一種涂覆切削工具及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種涂覆切削工具，包括基材和涂覆層，其特征在于，所述涂覆層包括內層PVD層和外層CVD層，所述CVD為至少一層的TiN層或Ti?B?N層，或多層TiN層和Ti?B?N層交替出現，所述Ti?B?N層中B的含量為8～16at％，所述PVD層和CVD層中間有粘結層，所述粘結層為金屬碳氮氧化合物，所述TiN或Ti?B?N單層結構厚度范圍為0.2nm～150nm，本發明所述的涂覆切削工具采用PVD層和CVD層結合的涂覆技術方案，使得涂覆切削工具不但具有良好的韌性，同時具有高耐磨性和優異的涂層附著力，從而具有較長的使用壽命。
【專利說明】
-種涂覆切削工具及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明設及切削技術領域，特別地，設及是一種涂覆切削工具及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 金屬的現代高生產率的形成切屑加工需要可靠的工具，其具有高的耐磨性、良好 的初性和優異的抗塑性變形性。運可W通過采用涂覆有耐磨涂層的硬質合金 (cementedcarbide)工具來實現。所述硬質合金工具通常為緊固在工具夾持器上的可轉位 刀片形狀，但也可W為整體硬質合金鉆刀或銳刀的形式。
[0003] 通常，涂覆切削工具的涂層通過化學氣相沉積CVD(化emical化por Deposition) 或物理氣相沉積PVD(Physical Vapor Deposition)技術來沉積。在有些少數情況下，也使 用等離子體輔助的化學氣相沉積(PACVD)XVD涂覆的刀片具有高耐磨性和優異的涂層附著 力，而PVD涂覆的刀片在耐磨性和附著力方面表現稍差，但是另一方面具有好得多的初性。 因此，CVD涂覆的刀片優選用于高速車削操作，而PVD涂覆的刀片則用于需要初性的切削操 作如銳削、剖削和鉆削，現有技術中涂覆切削工具的涂層附著力和耐磨性都不是很理想，或 者制備工藝復雜，例如公開號為CN102091923B公開的多層涂覆切削工具，提供一種更加適 用于初性基材的硬質涂層，但制備工藝較為繁瑣，成本較高，不利于批量生產。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種涂覆切削工具，該涂覆切削 工具采用PVD層和CVD層結合，并且在中間設有粘結層W及CVD層采用不同疊層交替設置的 涂覆技術方案，使得涂覆切削工具不但具有良好的初性，還有具有高耐磨性和優異的涂層 附著力，從而具有較長的使用壽命，W解決上述技術問題。
[0005] 本發明可W通過W下技術方案來實現：
[0006] 本發明公開了一種涂覆切削工具，包括基材和涂覆層，所述涂覆層包括內層PVD層 和外層CVD層，所述CVD為至少一層的TiN層或Ti-B-N層，或多層TiN層和Ti-B-N層交替出現， 所述Ti-B-N層中B的含量為8~16at%，所述PVD層和CVD層中間有粘結層，所述粘結層為金 屬碳氮氧化合物，所述TiN或Ti-B-N單層結構厚度范圍為0.2nm~150nm。
[0007] 所述基材為硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化棚或者高速鋼的一種。
[000引所述金屬碳氮氧化合物是鐵、給、錯、銘、鐵-侶合金、給-侶合金、錯-侶合金、銘-侶 合金W及它們的合金所形成的的碳氮氧化合物，粘結層有效的解決了由于PVD層和CVD層結 合時附著力差的問題，從而提高了涂層整體的附著力。
[0009]所述PVD層與CVD層的應力比為0.9~2.5，運個范圍的應力在保證較佳附著力的同 時，能夠確保整體涂層的穩定性，涂層的CVD層采用濕式噴砂處理，涂覆后濕式噴砂步驟包 括氣動地投射液體漿料，W撞擊經過預噴砂的涂層方案的所有表面，該涂覆后濕式噴砂步 驟將外層中的拉伸應力轉換為壓縮應力，并且該涂覆后濕式噴砂步驟還使外涂覆層表面平 滑，外涂層處于輕微拉伸或壓縮狀態，在輕微拉伸的情況下，該涂覆后濕式噴砂步驟進一步 增大外涂覆層的壓縮應力。具體而言，CVD層應力較大且硬度較低，而PVD層應力較小且硬度 較高，在運種情況下，PVD層的高硬度性能彌補CVD層的低硬度性能，并且PVD層的小應力性 能彌補CVD層的大應力性能，因此，CVD層和PVD層彼此彌補對方的薄弱性能，并且與簡單組 合CVD層和PVD層的情況相比，該帶有粘結層結構的涂層表現出更優異的性能，增加了涂層 的穩定性，從而使涂覆切削工具的壽命延長。
