用于刀具的硬質涂層、涂層制備方法及刀具的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于刀具的硬質涂層、涂層制備方法及刀具，屬于切削加工領域。本發明采用物理氣相沉積法在刀具基體表面形成鈦基低熔點合金層和鈦基硬質涂層，其中鈦基低熔點合金層可在高溫下熔融，熔融鈦合金在刀具基體與鈦基硬質涂層間重新分布，尋找更穩定的生長位置，并于最優結合位置停駐凝固，該過程發生在鈦基硬質涂層形成后，其介入可增強涂層對刀具基體的附著力，使合金層以上的鈦基硬質涂層與其下的刀具基體穩固結合，提高二者的結合力，從而延長刀具的使用壽命。
【專利說明】
用于刀具的硬質涂層、涂層制備方法及刀具
技術領域
[0001] 本發明涉及一種用于刀具的硬質涂層，同時還涉及該硬質涂層的制備方法以及具 有該硬質涂層的刀具，屬于切削加工領域。
【背景技術】
[0002] 隨著現代加工技術的發展，人們對切削刀具性能和質量的要求也相應提高。對刀 具表面進行涂覆處理是提高刀具表面硬度和抗氧化性的有效方法之一。目前，常用的涂層 種類有氮化鈦、氮鋁鈦、氧化鋁等，涂覆方法包括物理氣相沉積和化學氣相沉積。化學氣相 沉積的優點在于反應基團具有較高的能量，與刀具基體的結合力強，硬質涂層堅固耐用，但 是化學氣相沉積需要復雜的氣體供應系統和尾氣處理系統，設備成本高昂。物理氣相沉積 具有沉積溫度低，涂層內部應力小，工藝成熟可靠、綠色環保等優點，是應用最為廣泛的一 種表面強化技術，但是存在硬質涂層與刀具基體間結合力不強的缺陷。
[0003] 為了提高氮化鈦、氮化鋁等鈦基硬質涂層與刀具基體間的結合力，通常在沉積硬 質涂層前，先在刀具表面沉積一層純鈦或鉻作為粘結層，如公告號CN103789724B的發明專 利公開的一種AlTiCrN/YN納米多層硬質涂層，先采用蒸發鍍膜法在刀具基體表面沉積鈦或 鉻粘結層，再采用中頻反應磁控濺射法在粘結層上周期交替沉積AlTiCrN層和YN層，所得硬 質涂層與刀具基體結合牢固，結合力等級達到德國標準VDI3198的HF1~HF2,并且硬度高 (納米硬度大于26GPa)，抗高溫氧化能力強。但是，由于純鈦或鉻粘結層采用物理氣相沉積 法制備，成膜前驅物在到達基體表面時擴散能較低，不利于尋找最優的結合位置，因而與基 體的結合力有限。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種用于刀具的硬質涂層，該涂層中的鈦基低熔點合金層可 在高溫下熔融，熔融鈦合金在刀具基體與鈦基硬質涂層間重新分布，并于最優結合位置停 駐凝固，該過程的介入可增強涂層對刀具基體的附著力，延長刀具的使用壽命。
[0005] 同時，本發明還提供一種工藝簡單、操作簡便的硬質涂層制備方法。
[0006] 最后，本發明再提供一種具有該硬質涂層的刀具。
[0007] 為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案是：
[0008] 用于刀具的硬質涂層，從刀具基體表面向外依次為鈦基低熔點合金層和鈦基硬質 涂層;所述鈦基低熔點合金層由金屬鈦(Ti)與鎳(Ni)、鉻(Cr)、鋁(A1)、鈧(Se)、銅(Cu)等金 屬中的一種或多種形成。
[0009] 所述鈦基低熔點合金層中鈦原子占比在50%以上，以保證其在沉積或濺射時具有 良好的導電性，防止電荷在刀具基體表面聚集造成沉積困難，可以為二元合金或多元合金。 該層熔融后可在刀具基體與鈦基硬質涂層間重新分布，使二者穩固結合。
