一種涂層切削刀具及其制作方法

一種涂層切削刀具及其制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種涂層切削刀具及其制作方法，該涂層切削刀具包括基體和基體上涂覆的單層或多層涂層；所述涂層為（Ti1-aMea）X涂層，其中，Me為化學元素Al、Cr、Zr、Si、Hf、Nb、W和Ta的其中一種或幾種，X為化學元素N、C、O和B的其中一種或幾種，a在0.2到0.6之間，涂層的總厚度為1μm至8μm之間，涂層在室溫下的納米硬度H在32GPa至42GPa之間。本發明通過使用Ti基（Ti1-aMea）X涂層為主要功能層，含有特定的固溶金屬元素Me，使其擁有獨特的結晶方式及結晶形態，從而能大幅改善涂層切削工具的耐磨性和抗沖擊性的平衡性，提高切削加工的刀具或刀片壽命。
【專利說明】一種涂層切削刀具及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及涂層切削工具，特別是涉及一種涂層切削刀具及其制作方法。
【背景技術】
[0002]干式切削及高速加工是近年來切削技術發展的主要方向，干式切削由于其良好的環境親和性，高速切削由于能提高加工效率和降低成本，在切削加工中的應用越來越廣泛，但由于它們的切削過程中產生大量的熱，造成刀具刃部溫度劇烈升高，因而對刀具材料的特性特別是表面涂層材料提出了更苛刻的要求。
[0003]工具上常用的TiN涂層因其較低的抗氧化溫度及低硬度已經無法滿足切削加工技術持續發展的需求。TiN涂層在600°C以上易氧化生成TiO2，在涂層應力作用下導致氧化層剝落使涂層失效。與TiN涂層相比，后續開發出的TiAlN涂層由于Al的加入，Al原子置換TiN中部分的Ti原子形成TiAlN固溶體，高溫下Al元素向表面擴散形成一層致密的Al2O3保護膜，可明顯提高涂層的高溫抗氧化性和高溫硬度。當涂層中的鋁含量超過某一臨界值時，結晶的穩定性變差，其晶體由Bl-NaCl型面心立方結構變為B4-ZnS型六方結構，面心立方結構的TiAlN涂層具有良好的綜合性能，而轉變為六方結構后機械性能將會急劇變差。
[0004]CN101200797A公開了一種切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層，其特征是:納米多層涂層由TiN層、(Tix，Alh)N、(Tiy，Al1JN和(Tix，Al1J N交替沉積在硬質合金基體上組成，其中，0.5 < X < 1，0.3 < y < 0.5，涂層總的厚度控制在2?6um，TiN層厚度控制在2?8nm，(Tix, Al1J N單層厚度控制在I?5nm，(Tiy, Al1J N單層厚度控制在I?5nm。多層涂層中由于引入了 TiN，在高溫條件下可能會引起整體性能的降低。
[0005]CN101318230A公開了一種帶涂層的硬質合金切削刀具刀片，所述涂層為均勻的AlxTih層，其中x=0.6-0.67。涂層厚度為1.211111至3.611111。其涂層中的Al含量過高，高溫相變后會引起某些加工過程中刃口抗沖擊能力的下降。
[0006]JP3003986公開了一種切削刀片，涂層包括TiAIN，TiAlCN,其特點為X線衍射圖譜上反射峰強度值比(220)/ (111)為I以上。
[0007]JP3382781公開了一種切削刀具，其表面涂層由Ti含量為75_98at%的一層和Ti含量為20-65at%的層交互疊加構成，前者的X線衍射圖譜上反射波峰(200)/(111)強度比I以下，后者的X線衍射圖譜上反射波峰(200)/(111)強度比I以上。
[0008]以上的技術已經不能滿足不斷發展的切削加工工藝對刀具切削刃的耐磨性和抗沖擊性的要求。

【發明內容】

[0009]本發明的目的在于克服現有技術之不足，提供一種涂層切削刀具及其制作方法，通過使用Ti基(TihMea)X涂層為主要功能層，含有特定的固溶金屬元素Me，使其擁有獨特的結晶方式及結晶形態，從而能大幅改善涂層切削工具的耐磨性和抗沖擊性的平衡性，提高切削加工的刀具或刀片壽命。
