一种涂覆切削工具及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种涂覆切削工具，包括基材和涂覆层，其特征在于，所述涂覆层包括内层PVD层和外层CVD层，所述CVD为至少一层的TiN层或Ti?B?N层，或多层TiN层和Ti?B?N层交替出现，所述Ti?B?N层中B的含量为8～16at％，所述PVD层和CVD层中间有粘结层，所述粘结层为金属碳氮氧化合物，所述TiN或Ti?B?N单层结构厚度范围为0.2nm～150nm，本发明所述的涂覆切削工具采用PVD层和CVD层结合的涂覆技术方案，使得涂覆切削工具不但具有良好的韧性，同时具有高耐磨性和优异的涂层附着力，从而具有较长的使用寿命。
【专利说明】
-种涂覆切削工具及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明设及切削技术领域，特别地，设及是一种涂覆切削工具及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 金属的现代高生产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 的初性和优异的抗塑性变形性。运可W通过采用涂覆有耐磨涂层的硬质合金 (cementedcarbide)工具来实现。所述硬质合金工具通常为紧固在工具夹持器上的可转位 刀片形状，但也可W为整体硬质合金钻刀或锐刀的形式。
[0003] 通常，涂覆切削工具的涂层通过化学气相沉积CVD(化emical化por Deposition) 或物理气相沉积PVD(Physical Vapor Deposition)技术来沉积。在有些少数情况下，也使 用等离子体辅助的化学气相沉积(PACVD)XVD涂覆的刀片具有高耐磨性和优异的涂层附着 力，而PVD涂覆的刀片在耐磨性和附着力方面表现稍差，但是另一方面具有好得多的初性。 因此，CVD涂覆的刀片优选用于高速车削操作，而PVD涂覆的刀片则用于需要初性的切削操 作如锐削、剖削和钻削，现有技术中涂覆切削工具的涂层附着力和耐磨性都不是很理想，或 者制备工艺复杂，例如公开号为CN102091923B公开的多层涂覆切削工具，提供一种更加适 用于初性基材的硬质涂层，但制备工艺较为繁琐，成本较高，不利于批量生产。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种涂覆切削工具，该涂覆切削 工具采用PVD层和CVD层结合，并且在中间设有粘结层W及CVD层采用不同叠层交替设置的 涂覆技术方案，使得涂覆切削工具不但具有良好的初性，还有具有高耐磨性和优异的涂层 附着力，从而具有较长的使用寿命，W解决上述技术问题。
[0005] 本发明可W通过W下技术方案来实现：
[0006] 本发明公开了一种涂覆切削工具，包括基材和涂覆层，所述涂覆层包括内层PVD层 和外层CVD层，所述CVD为至少一层的TiN层或Ti-B-N层，或多层TiN层和Ti-B-N层交替出现， 所述Ti-B-N层中B的含量为8~16at%，所述PVD层和CVD层中间有粘结层，所述粘结层为金 属碳氮氧化合物，所述TiN或Ti-B-N单层结构厚度范围为0.2nm~150nm。
[0007] 所述基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化棚或者高速钢的一种。
[000引所述金属碳氮氧化合物是铁、给、错、铭、铁-侣合金、给-侣合金、错-侣合金、铭-侣 合金W及它们的合金所形成的的碳氮氧化合物，粘结层有效的解决了由于PVD层和CVD层结 合时附着力差的问题，从而提高了涂层整体的附着力。
[0009]所述PVD层与CVD层的应力比为0.9~2.5，运个范围的应力在保证较佳附着力的同 时，能够确保整体涂层的稳定性，涂层的CVD层采用湿式喷砂处理，涂覆后湿式喷砂步骤包 括气动地投射液体浆料，W撞击经过预喷砂的涂层方案的所有表面，该涂覆后湿式喷砂步 骤将外层中的拉伸应力转换为压缩应力，并且该涂覆后湿式喷砂步骤还使外涂覆层表面平 滑，外涂层处于轻微拉伸或压缩状态，在轻微拉伸的情况下，该涂覆后湿式喷砂步骤进一步 增大外涂覆层的压缩应力。具体而言，CVD层应力较大且硬度较低，而PVD层应力较小且硬度 较高，在运种情况下，PVD层的高硬度性能弥补CVD层的低硬度性能，并且PVD层的小应力性 能弥补CVD层的大应力性能，因此，CVD层和PVD层彼此弥补对方的薄弱性能，并且与简单组 合CVD层和PVD层的情况相比，该带有粘结层结构的涂层表现出更优异的性能，增加了涂层 的稳定性，从而使涂覆切削工具的寿命延长。