[0010] 所述鈦基低熔點合金層的熔點低于純鈦的熔點（約為1668°c )，同時高于刀具的工 作溫度。如果鈦基低熔點合金層的熔點低于刀具的工作溫度，在切削操作時鈦基低熔點合 金層在高溫下熔融，將導致鈦基硬質涂層脫落，嚴重影響刀具的使用壽命。例如，對于立方 氮化硼類刀具，鈦基低熔點合金層的熔點高于900°C，優選的，熔點在1000~1300°C之間。通 過查閱鈦合金相圖，控制合金相中各成分的含量，可對鈦基低熔點合金層的熔點進行控制。 例如，當鈦基低熔點合金層為鈦鎳合金時，將鎳原子占比控制在16%~23%或33%~47%， 可以保證合金熔點在1000~1300°C之間。再例如，當鈦基低熔點合金層為鈦銅合金時，將銅 原子占比控制在22%~37%，可以保證合金在1000~1300°C之間。當然，鈦基低熔點合金層 可選擇的合金種類不限于上述兩種，只要能夠滿足合金熔點在1000~1300°C之間，均可用 于立方氮化硼類刀具。
[0011] 所述鈦基低熔點合金層的厚度不應過厚而導致涂層整體硬度的下降，也不應過薄 而影響涂層的粘結性能，至少應保證熔融狀態下在刀具基體表面形成不少于10個原子層厚 度的完整延展層。所謂完整，是指該層基本連續分布，不存在較大面積的空洞。優選的，鈦基 低恪點合金層的厚度大于20nm，小于Ιμπι。更優選的，厚度在200~800nm之間，如300nm、 400nm、500nm、600nm 或 700nm 〇
[0012] 所述鈦基硬質涂層為由鈦(Ti)、鋁(Al)、碳(C)、鉻(Cr)等形成的氮化物層，如氮化 鈦(TiN)、氮鋁鈦(TiAIN)等。鈦基硬質涂層的厚度在400nm至4μπι之間。一般的，鈦基硬質涂 層中氮含量從涂層底部向表面沿厚度方向呈遞增趨勢，以優化鈦基硬質涂層和鈦基低熔點 合金層的界面。在界面處，氮含量較低，鈦基硬質涂層性能與鈦基低熔點合金層相似，界面 特性優良；隨著遠離界面，氮含量增加，硬質涂層硬度提高。其中，氮含量遞增可以為均勻遞 增，也可以在遠離界面約l〇nm后迅速遞增。
[0013] 所述刀具基體可采用陶瓷、硬質合金、高速鋼、立方氮化硼(CBN)、聚晶立方氮化硼 (PCBN)、金剛石或聚晶金剛石等材料。
[0014] 用于刀具的硬質涂層的制備方法，包括以下步驟：
[0015] 1)在刀具基體表面物理氣相沉積鈦基低熔點合金層；
[0016] 2)在鈦基低熔點合金層上物理氣相沉積鈦基硬質涂層；
[0017] 3)惰性氣氛下，對涂層后的刀具基體進行退火處理，使得鈦基低熔點合金層在高 溫下熔融再分布，即可。
[0018] 步驟1 )、2)中物理氣相沉積可采用多弧離子鍍、多靶磁控濺射等。
[0019] 步驟2)在沉積鈦基硬質涂層之前，可選擇地對鈦基低熔點合金層進行氮氣等離子 體轟擊處理，以優化鈦基低熔點合金層和鈦基硬質涂層的界面性能。
[0020] 步驟3)中惰性氣氛如氮氣氣氛、氬氣氣氛等。
[0021] 步驟3)中退火處理的溫度應高于鈦基低熔點合金層的熔點，在該退火溫度下，鈦 基低熔點合金層發生熔融再分布，尋找更穩定的生長位置，從而使其上的鈦基硬質涂層與 其下的刀具基體穩固結合。優選的，退火處理的溫度至少高于鈦基低熔點合金層的熔點20 °C，如在920°C以上。更優選的，退火處理的溫度在1020~1320Γ之間。最優選的，溫度在 1120~1320Γ之間，在該溫度下退火，既能保證鈦基低熔點合金層充分熔融，又不會對刀具 基體和鈦基硬質涂層造成熱損傷。