[0010] 所述TiN的厚度為Aa，Ti-B-N的厚度為Ab，所述l《AbAa《4,比值隨遠離基材逐漸 增大，Ti-B-N具有較好的抗氧化性，而且具有較低程度的導熱性，使得其不容易將切削時產 生的熱量傳導到基體材料，不同涂層交替設置提高了整個涂覆切削工具的耐熱性，使得涂 覆切削工具在連續切削時的耐磨性提高。λ6/λ3<1，涂層的抗氧化性容易下降，如果AbAa〉 5，則會增加疊層裂紋出現的機率。
[0011] 所述單層結構厚度范圍為0.2nm~150nm，單層的厚度的范圍有效的抑制了涂層表 面裂紋的產生及擴展，并且運個厚度范圍在層數事宜的情況下，不會影響切削速度。
[0012] 所述涂覆層總厚度0.1皿~20μπι，本發明中可W通過切割本發明的涂覆切削工具， 通過掃描電子顯微鏡(沈Μ)和透射電子顯微鏡(ΤΕΜ)分析截面來獲得上述各個層面的厚度 W及整個涂層的厚度。
[0013] -種涂覆切削工具的制備方法，所述方法包括如下步驟：
[0014] (1)選取基材，并進行清潔；
[0015] (2)將PVD層漿料沉積到所述基材上；
[0016] (3)將粘結層沉積在PVD層上；
[0017] (4)在壓力下，通過濕法噴砂將CVD層漿料沉積在粘結層上。
[001引本發明的方法能夠應用于所有的普通PVD技術，例如陰極電弧蒸發、磁控瓣射、高 功率脈沖磁控瓣射化PPMS)、離子鍛等，優選使用陰極電弧蒸發或者磁控瓣射，所述PVD層漿 料是元素 Si、化、Α1和Ti的氮化物。
[0019] 所述PVD層沉積溫度為300~1000°C，PVD沉積的工藝參數具體取決于具體的沉積 裝備、涂層組成等。
[0020] 所述CVD層漿料在0.25~0.40Mpa的壓力下進行噴砂，在濕式噴砂下持續了6~45 秒，濕式噴砂的持續時間隨具體濕式噴砂操作而變化，其中目的是為了使涂層間達到最佳 應力水平，最佳的持續時間范圍是介于約10秒與約18秒之間。
[0021] 本發明具有W下有益效果：
[0022] 本發明提供的一種涂覆切削工具，該涂覆切削工具是采用PVD層和CVD層結合，并 且在中間設有粘結層W及CVD層采用不同疊層交替設置的技術方案，所得涂覆切削工具，不 但具有良好的初性，同時具有高耐磨性和優異的涂層附著力，從而具有較長的使用壽命。本 發明所述PVD層和CVD層中間設置有粘結層，粘結層有效的解決了由于PVD層和CVD層結合時 附著力差的問題，從而提高涂層整體的附著力。
[0023] CVD層采用濕式噴砂步驟，除了能夠平衡各涂層間的最佳應力水平，還可W使外涂 覆層表面平滑，減少涂層表面的摩擦力，使得切削速度進一步增大，提高了加工效率。
[0024] 除了上面所描述的目的、特征和優點之外，本發明還有其它的目的、特征和優點。 下面將對本發明作進一步詳細的說明。
【具體實施方式】
[0025] W下對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可W根據權利要求限定和覆蓋 的多種不同方式實施。
[00%] 實施例1
[0027] -種涂覆切削工具，選取金屬陶瓷作為基材，涂覆層包括內層PVD層和外層CVD層， CVD層為一層的TiN層和一層Ti-B-N，Ti-B-N層中B的含量為9at%，B原子的加入在切削過程 中表面氧化形成的棚氧化物，由于烙點較低，可作為潤滑劑，抑制已切削材料的附著。PVD層 和CVD層中間的粘結層為給-侶合金碳氮氧化合物，所述TiN層單層結構厚度為15nm，AbAa = 1，PVD層與CVD層的應力比為1.2,涂覆層總厚度80nm。
[00%] -種涂覆切削工具的制備方法，所述方法包括如下步驟：
[0029] (1)選取金屬陶瓷作為基材，并進行清潔;將硬質合金裝入陰極電弧離子鍛設備 中，用氣氣對硬質合金表面進行清潔；
[0030] (2)將含有元素 SiXr、Al和Ti的氮化物PVD層漿料沉積到所述基材上，沉積溫度為 600°C，PVD涂層獲得1200MPa的壓縮應力；
[0031] (3)將鐵、給、錯、銘、鐵-侶合金碳氮氧化合物粘結層沉積在PVD層上；
[0032] (4)在0.30Mpa的壓力下，通過濕法噴砂將CVD層漿料沉積在粘結層上，濕式噴砂下 持續了 15秒，獲得的壓縮應力為1 OOOMPa。
[0033] 實施例2~8的涂覆切削工具具體參數W表格的形式列出，制備方法步驟同實施例 1，其他參數具體見表1:
[0034] 表1:實施例2~8所得涂覆切削工具具體的技術參數
[0035]
[0036]
[0037] 由表1可知，粘結力隨著層數增多，逐漸減弱，但是與現有技術中，無粘結層結構的 PVD與CVD結合時，附著力8~10N相比，還是增強了很多，從而增強了涂層整體的穩定性，在 涂覆層數相同的情況下，可W看出采用銘-侶合金碳氮氧化合物作為粘結層時，附著力較 強。當14，比值隨遠離基材逐漸增大，Ti-B-N具有較好的抗氧化性，而且具有較低 程度的導熱性，使得其不容易將切削時產生的熱量傳導到基體材料，不同涂層交替設置提 高了整個涂覆切削工具的耐熱性，使得涂覆切削工具在連續切削時的耐磨性提高，同時也 間接的增加了涂層的附著力。
