CN111482622B - 一种涂层切削刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涂层切削刀具及其制备方法，涂层切削刀具包括刀具基体和涂覆于刀具基体上的至少一层耐磨涂层，耐磨涂层的总厚度为2μm～25μm，耐磨涂层中至少有一层为Al_xTi_1‑xC_yN_1‑y涂层，0.35≤x≤0.93，0.35≤x+y≤0.95，Al_xTi_1‑xC_yN_1‑y涂层具有(311)晶面择优织构取向，织构系数TC(311)≥1.6。制备方法包括先后制备刀具基体、硬质基底层、Al_xTi_{1‑ x}C_yN_1‑y层和硬质表面层。本发明的涂层切削刀具带有特定生长织构取向的CVD‑TiAlCN涂层，具有优异的耐磨性能和抗高温氧化性能，在铸铁、不锈钢、合金钢等材料的高速加工中具有极优异的性能。

Description

一种涂层切削刀具及其制备方法

技术领域

本发明属于切削刀具涂层制备领域，涉及一种涂层切削刀具及其制备方法，尤其涉及一种带有特定生长织构取向的CVD-TiAlCN涂层的涂层切削刀具及其制备方法。

背景技术

在高速和干式切削成为主流的今天，涂层技术的快速发展对刀具性能的改善和切削加工技术的进步起关键作用，涂层切削刀具已成为现代刀具的重要标志。

CVD常规涂层如TiN、MT-TiCN及Al₂O₃等，是目前刀具表面CVD涂层中应用最广泛的涂层，具有与刀具基体良好的热匹配性及实现高速高效切削加工的耐磨性。而作为主要的耐磨层，MT-TiCN涂层与Al₂O₃涂层组合应用，提供了切削刀片更高的抗后刀面磨损与抗月牙洼磨损性能，同时保证一定的耐热性能。但是MT-TiCN涂层与Al₂O₃涂层耐热性能的明显差异，导致涂层刀片在高速断续切削过程中极易发生热塑性变形，并伴随大量热的作用而造成后刀面不均匀磨损，从而对切削刀尖失去有效支撑，最终造成崩刃。另外，虽然Al₂O₃涂层具有极好的热稳定性，但是脆性也较大，应用于高速断续切削时，刃口要承受极短周期下的重复热冲击作用，极易发生崩刃，Al₂O₃涂层强度不足的因素缩短了涂层刀片的使用寿命。

CVD-AlTiCN是典型的成分改性的涂层，具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小和导热率低等特性。采用CVD方法制备的CVD-Ti_1-xAl_xN涂层虽然可以表现出多种优良特性，但是制备的CVD-Ti_1-xAl_xN涂层中存在较高含量的六方AlN或不定型碳等物相，其对性能产生了不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种带有特定生长织构取向的CVD-TiAlCN涂层、兼具高纳米硬度、优异的耐磨性和抗高温氧化性的涂层切削刀具及其制备方法，实现涂层切削刀具在车削、铣削或钻削中均具有优异的切削性能。

为解决上述技术问题，本发明采用以下方案。

一种涂层切削刀具，包括刀具基体和涂覆于刀具基体上的至少一层耐磨涂层，所述耐磨涂层的总厚度为2μm～25μm，所述耐磨涂层中至少有一层为Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层，其中0.35≤x≤0.93，0.35≤x+y≤0.95，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层具有(311)晶面择优织构取向，织构系数TC(311)≥1.6。

上述的涂层切削刀具，优选的，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层具有面心立方(fcc)晶体结构，所述面心立方晶体结构的占比≥91vol％。

上述的涂层切削刀具，优选的，所述面心立方晶体结构的占比为95vol％～98vol％。

上述的涂层切削刀具，优选的，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层中与所述刀具基体表面平行且距离为h的面内Al_xTi_1-xC_yN_1-y粒子宽度的平均值为d_h，则d_h≤1.5μm。本发明的研究人员惊奇地发现具有TC(311)≥1.6织构取向结构的Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层晶粒宽度要明显低于其它取向结构。

