复合涂层刀具及其制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及超硬材料领域，具体为复合涂层刀具及其制造方法。
【背景技术】
[0002]在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。刀具性能的两个关键指标一一硬度和强度(韧性)之间似乎总是存在着矛盾，硬度高的材料往往强度和韧性低，而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。在较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜(如TiC、TiN、A1203，等)组成的涂层刀具，较好的解决了刀具存在的强度和韧性之间的矛盾，是切削刀具发展的一次革命。涂层刀具是近20年来发展最快的新型刀具。目前工业发达国家涂层刀具已占80%以上，CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。
[0003]涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本。但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后，因基体材料和涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层和基体之间的界面结合强度低，涂层易剥落，而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。
[0004]常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。根据化学键的特征，可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。金属键型涂层材料(如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等)熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好，具有良好的综合性能，是最普通的涂层材料。共价键型涂层材料(如B4C、SiC、BN、金刚石等)硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性和多层匹配性差。而离子键型材料化学稳定性好、脆性大、热胀系数大、熔点较低、硬度不太尚O
[0005]在这些涂层材料中，用的最多的是TiC、TiN、A1203、金刚石以及复合涂层。TiC耐磨性好，能有效地提高刀具的抗月牙洼磨损能力，适合于低速切削及磨损严重的场合;TiN涂层具有低的摩擦系数，润滑性能好，能减少切削热和切削力，适合于产生融合和磨损的切削；A1203的高温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比TiC和TiN好，月牙洼磨损率低，适合于高速、大切削热切削；金刚石涂层硬度和热导性高，摩擦系数很低，适合于有色金属合金的高速切削；而复合涂层综合几种涂层材料的特点，目前以双涂层和三涂层组合居多。
[0006]目前常用的涂层方法是CVD(化学气相沉积法)和PVD(物理气相沉积法)，其它方法如等离子喷涂、火焰喷涂、电镀、溶盐电解等还存在较大的应用局限性。CVD法是利用金属卤化物的蒸气、氢气和其它化学成分，在950?1050°C的高温下，进行分解、热合等气、固反应，或利用化学传输作用，在加热基体表面形成固态沉积层的一种方法。CVD法工艺要求高，而且由于氯的侵蚀及氢脆变形可能导致涂层易碎裂、基体断面强度下降，涂层硬质合金时还易产生脱碳现象而形成η相。近年来，中、低温CVD法和PCVD法开发成功，改善了原有CVD工
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[0007]P V D法起步晚、发展快、温度低(约3 O O?5 O O °C )，优点很多，但涂层的均匀性不如CVD法，涂层与基体结合不太牢固，涂层硬度比较低，涂层优越性未得到充分体现。PVD法工艺要求比CVD法高，设备更复杂，涂层循环周期长。目前常用的PVD方法有低压电子束蒸发(LVEE)法、阴极电子弧沉积法(CAD)、三极管高压电子束蒸发法(THVEE)、非平衡磁控溅射法(UMS)、离子束协助沉积法(IAD)和动力学离子束混合法(DHO，其主要差别在于沉积材料的气化方法以及产生等离子体的方法不同而使得成膜速度和膜层质量存在差异。