[003引鉆削試驗：
[0039] 對依照實施例1~8的技術方案所得的涂覆切削工具和現有技術中帶有PVD+(Ti， A1)N涂層的市售鉆具W及EP1939328A1中公開的TiAlCrSiN多層的涂覆層制成鉆具在下述 條件下，進行鉆削試驗，來評價本發明的涂覆切削工具的使用壽命，具體數據件實施例1~ 8，^及現有技術對比例1、2:
[0040] 條件:外徑7mm鉆頭，加工材料為SCM44(KHRC30)，鉆削25mm的盲孔、切削速度90m/ min,進給量0.2mm/轉，W被加工的尺寸精度超出預定范圍之前得到的孔數確定壽命，預定 范圍2000個，評價結果見表2:
[0041 ]表2:本發明和現有技術中的涂覆切削工具壽命評價對照表
[0042]
[0043] 可見，表2表明涂覆層數越多，涂覆工具的壽命越長，層數和壽命基本成正相比例 增長，因此，加工的孔數越多，但在層數相同的情況下，由于各實施例技術方案的差異，壽命 長短略有差別，但是層數也不能無限增多，因為層數的增多，附著力會降低，影響涂層的穩 定性，同時層數的增多會影響切削的速度，由于CVD層應力較大且硬度較低，而PVD層應力較 小且硬度較高，PVD層的高硬度性能彌補CVD層的低硬度性能，并且PVD層的小應力性能彌補 CVD層的大應力性能，因此，CVD層和PVD層彼此彌補對方的薄弱性能。
[0044] 并且，上述表2表明，與現有技術中簡單組合CVD層和PVD層的情況相比，本發明帶 有粘結層結構的涂層明顯表現出更優異的性能，CVD層的不同疊層交替設置提高了整個涂 覆切削工具的耐熱性，使得涂覆切削工具在連續切削時的耐磨性提高，綜上所述，本發明的 涂覆切削工具具有良好的初性、高耐磨性和優異的涂層附著力，同時具有較長的使用壽命。
[0045] W上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技 術人員來說，本發明可W有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種涂覆切削工具，包括基材和涂覆層，其特征在于，所述涂覆層包括內層PVD層和 外層CVD層，所述CVD為至少一層的TiN層或Ti-B-N層，或多層TiN層和Ti-B-N層交替出現，所 述Ti-B-N層中B的含量為8~16at%，所述PVD層和CVD層中間有粘結層，所述粘結層為金屬 碳氮氧化合物，所述TiN或Ti-B-N單層結構厚度范圍為0 · 2nm~150nm〇2. 根據權利要求1所述的一種涂覆切削工具，其特征在于，所述基材為硬質合金、金屬 陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或者高速鋼的一種。3. 根據權利要求1所述的一種涂覆切削工具，其特征在于，所述金屬碳氮氧化合物是 鈦、鉿、鋯、鉻、鈦-鋁合金、鉿-鋁合金、鋯-鋁合金、鉻-鋁合金以及它們的合金所形成的的碳 氮氧化合物。4. 根據權利要求1所述的一種涂覆切削工具，其特征在于，所述PVD層與CVD層的應力比 為0.9~2.5〇5. 根據權利要求1所述的一種涂覆切削工具，其特征在于，所述TiN的單層厚度為λ&， Ti-B-N的單層厚度為Ab，所述1彡Ab/Aa彡4，比值隨遠離基材逐漸增大。6. 根據權利要求5所述的一種涂覆切削工具，其特征在于，所述涂覆層總厚度Ο.?μπι~ 20μπι〇7. 根據權利要求1~6任意一項所述的一種涂覆切削工具的制備方法，所述方法包括如 下步驟： (1) 選取基材，并進行清潔； (2) 將PVD層漿料沉積到所述基材上； (3) 將粘結層沉積在PVD層上； (4) 在0.25~0.40Mpa的壓力下，通過濕法噴砂將CVD層漿料沉積在粘結層上;濕式噴砂 下持續6~45秒，獲得的壓縮應力為800~1800MPa。8. 根據權利要求7所述一種涂覆切削工具的制備方法，其特征在于，所述PVD層漿料是 包含元素 Si、Cr、Al和Ti的氮化物。9. 根據權利要求7所述一種涂覆切削工具的制備方法，其特征在于，所述PVD層沉積溫 度為 300 ~1000°C。10. 根據權利要求7所述一種涂覆切削工具的制備方法，其特征在于，所述PVD涂層具有 1500~2500MPa的壓縮應力。
【文檔編號】B23B5/00GK105965043SQ201610367771
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】不公告發明人
【申請人】湖南細心信息科技有限公司