上述的涂层切削刀具，优选的，所述Ti_1-xAl_xC_yN_1-y层的厚度为5μm～15μm，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的纳米硬度≥30GPa。

上述的涂层切削刀具，优选的，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层与所述刀具基体之间还设有硬质基底层，所述硬质基底层的厚度为0.5μm～8μm，优选0.8μm～5μm，更优选1μm～3μm，所述硬质基底层包括TiN层、TiCN层和h-AlN层中的至少一层。

上述的涂层切削刀具，优选的，所述硬质基底层的厚度为0.8μm～5μm。更优选的，所述硬质基底层的厚度为1μm～3μm。

上述的涂层切削刀具，优选的，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的表面还设有硬质表面层，所述硬质表面层的厚度＞1μm，所述硬质表面层包括TiN层、TiC层和TiCN层中的至少一层。

上述的涂层切削刀具，优选的，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层与所述刀具基体之间还设有硬质基底层，所述硬质基底层的厚度为0.5μm～8μm，所述硬质基底层包括TiN层、TiCN层和h-AlN层中的至少一层，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的表面还设有硬质表面层，所述硬质表面层的厚度＞1μm，所述硬质表面层包括TiN层、TiC层和TiCN层中的至少一层。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的涂层切削刀具的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备刀具基体；

(2)采用CVD工艺在所述刀具基体上沉积硬质基底层；

(3)采用低压CVD工艺在所述硬质基底层上沉积Al_xTi_1-xC_yN_1-y层，工艺条件包括：以两路气体管路将反应气体导入涂层炉，其中第一路气体管路中的混合物T1含有0.002vol％～1.0vol％的TiCl₄、0.025vol％～2.0vol％的AlCl₃、0.001vol％～0.7vol％的碳源和76vol％～86vol％的第一载气，所述碳源为乙腈(CH₃CN)、乙烷(C₆H₆)、乙烯(C₂H₄)和乙炔(C₂H₂)中的一种或多种，所述第一载气为氢气和/或氮气，第二路气体管路中的混合物T2含有0.03vol％～8.0vol％的N源和第二载气(T1以及T2中N源气体体积分数之和后的剩余体积分数)，所述N源为NH₃和/或N₂H₄，所述第二载气为氢气和/或氮气，所述混合物T1与混合物T2的体积比为1～10∶1，沉积温度控制在650℃～910℃，沉积压力控制在1mbar～10mbar；

(4)采用CVD工艺在所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y层上沉积硬质表面层。

本发明中，TC(hkl)定义如下：

其中，I(hkl)_i＝(hkl)_i反射的测量强度

I₀(hkl)_i＝根据所应用的JCPDF卡第00-46-1200号的标准粉末衍射数据的(hkl)_i反射的标准强度。

n＝计算中使用的反射的数量(此处：n＝4)

(hkl)_i所使用的的(hkl)_i反射晶面是：(111)、(200)、(220)和(311)。

本发明的涂层可用于钢制工具、硬质材料(包括硬质合金、金属陶瓷和陶瓷等)基体上，本发明的涂层切削工具具有优良的耐磨性能和抗高温氧化性能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明针对TiAlN涂层中Al含量限制问题，采用低压CVD(LPCVD)工艺实现了在切削刀具表面沉积高Al含量且具备TC(311)≥1.6的fcc-TiAlN涂层。

2.本发明的Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层与基体表面平行面内的Al_xTi_1-xC_yN_1-y粒子宽度较小，涂层纳米硬度高达30GP以上，耐磨性能显著提高。

3.本发明的具有TC(311)≥1.6织构取向的Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层晶粒宽度要明显低于其它织构取向的Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层。

4.本发明的涂层切削刀具，具有优异的耐磨性能和抗高温氧化性能，在铸铁、不锈钢、合金钢的高速加工中具有极优异的性能。

5.本发明的制备工艺具有涂层沉积效率高，沉积均匀性好的特点，提高了涂层刀具的生产效率及产品质量稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例2的涂层切削刀具的涂层结构示意图。

图2为本发明实施例1的Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的X射线衍射图谱。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1