[0010]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種涂層切削刀具，包括基體和基體上涂覆的單層或多層涂層；所述基體為硬質合金、金屬陶瓷或高速鋼材料制作而成；所述單層或多層涂層，所述涂層為(TihMea) X涂層，其中，Me為化學元素Al、Cr、Zr、S1、Hf、Nb、W和Ta的其中一種或幾種，X為化學元素N、C、O和B的其中一種或幾種，a在0.2到0.6之間，利用X射線衍射在Θ/2Θ幾何構成檢測多晶立方相的存在，在衍射圖譜上所述涂層特征表現為僅有一個明顯的立方相反射波峰，波峰位于以2 Θ為橫坐標的40度至45度之間，且波峰與背景比例P在大于1.2小于3之間，其余涂層立方相反射峰的波峰與背景比例P值小于1.2或波峰未能檢出。
[0011]所述涂層在衍射圖譜上表面為反射波峰寬化，反射波峰半幅全寬在0.8度2 Θ以上。
[0012]所述硬質合金材料中，是以WC為主成分，并含有6被％至13被％的(:0，和含有0.lwt%至0.5wt%的Cr，其中，WC顆粒平均大小為0.5 μ m至2.5 μ m之間。
[0013]所述涂層在室溫下的納米硬度H在32GPa至42GPa之間。
[0014]所述單層或多層涂層的總厚度為Ιμπι至8μπι之間。
[0015]所述多層涂層中，緊靠所述基體的一層涂層被設定為過渡層，過渡層以外的涂層被設定為功能層，所述過渡層與功能層的厚度之比為1:3以下。
[0016]所述多層涂層中，最外一層涂層被設定為表面層，表面層之內的涂層被設定為功能層，所述表面層與功能層的結構不相同，且表面層的厚度為0.1 μ m至I μ m之間。
[0017]一種涂層切削刀具及其制作方法，是在基體上采用物理氣相沉積方法沉積所述涂層，所述涂層在下列條件下使用陰極電弧蒸鍍生成:
[0018]總壓力為0.1Pa至IPa ；
[0019]蒸鍍電流在160A至280A之間；
[0020]偏壓在-30V至-200V之間；
[0021 ] 沉積溫度500 V至700 V之間。
[0022]進一步的，還包括在涂層后，通過機械加工進行表面平滑化處理。
[0023]一種涂層切削刀具的用途，適用于銑削加工。
[0024]本發明的有益效果是:
[0025]由于本發明使用Ti基(TihMea)X涂層為主要功能層，含有特定的固溶金屬元素Me,使其擁有獨特的結晶方式及結晶形態，能大幅改善涂層工具的耐磨性和抗沖擊性的平衡性，提高切削加工的刀具刀片壽命。
[0026]以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明；但本發明的一種涂層切削刀具及其制作方法不局限于實施例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發明實施例3中涂層刀具的結構示意圖；其中，1、基體；2、主功能層Tia5Ala5N ;3、表面層 Tia65Ala35CN ；
[0028]圖2是本發明實施例2的TiAlN涂層的Θ /2 θ X射線衍射圖譜；
[0029]圖3是對比例2的TiAlN涂層的Θ /2 θ X射線衍射圖譜。【具體實施方式】
[0030]本發明所采用的具體技術方案為:一種優化切削刀具刀片切削性能的技術，所述切削刀具或刀片包括基體和涂層，所述基體為硬質合金、金屬陶瓷或高速鋼材料制作而成，所述涂層為單層或多層涂層，所述單層或多層涂層化學成分為(TihMea)X層，其中，Me為化學元素Al、Cr、Zr、S1、Hf、Nb、W和Ta的其中一種或幾種，X為化學元素N、C、O和B的其中一種或幾種，a在0.2到0.6之間，a在0.2到0.6之間，最能實現涂層工具刃口的耐磨性和抗沖擊性的平衡性，a小于0.2則涂層刀具的耐磨性不佳，a大于0.6則涂層刀具抗沖擊力下降，優選0.3至0.5之間。
[0031]所述多層涂層的表面涂層的化學成分設置與主要功能層(TihMea)X不同，以實現改善切削加工中的抗粘屑性或潤滑性，該表面涂層厚度為0.1 μ m至I μ m之間，優選0.3 μ m至0.5 μ m之間。
[0032]所述基體采用粉末冶金技術，通過壓制、燒結形成具有特定幾何形狀的毛坯，毛坯經過磨削加工和特殊的刃口處理后得到刀具基體。特別需要強調的是所述的刀具刀片涂層前的預處理。