[0022]步驟3)中退火處理可采用常規熱退火，也可采用快速熱退火，如鹵鎢燈退火等，利 用短時間的尖峰退火使低熔點合金層發生熔融在分布，同時避免高溫損傷刀具基體。當采 用較高的退火溫度，如1300 °C以上時，優選快速熱退火操作。
[0023] 步驟3)中退火處理的時間優選2~4小時，包含升溫時間和降溫時間。其中，降溫時 間應不小于1小時，以盡量減小對刀具的熱沖擊，如降溫速率為10~15 °C /min。
[0024] 刀具，包括刀具基體及其上的硬質涂層，硬質涂層包括在刀具基體表面依次形成 的鈦基低熔點合金層和鈦基硬質涂層，鈦基低熔點合金層由金屬鈦與鎳、鉻、鋁、鈧、銅等金 屬中的一種或多種形成。
[0025]所述鈦基低熔點合金層中鈦原子占比在50%以上，優選為鈦鎳合金或鈦銅合金。 [0026]本發明的有益效果：
[0027] 本發明采用物理氣相沉積法在刀具基體表面形成鈦基低熔點合金層和鈦基硬質 涂層，其中鈦基低熔點合金層可在高溫下熔融，熔融鈦合金在刀具基體與鈦基硬質涂層間 重新分布，尋找更穩定的生長位置，并于最優結合位置停駐凝固，該過程發生在鈦基硬質涂 層形成后，其介入可增強涂層對刀具基體的附著力，使合金層以上的鈦基硬質涂層與其下 的刀具基體穩固結合，提高二者的結合力，從而延長刀具的使用壽命。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明實施例1中硬質涂層的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下述實施例僅對本發明作進一步詳細說明，但不構成對本發明的任何限制。
[0030] 實施例1
[0031] 用于刀具的硬質涂層，從PCBN刀具基體1的表面向外依次為銅原子占比37%的鈦 銅低熔點合金層2和氮化鈦硬質涂層3,涂層結構示意圖見圖1。該硬質涂層的制備步驟如 下：
[0032] 1)采用雙靶磁控濺射工藝在PCBN刀具基體表面(經噴砂、溶劑清洗)形成鈦銅合金 層，工藝參數為:氬氣流量50~80sccm，偏壓負100V，控制鈦、銅靶的電流分別為60A和20A， 使最終形成的鈦銅合金層中銅原子占比約為37%，熔點約為1000°C，厚度400nm;
[0033] 2)對鈦銅合金層進行氮氣等離子體轟擊處理，氮氣壓力0.5Pa，處理時間lOmin;
[0034] 3)采用反應磁控濺射工藝在鈦銅合金層上形成氮化鈦硬質涂層，工藝參數為：氮 氣氣壓由〇.4Pa線性升至0.8Pa(均勻升壓），鈦靶電流50A，最終形成的氮化鈦硬質涂層的厚 度為1.5μπι，涂層中氮含量從涂層底面向外沿厚度方向均勻遞增；
[0035] 4)氮氣氣氛下對涂層后的刀具基體進行退火處理，氮氣流量lOOsccm，退火溫度 1020°C，升溫速率60°C/min，1020°C保溫lh，降溫至室溫，降溫速率10°C/min。
[0036] 實施例2
[0037] 用于刀具的硬質涂層，從PCBN刀具基體表面向外依次為鎳原子占比16%的鈦鎳低 熔點合金層和氮鋁鈦硬質涂層。該硬質涂層的制備步驟如下：
[0038] 1)采用多弧離子鍍工藝在PCBN刀具基體表面(經噴砂、溶劑清洗）形成鈦鎳合金 層，工藝參數為:氬氣流量50~8〇 SCCm，偏壓負250V，鈦鎳合金靶的電流為70A，最終形成的 鈦鎳合金層中鎳原子占比約為16 %，熔點約為1300 °C，厚度800nm;
[0039] 2)對鈦鎳合金層進行氮氣等離子體轟擊處理，氮氣壓力0.8Pa，處理時間30min;