一种本发明的涂层切削刀具，包括刀具基体和涂覆在刀具基体上的一层或多层耐磨涂层，其中，一层或多层耐磨涂层具有2μm～25μm的总厚度，且其中至少包括采用化学气相沉积方法(CVD)制备的Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层，0.35≤x≤0.93，0.35≤x+y≤0.95。使用Cuka辐射进行测量，Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层表现出如图2所示的X射线衍射图谱，具有(311)晶面择优织构取向，Al_xTi_1-xC_yN_1-y层织构系数TC(311)≥1.6。

本实施例中，Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层具有面心立方晶体结构，Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层面心立方晶体结构的占比为97％。

本实施例中，刀具基体由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、钢或立方氮化硼等超硬材料制成。

一种本实施例的涂层切削刀具的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Co含量为10％、TaNbC含量为3％、WC粒度为5AWC的混合料粉末经压制、烧结、研磨后，制造出具有ISO标准的SEET12T3-DM所规定的刀片形状的WC-Co硬质合金刀具基体。

(2)为制备可转位涂层切削刀片，在具备低压系统(LPS)的CVD涂层炉中进行涂层，如Bernex BPX530L型CVD涂层设备。气流相对于反应器的纵轴为径向。采用现有的CVD工艺在该刀具基体上沉积硬质基底层TiN层，沉积厚度为1.0μm。

(3)沉积Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层：在硬质基底层TiN层上继续沉积Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层，采用低压CVD工艺，以两路气体管路将反应气体导入涂层炉，两路气体T1和T2预热混合后，在CVD反应器中进行Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的沉积，沉积参数如表1所示。

表1 Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的沉积工艺参数

使用X射线衍射(XRD)方法来确定结晶择优取向，基于θ-2θ测量来测定峰强度。表2为本实施例制备的涂层切削刀片取向检测结果。

表2 Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层取向及半高全宽(FWHM)

涂层编号	TC(111)	TC(200)	TC(220)	TC(311)
					A(本发明)	1.6	0.2	0.4	1.8
B(本发明)	1.9	0.3	0.2	1.6
					C(本发明)	1.6	0.2	0.2	2.0
D(本发明)	0.9	0.5	0.3	2.3

用金刚石锯片沿垂直刀片上下表面方向切断获得包含涂层的垂直截面，经镶样、研磨、抛光后通过SEM来确定涂层各层厚度，如表3所示。采用SEM-EDS分析涂层成分，如表3所示。通过SEM在Ti_1-xAl_xC_yN_1-y层的表层经抛光处理后测量晶粒宽度，确定平均晶粒宽度d_h，结果如表3所示。

表3 Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层成分

本发明的Ti_1-xAl_xC_yN_1-y层典型的厚度大约5μm～15μm，其厚度与沉积时间具有高度的正相关性。

将涂层刀片经抛光处理后进行纳米硬度测试，如表4所示。

表4 Al_xTi_1-xC_yN_1-y层纳米硬度测试结果

性能	A(本发明)	B(本发明)	C(本发明)	D(本发明)
					Hv/GPa	33.6±0.9	31.6±1.0	35.5±1.1	31.4±0.6
E/GPa	533±8	513±10	554±16	527±12

对比切削试验

将按照根据实施例1生产的分别具有本发明的A、B、C、D切削刀具与实施例1具有相同刀具基体的对比涂层刀具H1和H2进行对比切削试验。其中，对比涂层刀具为采用现有CVD工艺涂覆的H1刀具：TiN/MT-TiCN/TiN(总厚度10μm)和H2刀具：TiN/MT-TiCN/Al₂O₃(总厚度15μm)。

将上述切削刀具分别进行如表5中所示的铣削试验。

表5：铣削实验模式

表6：试验结果对比

根据表6，本发明的涂层刀具寿命显著优于对比刀具，显示出了优异的耐磨性能。

实施例2

将按照与实施例1具有相同刀具基体和相同型号的刀具分别为刀具J1和J2，如图1所示。刀具J1和J2采用现有的CVD工艺在该刀具基体上沉积硬质基底层TiN，沉积厚度为1.2μm。再在J1刀具上采用实施例1中的B涂层工艺继续涂覆Ti_1-xAl_xC_yN_1-y层，再在其表面采用现有的CVD工艺继续涂覆硬质表面层TiN涂层，厚度为1.5μm。在J2刀具上采用实施例1中的C涂层工艺继续涂覆Ti_1-xAl_xC_yN_1-y层，再在其表面采用与J1刀具相同的工艺继续涂覆TiN涂层，厚度为1.5μm。