[0033]涂層前預處理:是采用噴砂法對刀具表面進行清洗，去除切削刀具表面的氧化層、磨削破碎層，改善涂層與基體的結合強度，提高膜層附著力；進一步對切削刀具刃口進行拋光處理，消除刃口鈍化后產生的粗糙痕跡，鋸齒等，提高切削刃的強度。
[0034]所述涂層采用了物理氣相沉積(PVD)的方法，在總壓力為0.1Pa至IPa，在160A至280A蒸鍍電流，優選200A至240A，在-30V至-200V偏壓，沉積溫度500°C至700°C條件下，優選550°C至650°C條件下，通過使用電弧蒸鍍沉積上述涂層。
[0035]具體涂層處理如下:經過前處理的刀具基體首先經過進一步的Ar或Kr等離子體清洗，在更加微觀的層面上去除表面殘留雜質，以進一步提升涂層附著力。根據基體材質的表面特性，可在刀具基體上采用PVD法沉積一層過渡層，該層通過特殊的工藝參數設計，與基體具有良好的晶格匹配性，提供了良好的附著性，涂層厚度太薄將無法有效支撐其上的功能層，造成涂層剝離，厚度太厚會引起耐磨性的下降，優選厚度為500nm?I μπι。根據基體材質的表面特性，也可不加過渡層。接著沉積一層厚度為I μ m?7 μ m的主功能層(TiwMea) X，該層主要為提供優異耐磨性及抗沖擊性，優選厚度為2?4 μ m，涂層厚度太薄無法提供優異的耐磨損性，厚度太厚會使涂層產生剝離而失效。所述涂層的總厚度為Iym至8 μ m之間,優選1.2 μ m至5 μ m之間。
[0036]涂層后，還可以通過機械加工(毛刷或濕噴砂)進行表面平滑化處理，提高切削加工中刀具的排屑能力，減少突發損壞的幾率。
[0037]涂層后的刀具刀片，通過使用帶有AmeTek制日立S-3700N掃描電子顯微鏡(SEM)進行能量色散分析來估算涂層(TihMea) X的成分a，切削刃口附近0.1-1mm位置的涂層斷面為測定位置。膜厚也是通過掃描電子顯微鏡觀察切削刃口附近0.1-1mm位置涂層斷面來確定。
[0038]使用菲利普制X射線衍射設備Panalytical V percpro,以CoK α射線作為X射線源，控制管電壓為40Κν和電流40mA，發散縫隙為1°，以Θ/2 Θ機構，2 Θ =20° -110°范圍，進行X射線掃描，來測定涂層的結晶結構，所得的衍射圖譜中反射峰有無是通過X’pertHighScore軟件的Search peaks功能來確認。本說明書內所說XRD圖譜(圖2，3),為上述方法實測值再計算轉化為以CuKa射線源為基準的XRD圖譜。本發明中，在Ti基硬質涂層中添加一種以上的他元素改善晶粒結構，尤其細化及控制涂層晶體粒度是一個提高涂層刀具的切削性能的關鍵因素，體現在XRD圖譜上，為反射波峰寬化度，及反射峰值強度。本發明發現了它們的最佳范圍:(200)波峰的半幅全寬(FWHM) 0.8以上，優選1.0以上，波峰與背景比例P在大于1.2小于3之間。如果P值大于3，或半幅全寬(FWHM)0.8以下，則涂層的耐磨性不佳，P值小于1.2，則涂層與基體的結合力降低，涂層抗沖擊力下降。
[0039]在將涂層表面機械拋光至鏡面后，使用CSM nanoindenter TTX-NHT2系統的納米壓痕技術來估算出所述涂層的硬度數據，壓入深度大于200nm，硬度單位為GPa。涂層納米硬度H在32GPa至42GPa之間，優選34GPa至40GPa之間，才能最大限度發揮涂層的耐磨性及抗沖擊能力。
[0040]以下結合具體例子對本發明做進一步的詳細說明。
[0041]實施例一
[0042]本發明的一種涂層切削刀具(即涂層刀片)，刀片型號為銑刀片RPEW1204M0，刀片刃口采用特殊的鈍化處理技術；其基體為細顆粒硬質合金，WC平均粒徑0.8 μ m，其成分中Co質量百分數為10% ;其涂層為通過物理氣相沉積方法(PVD法)制備而成，使用過渡層，過渡層與功能層厚度比例控制在1:3，總涂層厚度控制在3 μ m，涂層成分為Tia5Ala5N。XRD圖譜上僅有(200)波峰，波峰的 半幅全寬(FWHM)為1.26，波峰與背景比例P為1.5，涂層硬度H 為 39GPa。
[0043]對比刀片型號及基體材質與本發明相同，并采用了相同的涂層前處理方式，所采用的涂層為Tia5Ala5N涂層。XRD圖譜上有(111)，(200)，(220)波峰，(200)波峰的半幅全寬(FWHM)為0.475，波峰與背景比例P為9.2，涂層硬度H為30GPa。