[0008]现有的涂层刀具存在一些缺陷，如涂层之间的粘连性差，在高速切削时易导致涂层边缘残余热应力过大，从而导致涂层出现裂纹、剥落等现象;而且不同涂层之间材料特性变化过渡大，容易进一步导致应力集中，降低了界面的结合强度。
【发明内容】
[0009]针对上述问题，本发明的目的是提供复合涂层刀具及其制造方法，在刀体上设置有基础物质和复合涂层，复合涂层从里到外依次为锡层、碳氮化钛层、中间层、氧化铝层、最外层，采用CVD(化学气相沉积法)制造涂层刀具。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案
复合涂层刀具，其包括，刀体I，基础物质2，复合涂层3，在刀体I上设置有基础物质2和复合涂层3。
[0011 ]基础物质(2 )为金属碳化物硬质合金，使用金属粉、碳粉等加入适当比例的无机物质粉末，如氮化碳、氮化物和氧化物混合后成型到预定的工具形状，使用公开已知的成型方法，如冲压成型、铸造、挤压成型、冷等静压机成型，基本物质2由上面提到的成型物质在真空或非氧化气氛中煅烧，并对尖端表面进行抛光和珩磨。
[0012]复合涂层3包括，锡层4，碳氮化钛层5，中间层6，氧化铝层7，最外层8;复合涂层从里到外依次为锡层4、碳氮化钛层5、中间层6、氧化铝层7、最外层8。
[0013]复合涂层刀具的制备方法，先对刀具基体进行超声清洗，并对刀具基体进行辉光放电清洗和离子清洗，加入基础物质，使刀具基体和基础物质结合，然后进行镀膜。
[0014]具体工艺步骤如下:
(I)先对刀具基体进行超声清洗，并对刀具基体进行辉光放电清洗和离子清洗，加入基础物质，使刀具基体和基础物质结合，然后进行镀膜。
[0015](2)锡层4镀膜阶段，使用电镀、浸镀及化学镀等方法在处理好的基础物质上镀一层平均厚度为0.3-0.7微米的锡层4。
[0016](3)碳氮化钛层5镀膜阶段，碳氮化钛层5使用化学气相沉积法制成，四氯化钛(TiC14)气体比例为0.5-10%，混合气体为氢气(H2)气体和氮(N2)，反应室的内部温度为700-1300°C，内部压强为8-50kPa。
[0017]碳氮化钛层5的下部形成温度在780-880°(3，压强为8-131^&，通入比例为0.1-0.4%的乙腈(CH3 CN)气体。
[0018]HT-TiCN层构成碳氮化钛层5的上部，HT-TiCN层的特定的成膜条件为四氯化钛(TiC14)气体2.5-4%，氮气体(吧)和甲烷(014)气体为5-20%，混合气体为氢气(!12)气体，送入反应室，反应室的温度为900 - 1050°C，压强为10-20kPa，成膜时间20到60min。
[0019](4)中间层6镀膜阶段，使用化学沉积法沉积中间层6，特定的成膜条件，往反应室内通入1-5%的四氯化钛(TiC14)气体，10-30%的氮气体(N2)和甲烷(CH4)气体，并调整氢气(H2)和二氧化碳(C02)的混合气体比例为O到20%，反应室温度为900-1200°C，内部压强为3-6kPa，成膜时间为20-60min。
[0020](5)氧化铝层7镀膜阶段，使用化学沉积法沉积氧化铝层7，特定的成膜条件，通入反应室的气体成分为氯化铝(A1C13)气体0.5-5.0%，二氧化碳(C02)气体和氢氯(HCl)气体0.5-5.0%，硫化氢(H2S)气体0.0-0.5%，反应室的内部温度为950-1100°C，内部压强为5-1 OkPa，使用的混合气体为氢气(H2)气体。
[0021](6)最外层8镀膜阶段，使用化学沉积法沉积最外层8，特定的成膜条件，往反应室内通入四氯化钛(TiC14)气体，四氯化钛(TiC14)气体含量为0-60%，更合适的气体比例为
0.1到10%，氢气(H2)气体，氮气体(N2)气体作为混合气体，反应室的内部内部温度为960-1100°C，内部压强为 10-85kPa。
[0022]所述涂层3的制备方法为化学气相沉积法(CVD)。
[0023]所述锡层4的厚度是0.4-0.5微米。
[0024]所述中间层6的厚度为0.03-0.08微米。
[0025]所述氧化铝层7的厚度为0.3-0.7微米。
[0026]所述最外层8的厚度为0.01-0.1微米。
[0027]本发明的有益效果
1、本发明与单涂层相比，使得涂层与基体之间具有更高的结合强度，能够有效减小切削摩擦，降低切削力和切削温度，减小刀具磨损；
2、抑制热裂纹的产生，有效防止涂料层片状剥落；
3、涂层刀具较好地解决了刀具强度和韧性之间的矛盾，大大提高了刀具的耐用度和切削速度。
【附图说明】
[0028]图1为本发明示意图。
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