[0010] 所述TiN的厚度为Aa，Ti-B-N的厚度为Ab，所述l《AbAa《4,比值随远离基材逐渐 增大，Ti-B-N具有较好的抗氧化性，而且具有较低程度的导热性，使得其不容易将切削时产 生的热量传导到基体材料，不同涂层交替设置提高了整个涂覆切削工具的耐热性，使得涂 覆切削工具在连续切削时的耐磨性提高。λ6/λ3<1，涂层的抗氧化性容易下降，如果AbAa〉 5，则会增加叠层裂纹出现的机率。
[0011] 所述单层结构厚度范围为0.2nm~150nm，单层的厚度的范围有效的抑制了涂层表 面裂纹的产生及扩展，并且运个厚度范围在层数事宜的情况下，不会影响切削速度。
[0012] 所述涂覆层总厚度0.1皿~20μπι，本发明中可W通过切割本发明的涂覆切削工具， 通过扫描电子显微镜(沈Μ)和透射电子显微镜(ΤΕΜ)分析截面来获得上述各个层面的厚度 W及整个涂层的厚度。
[0013] -种涂覆切削工具的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0014] (1)选取基材，并进行清洁；
[0015] (2)将PVD层浆料沉积到所述基材上；
[0016] (3)将粘结层沉积在PVD层上；
[0017] (4)在压力下，通过湿法喷砂将CVD层浆料沉积在粘结层上。
[001引本发明的方法能够应用于所有的普通PVD技术，例如阴极电弧蒸发、磁控瓣射、高 功率脉冲磁控瓣射化PPMS)、离子锻等，优选使用阴极电弧蒸发或者磁控瓣射，所述PVD层浆 料是元素 Si、化、Α1和Ti的氮化物。
[0019] 所述PVD层沉积溫度为300~1000°C，PVD沉积的工艺参数具体取决于具体的沉积 装备、涂层组成等。
[0020] 所述CVD层浆料在0.25~0.40Mpa的压力下进行喷砂，在湿式喷砂下持续了6~45 秒，湿式喷砂的持续时间随具体湿式喷砂操作而变化，其中目的是为了使涂层间达到最佳 应力水平，最佳的持续时间范围是介于约10秒与约18秒之间。
[0021] 本发明具有W下有益效果：
[0022] 本发明提供的一种涂覆切削工具，该涂覆切削工具是采用PVD层和CVD层结合，并 且在中间设有粘结层W及CVD层采用不同叠层交替设置的技术方案，所得涂覆切削工具，不 但具有良好的初性，同时具有高耐磨性和优异的涂层附着力，从而具有较长的使用寿命。本 发明所述PVD层和CVD层中间设置有粘结层，粘结层有效的解决了由于PVD层和CVD层结合时 附着力差的问题，从而提高涂层整体的附着力。
[0023] CVD层采用湿式喷砂步骤，除了能够平衡各涂层间的最佳应力水平，还可W使外涂 覆层表面平滑，减少涂层表面的摩擦力，使得切削速度进一步增大，提高了加工效率。
[0024] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将对本发明作进一步详细的说明。
【具体实施方式】
[0025] W下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可W根据权利要求限定和覆盖 的多种不同方式实施。
[00%] 实施例1
[0027] -种涂覆切削工具，选取金属陶瓷作为基材，涂覆层包括内层PVD层和外层CVD层， CVD层为一层的TiN层和一层Ti-B-N，Ti-B-N层中B的含量为9at%，B原子的加入在切削过程 中表面氧化形成的棚氧化物，由于烙点较低，可作为润滑剂，抑制已切削材料的附着。PVD层 和CVD层中间的粘结层为给-侣合金碳氮氧化合物，所述TiN层单层结构厚度为15nm，AbAa = 1，PVD层与CVD层的应力比为1.2,涂覆层总厚度80nm。
[00%] -种涂覆切削工具的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0029] (1)选取金属陶瓷作为基材，并进行清洁;将硬质合金装入阴极电弧离子锻设备 中，用氣气对硬质合金表面进行清洁；
[0030] (2)将含有元素 SiXr、Al和Ti的氮化物PVD层浆料沉积到所述基材上，沉积溫度为 600°C，PVD涂层获得1200MPa的压缩应力；
[0031] (3)将铁、给、错、铭、铁-侣合金碳氮氧化合物粘结层沉积在PVD层上；
[0032] (4)在0.30Mpa的压力下，通过湿法喷砂将CVD层浆料沉积在粘结层上，湿式喷砂下 持续了 15秒，获得的压缩应力为1 OOOMPa。
[0033] 实施例2~8的涂覆切削工具具体参数W表格的形式列出，制备方法步骤同实施例 1，其他参数具体见表1:
[0034] 表1:实施例2~8所得涂覆切削工具具体的技术参数
[0035]
[0036]