[0044]上述兩種刀片在以下條件下進行對比試驗。切削試驗采用2片對稱裝夾刀片的方式，根據切削過程中刀片磨損的實際狀況，以15min，30min，45min，…等時間段為時間間隔觀察后刀面磨損形貌，測量記錄刀片后刀面磨損量，若觀測間隔內發生振動、火花增大等異常情況，則即時停止試驗觀測刀片損傷情況。試驗中，選擇刀片后刀面平均磨損量Vb超過
0.3mm或任一刀片磨損Vbmax或崩刃超過0.4mm為壽命判斷標準。
[0045]加工材料:P20(3Cr2Mo)，硬度 33 ~35HRC
[0046]切削速度:Vc=150m/min
[0047]進給:fz=l.0mm/tooth
[0048]切削深度:ap=0.8mm
[0049]切削寬度:ae=40mm
[0050]切削方式:型腔銑削
[0051]冷卻方式:干式切削
[0052]對比的兩種涂層共進行了三組試驗，試驗結果如表1所示。
【權利要求】
1.一種涂層切削刀具，包括基體和基體上涂覆的單層或多層涂層；其特征在于:所述基體為硬質合金、金屬陶瓷或高速鋼材料制作而成；所述單層或多層涂層，所述涂層為(TiwMea) X涂層，其中，Me為化學元素Al、Cr、Zr、S1、Hf、Nb、W和Ta的其中一種或幾種，X為化學元素N、C、O和B的其中一種或幾種，a在0.2到0.6之間，利用X射線衍射在Θ /2 Θ幾何構成檢測多晶立方相的存在，在衍射圖譜上所述涂層特征表現為僅有一個明顯的立方相反射波峰，波峰位于以2Θ為橫坐標的40度至45度之間，且波峰與背景比例P在大于.1.2小于3之間，其余涂層立方相反射峰的波峰與背景比例P值小于1.2或波峰未能檢出。
2.根據權利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述涂層在衍射圖譜上表面為反射波峰寬化，反射波峰半幅全寬在0.8度2 Θ以上。
3.根據權利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述硬質合金材料中，是以WC為主成分，并含有6wt%至13wt%的Co，和含有0.lwt%至0.5wt%的Cr，其中，WC顆粒平均大小為0.5 μ m至2.5 μ m之間。
4.根據權利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述涂層在室溫下的納米硬度H在32GPa至42GPa之間。
5.根據權利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述單層或多層涂層的總厚度為1μm至8μm。
6.根據權利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述多層涂層中，緊靠所述基體的一層涂層被設定為過渡層，過渡層以外的涂層被設定為功能層，所述過渡層與功能層的厚度之比為1:3以下。
7.根據權利要求1所述的涂層切削刀具，其特征在于:所述多層涂層中，最外一層涂層被設定為表面層，表面層之內的涂層被設定為功能層，所述表面層與功能層的結構不相同，且表面層的厚度為0.1μm至1μm之間。
8.—種如權利要求1至7中任一權利要求所述的涂層切削刀具的制作方法，是在基體上采用物理氣相沉積方法沉積所述涂層，所述涂層在下列條件下使用陰極電弧蒸鍍生成: 總壓力為0.1Pa至1Pa ； 蒸鍍電流在160Α至280Α之間； 偏壓在-30V至-200V之間； 沉積溫度500 V至700 V之間。
9.根據權利要求8所述的涂層切削刀具的制作方法，其特征在于:進一步的，還包括在涂層后，通過機械加工進行表面平滑化處理。
10.一種如權利要求1至7中任一權利要求所述的涂層切削刀具的用途，其特征在于:用于銑削加工。
【文檔編號】C23C14/32GK103586520SQ201310489244
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月17日 優先權日:2013年10月17日
【發明者】陳路, 伍偉, 盧志紅 申請人:廈門金鷺特種合金有限公司