将上述J1、J2刀具与对比实验中的H2分别进行如表7中所示的铣削试验。

表7铣削实验模式

表8：试验结果对比

产品	铣削寿命(min)	磨损V<sub>b</sub>(mm)
			J1(本发明)	80	0.31
J2(本发明)	79	0.39
			H2(对比刀具)	47	0.55

根据表8，本发明的涂层刀具寿命显著优于对比刀具，显示出了优异的耐磨性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种涂层切削刀具，其特征在于，包括刀具基体和涂覆于刀具基体上的至少一层耐磨涂层，所述耐磨涂层的总厚度为2μm～25μm，所述耐磨涂层中至少有一层为Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层，其中0.35≤x≤0.93，0.35≤x+y≤0.95，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层具有(311)晶面择优织构取向，织构系数TC(311)≥1.6。

2.根据权利要求1所述的涂层切削刀具，其特征在于，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层具有面心立方晶体结构，所述面心立方晶体结构的占比≥91vol％。

3.根据权利要求2所述的涂层切削刀具，其特征在于，所述面心立方晶体结构的占比为95vol％～98vol％。

4.根据权利要求1所述的涂层切削刀具，其特征在于，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层中与所述刀具基体表面平行且距离为h的面内Al_xTi_1-xC_yN_1-y粒子宽度的平均值为d_h，则d_h≤1.5μm。

5.根据权利要求1所述的涂层切削刀具，其特征在于，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的厚度为5μm～15μm，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的纳米硬度≥30GPa。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的涂层切削刀具，其特征在于，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层与所述刀具基体之间还设有硬质基底层，所述硬质基底层的厚度为0.5μm～8μm，所述硬质基底层包括TiN层、TiCN层和h-AlN层中的至少一层。

7.根据权利要求6所述的涂层切削刀具，其特征在于，所述硬质基底层的厚度为0.8μm～5μm。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的涂层切削刀具，其特征在于，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的表面还设有硬质表面层，所述硬质表面层的厚度＞1μm，所述硬质表面层包括TiN层、TiC层和TiCN层中的至少一层。

9.根据权利要求1～5中任一项所述的涂层切削刀具，其特征在于，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层与所述刀具基体之间还设有硬质基底层，所述硬质基底层的厚度为0.5μm～8μm，所述硬质基底层包括TiN层、TiCN层和h-AlN层中的至少一层，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的表面还设有硬质表面层，所述硬质表面层的厚度＞1μm，所述硬质表面层包括TiN层、TiC层和TiCN层中的至少一层。

10.一种如权利要求9所述的涂层切削刀具的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备刀具基体；

(2)采用CVD工艺在所述刀具基体上沉积硬质基底层；

(3)采用低压CVD工艺在所述硬质基底层上沉积Al_xTi_1-xC_yN_1-y层，工艺条件包括：以两路气体管路将反应气体导入涂层炉，其中第一路气体管路中的混合物T1含有0.002vol％～1.0vol％的TiCl₄、0.025vol％～2.0vol％的AlCl₃、0.001vol％～0.7vol％的碳源和76vol％～86vol％的第一载气，所述碳源为乙腈、乙烷、乙烯和乙炔中的一种或多种，所述第一载气为氢气和/或氮气，第二路气体管路中的混合物T2含有0.03vol％～8.0vol％的N源和第二载气，所述N源为NH₃和/或N₂H₄，所述第二载气为氢气和/或氮气，所述混合物T1与混合物T2的体积比为1～10∶1，沉积温度控制在650℃～910℃，沉积压力控制在1mbar～10mbar；

(4)采用CVD工艺在所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y层上沉积硬质表面层。

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