[0037] 由表1可知，粘结力随着层数增多，逐渐减弱，但是与现有技术中，无粘结层结构的 PVD与CVD结合时，附着力8~10N相比，还是增强了很多，从而增强了涂层整体的稳定性，在 涂覆层数相同的情况下，可W看出采用铭-侣合金碳氮氧化合物作为粘结层时，附着力较 强。当14，比值随远离基材逐渐增大，Ti-B-N具有较好的抗氧化性，而且具有较低 程度的导热性，使得其不容易将切削时产生的热量传导到基体材料，不同涂层交替设置提 高了整个涂覆切削工具的耐热性，使得涂覆切削工具在连续切削时的耐磨性提高，同时也 间接的增加了涂层的附着力。
[003引钻削试验：
[0039] 对依照实施例1~8的技术方案所得的涂覆切削工具和现有技术中带有PVD+(Ti， A1)N涂层的市售钻具W及EP1939328A1中公开的TiAlCrSiN多层的涂覆层制成钻具在下述 条件下，进行钻削试验，来评价本发明的涂覆切削工具的使用寿命，具体数据件实施例1~ 8，^及现有技术对比例1、2:
[0040] 条件:外径7mm钻头，加工材料为SCM44(KHRC30)，钻削25mm的盲孔、切削速度90m/ min,进给量0.2mm/转，W被加工的尺寸精度超出预定范围之前得到的孔数确定寿命，预定 范围2000个，评价结果见表2:
[0041 ]表2:本发明和现有技术中的涂覆切削工具寿命评价对照表
[0042]
[0043] 可见，表2表明涂覆层数越多，涂覆工具的寿命越长，层数和寿命基本成正相比例 增长，因此，加工的孔数越多，但在层数相同的情况下，由于各实施例技术方案的差异，寿命 长短略有差别，但是层数也不能无限增多，因为层数的增多，附着力会降低，影响涂层的稳 定性，同时层数的增多会影响切削的速度，由于CVD层应力较大且硬度较低，而PVD层应力较 小且硬度较高，PVD层的高硬度性能弥补CVD层的低硬度性能，并且PVD层的小应力性能弥补 CVD层的大应力性能，因此，CVD层和PVD层彼此弥补对方的薄弱性能。
[0044] 并且，上述表2表明，与现有技术中简单组合CVD层和PVD层的情况相比，本发明带 有粘结层结构的涂层明显表现出更优异的性能，CVD层的不同叠层交替设置提高了整个涂 覆切削工具的耐热性，使得涂覆切削工具在连续切削时的耐磨性提高，综上所述，本发明的 涂覆切削工具具有良好的初性、高耐磨性和优异的涂层附着力，同时具有较长的使用寿命。
[0045] W上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可W有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种涂覆切削工具，包括基材和涂覆层，其特征在于，所述涂覆层包括内层PVD层和 外层CVD层，所述CVD为至少一层的TiN层或Ti-B-N层，或多层TiN层和Ti-B-N层交替出现，所 述Ti-B-N层中B的含量为8~16at%，所述PVD层和CVD层中间有粘结层，所述粘结层为金属 碳氮氧化合物，所述TiN或Ti-B-N单层结构厚度范围为0 · 2nm~150nm〇2. 根据权利要求1所述的一种涂覆切削工具，其特征在于，所述基材为硬质合金、金属 陶瓷、陶瓷、立方氮化硼或者高速钢的一种。3. 根据权利要求1所述的一种涂覆切削工具，其特征在于，所述金属碳氮氧化合物是 钛、铪、锆、铬、钛-铝合金、铪-铝合金、锆-铝合金、铬-铝合金以及它们的合金所形成的的碳 氮氧化合物。4. 根据权利要求1所述的一种涂覆切削工具，其特征在于，所述PVD层与CVD层的应力比 为0.9~2.5〇5. 根据权利要求1所述的一种涂覆切削工具，其特征在于，所述TiN的单层厚度为λ&， Ti-B-N的单层厚度为Ab，所述1彡Ab/Aa彡4，比值随远离基材逐渐增大。6. 根据权利要求5所述的一种涂覆切削工具，其特征在于，所述涂覆层总厚度Ο.?μπι~ 20μπι〇7. 根据权利要求1~6任意一项所述的一种涂覆切削工具的制备方法，所述方法包括如 下步骤： (1) 选取基材，并进行清洁； (2) 将PVD层浆料沉积到所述基材上； (3) 将粘结层沉积在PVD层上； (4) 在0.25~0.40Mpa的压力下，通过湿法喷砂将CVD层浆料沉积在粘结层上;湿式喷砂 下持续6~45秒，获得的压缩应力为800~1800MPa。8. 根据权利要求7所述一种涂覆切削工具的制备方法，其特征在于，所述PVD层浆料是 包含元素 Si、Cr、Al和Ti的氮化物。9. 根据权利要求7所述一种涂覆切削工具的制备方法，其特征在于，所述PVD层沉积温 度为 300 ~1000°C。10. 根据权利要求7所述一种涂覆切削工具的制备方法，其特征在于，所述PVD涂层具有 1500~2500MPa的压缩应力。
【文档编号】B23B5/00GK105965043SQ201610367771
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】不公告发明人
【申请人】湖南细心信息科技有限公司