[0040] 3)采用多弧離子鍍工藝在鈦鎳合金層上形成氮鋁鈦硬質涂層，工藝參數為:氮氣 氣壓在30s內由0.5Pa線性升至0.6Pa，然后迅速（30s)從0.6Pa增至0.9Pa，然后保持0.9Pa; 鈦鋁靶電流60A，最終形成氮鋁鈦硬質涂層的厚度為900nm，涂層中氮含量從涂層底面向外 在厚度方向上先均勻遞增，然后在遠離鈦基硬質涂層與鈦基低熔點合金層界面約l〇nm處迅 速遞增；
[0041 ] 4)氮氣氣氛下對涂層后的刀具基體進行退火處理，氮氣流量20〇SCCm，退火溫度 1320Γ;單次尖峰退火過程為:快速升溫至尖峰溫度1320Γ，保溫18s后降至900°C，重復上 述尖峰退火過程18次，然后降溫至室溫，降溫速率15 °C/min。
[0042] 對比例
[0043] 采用實施例1中方法依次在PCBN刀具基體表面(經噴砂、溶劑清洗)形成純鈦層和 氮化鈦硬質涂層，厚度均與實施例1中相同。
[0044] 試驗例
[0045] 分別取實施例1及對比例制備的刀具樣品若干，采用涂層附著力自動劃痕儀測試 PCBN刀具基體與硬質涂層的結合力，結果見下表1。
[0046] 表1實施例1及對比例中刀具基體與硬質涂層的結合力對比
[0048]從表1可以看出，實施例1中PCBN刀具基體與硬質涂層的結合力明顯高于對比例， 表明本發明中涂層制備方法能將刀具基體與硬質涂層牢固粘結，提高涂層對基體的附著 力，從而有效延長刀具使用壽命。
【主權項】
1. 用于刀具的硬質涂層，其特征在于:從刀具基體表面向外依次為鈦基低熔點合金層 和鈦基硬質涂層;所述鈦基低熔點合金層由金屬鈦與鎳、鉻、鋁、鈧、銅中的一種或多種形 成。2. 根據權利要求1所述的硬質涂層，其特征在于：鈦基低熔點合金層中鈦原子占比在 50%以上，且該層的熔點低于純鈦的熔點，同時高于刀具的工作溫度。3. 根據權利要求2所述的硬質涂層，其特征在于:鈦基低熔點合金層采用鈦鎳合金或鈦 銅合金。4. 根據權利要求3所述的硬質涂層，其特征在于:鈦鎳合金中鎳原子占比為16%~23% 或33%~47%;鈦銅合金中銅原子占比為22%~37%。5. 根據權利要求1所述的硬質涂層，其特征在于:鈦基低熔點合金層的厚度為熔融狀態 下在刀具基體表面形成不少于10個原子層厚度的延展層。6. 根據權利要求1所述的硬質涂層，其特征在于:鈦基硬質涂層為由鈦、鋁、碳、鉻形成 的氮化物層。7. 根據權利要求6所述的硬質涂層，其特征在于：鈦基硬質涂層為氮化鈦層或氮鋁鈦 層。8. 如權利要求1~7中任一項所述硬質涂層的制備方法，其特征在于:包括以下步驟： 1) 在刀具基體表面物理氣相沉積鈦基低熔點合金層； 2) 在鈦基低熔點合金層上物理氣相沉積鈦基硬質涂層； 3) 惰性氣氛下，對涂層后的刀具基體進行退火處理，即可； 步驟3)中退火處理的溫度高于鈦基低熔點合金層的熔點。9. 根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于:步驟2)在沉積鈦基硬質涂層之前，先 對鈦基低熔點合金層進行氮氣等離子體轟擊處理。10. 刀具，包括刀具基體，其特征在于：刀具基體上具有如權利要求1~7中任一項所述 的硬質涂層。
【文檔編號】C23C14/06GK105887083SQ201610231733
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】董永芬, 王麗
【申請人】富耐克超硬材料股份有限公司