYN单层结构涂层(各元素原子百分含量为：Zr为37％，Y为15％，N为48％)，涂层厚度5.2μm。
对比例4
本对比例的硬质合金带锯条基体材质、规格均与实施例2相同，区别在于功能层中只有ZrYN层(各元素原子百分含量为：Zr为37％，Y为15％，N为48％)，涂层厚度5.3μm。
对比例5
本对比例的硬质合金带锯条基体材质、规格均与实施例2相同，区别在于功能层中只有TiB2层(各元素原子百分含量为：Ti为32％，B为68％)，涂层厚度5.2μm。
对比例6
本对比例的硬质合金带锯条基体材质、规格均与实施例2相同，但基体表面没有涂层。
将实施例1至4及对比例1至5的硬质合金带锯条的表面复合涂层分别进行力学性能测试，结果参见表1。
表1硬质合金带锯条涂层性能测试结果
由表1可知，在涂层厚度相近的情况下，实施例2与实施例3的纳米压痕硬度、硬度与有效弹性模量比值、结合强度相对于对比例1至5表现出显著提升，这说明实施例2、3的硬质合金带锯条涂层能够实现硬度、韧性、结合强度的协同改善。实施例1中硬质合金带锯条的基体表面上只交替沉积了ZrYN层和TiB2层，结果显示无ZrN基层的复合涂层与基体的结合强度较差。实施例4中硬质合金带锯条的复合涂层各交替沉积单元的ZrYN层厚度大于TiB2层的厚度，结果显示复合涂层除弹性模量之外，其他性能均较差，可见TiB2层在复合涂层的硬度方面贡献很大，而ZrYN层使带锯条表现出韧性上的提升。
将实施例1至4的硬质合金带锯条与对比例1至6的硬质合金带锯条，分别对1709×3910mm的大尺寸铝合金板进行锯切，线速度2300m/min，切削效率要求达到1400cm2/min，锯切结果见图2。由图2可以看出，实施例1至3硬质合金带锯条的锯切面积远大于对比例1至6硬质合金带锯条的锯切面积，实施例4的锯切面积相对于对比例也有所提升，可见本申请的复合涂层能够避免带锯条因磨损而快速失效，提高了带锯条的使用寿命。
本申请硬质合金带锯条在锯齿表面先后设置ZrN层作为基层、ZrYN/TiB2层作为功能层，通过成分与微结构设计，不仅能够有效缓解被加工材料与刀具之间的黏合与附着，还提供优异的涂层结合强度与高温抗性能，更加适合铝合金锯切加工的高速断续切削的工况，表现出显著的切削面积提升。
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 (12)
1.一种硬质合金带锯条，其特征在于：包括基体及设置于所述基体表面的复合涂层，所述复合涂层包括交替设置的ZrYN层和TiB2层，所述复合涂层的最内层为所述ZrYN层，最外层为所述TiB2层。
2.根据权利要求1所述的硬质合金带锯条，其特征在于，所述ZrYN层中各元素的原子百分含量为：Zr为40％～70％，Y为1％～20％，N为10％～60％。
3.根据权利要求1所述的硬质合金带锯条，其特征在于，所述TiB2层中各元素的原子百分含量为：Ti为20％～40％，B为60％～80％，且各元素的原子百分含量之和为100％。
4.根据权利要求1所述的硬质合金带锯条，其特征在于，所述ZrYN层的厚度为100nm～1000nm，所述TiB2层的厚度为100nm～1000nm；所述复合涂层的厚度为1.0μm～6.0μm。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的硬质合金带锯条，其特征在于，所述复合涂层还包括ZrN层，所述ZrN层位于所述复合涂层的最内侧，设置于所述基体与所述ZrYN层之间。
6.根据权利要求5所述的硬质合金带锯条，其特征在于，所述ZrN层中各元素的原子百分含量为：Zr为40％～90％，N为10％～60％，且各元素的原子百分含量之和为100％。
7.根据权利要求6所述的硬质合金带锯条，其特征在于，所述ZrN层中自所述基体由内至外Zr的原子百分含量递减，N的原子百分含量递增。
8.根据权利要求5所述的硬质合金带锯条，其特征在于，所述ZrN层的厚度为0.5μm～2.0μm。
9.根据权利要求1至4任意一项所述的硬质合金带锯条，其特征在于，所述基体包括带体和形成于所述带体上的锯齿，所述复合涂层设置于所述锯齿的表面上。
10.权利要求1至9任意一项所述的硬质合金带锯条的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述基体进行预处理，在预处理后的所述基体表面先后交替沉积所述ZrYN层和所述TiB2层，即得到所述硬质合金带锯条。
11.根据权利要求10所述的硬质合金带锯条的制作方法，其特征在于，所述步骤中在交替沉积所述ZrYN层和所述TiB2层之前，还包括在所述基体的表面沉积ZrN层。
12.权利要求1至9任意一项所述的硬质合金带锯条在铝合金加工中的应用。
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| CN202311839737.8A CN117758206A (zh) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | 硬质合金带锯条及其制作方法和应用 |
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