一种刀具刀片及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种切削刀片，具体的说涉及一种涂有TiN涂层的C-BN复合式刀片及 制备方法。 技术背景
[0002] 立方氮化硼（c-BN)材料因其超高硬度（仅次于金刚石），低热膨胀系数，高化学稳 定性，高热稳定性和高温硬度等特点。将其加工成刀具在切削加工耐热钢、淬火钢、镍钴超 合金等难以切削的硬质材料（硬度一般大于50HRC的材料）时常表现出切削精度高，加工 效率高等优异性能。目前已被广泛的应用于汽车加工、航空制造、船舶制造等各个行业。
[0003] 尽管氮化硼刀具表现出优秀的切削性能，但是氮化硼本身的价格也比较高，所以 常将c-BN焊接在硬质合金基体上形成复合式立方氮化硼刀片。在生产c-BN刀具的过程中， 相对于硬质合金，c-BN的高硬度和脆性会导致成品刀片产生较高的内应力，严重时更会有 微裂纹。这样在切削硬质淬火钢或高硬粉末冶金材料时，会加速磨损降低刀具的使用寿命， 严重的会出现刀具崩刃现象。
[0004] TiN(氮化钛）涂层因其具有较高的硬度和韧性，也具备较好的抗氧化能力且色泽 为金黄色，是一种既美观又具有较好耐冲击的涂层。将其施镀在复合式c-BN刀片表面，一 方面可以显著减少c-BN刀刃的抗月牙洼磨损；另一方面TiN涂层的颜色会帮助刀片磨损的 观察；更为重要的一点是TiN本身就是c-BN刀刃焊接时一种常用的粘结剂，利用TiN涂层， 更能增加刀片表面韧性，提高刀片的初始耐冲击性。
[0005] 但TiN涂层的结构特征对涂层的耐磨性以及其他机械性能有重要的影响。如 美国专利US4226082和芬兰赫尔辛基理工大学Korhonen发现TiN涂层的织构特征对涂 层的耐腐蚀行为有很大影响（Corrosion of thin hard PVD coatings, Korhonen，Vacu um，45, 1031~1034, 1994)。且Korhonen指出涂层呈现（200)织构，一般涂层较为致密，涂 层比较耐腐蚀。澳大利亚莱奥本矿业大学Mayrhofer通过改变基体的温度、N 2分压，溅射 能量以及离子与Ti原子的通量比来获得不同织构的TiN涂层，报道了织构对涂层力学性能 的影响，发现涂层若呈现（200)取向都非常致密，但该涂层存在着较大的应力（Influence of deposition conditionson texture development and mechanicalproperties of TiN coatings,Mayrhofer,Geier et al，National Journal of Materials Research，100, 1052-1058, 2009) 〇
[0006] 上述研究表明，当TIN涂层出现较强的（200)织构时涂层较为致密，相对具有较好 的机械性能，但涂层也存在着较大的应力。应力大的涂层在后期使用过程中容易应力释放 而出现剥落，进而影响刀具使用寿命。
【发明内容】
[0007] 针对上述不足，本发明提供了一种刀具刀片及其制备方法，该刀片具有低应力的 TiN涂层，将该涂层施镀在复合式c-BN刀片上，可以显著提高刀具的使用寿命和加工精度。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种刀具刀片，其特征是，该刀片为复 合式c-BN刀片，由硬质合金刀体焊c-BN刀刃构成，所述复合式c-BN刀片上施镀有TiN涂 层。
[0009] 利用X射线衍射仪测得TiN为面心立方晶体结构，在探测角2Θ =30°~80°范 围内测量只出现!^(111)衍射峰和1^(200)衍射峰，在36.8°处出现1^(111)衍射峰， 42. 8°处出现TiN(200)衍射峰；
[0010] 测量TiN(200)衍射峰强度I (200)与TiN(lll)衍射峰强度I (111)之间的关系K 在0. 8~1之间，
[0012] 测量TiN(lll)衍射峰的半高宽宽度为0. 25°~0. 28°，TiN(200)衍射峰的半高 宽宽度为0.28°~0.3Γ。
[0013] 所述TiN涂层的晶粒大小为27~35nm，厚度为0. 4 μ m~1. 5 μ m ;该涂层致密，其 密度为4. 5~5. 3g/cm3,进一步优选为5. 1~5. 3g/cm3。
[0014] 所述TiN涂层与c-BN复合式刀片之间的结合力大于60N，涂层硬度为28GPa。
[0015] 作为优选，利用残余应力仪测得TiN涂层的压应力为-0· 92GPa~-1. 58GPa。
[0016] 本发明还公开了这种TiN涂层的制备方法，采用射频辅助直流的电源设备，并通 过调节队与Ar气的比例以及电源参数，使得除等离子羽辉自身对氮化硼刀片基体的加热 外（< 200°C )，无需额外加热，在复合式c-BN刀片上制备出上述结构的TiN涂层。
[0017] 该刀具刀片的制备方法，包括在硬质合金刀体焊C-BN刀刃制成复合式C-BN刀片， 其特征是，还包括以下步骤：
[0018] 1)清洗复合式C-BN刀片；
[0019] 2)安装靶材和刀片：以Ti靶材为溅射靶材，将溅射靶材连接至与射频电源叠加的 直流电源，复合式c-BN刀片安装在真空室中可旋转的样品台上；
[0020] 3)靶材预溅射：将背底真空抽至2. 0X10 3Pa以下，再充入氩气，并调节靶电源功 率为200W，然后开启电源，预先溅射靶材10~30min ;
[0021] 4)沉积TiN涂层：当背底真空低于2. 0X10 5Pa时，充入高纯氩气和氮气，两者的 流量比Ar:N2S 1~3,并保持气压为0. 3~0. 7Pa ;
[0022] 设置射频电源的频率为30~100MHz，同时设置射频电源功率PRF为200~500W、 直流电源功率P DC为200~350W，并调节f RF为0· 4~0· 6, f RF= P RV(PDC+PRF);
[0023] 再开启电源，在复合式c-BN刀片上低温制备出高结合力的TiN涂层，低温为小于 200 °C的温度，最终制得该刀具刀片。
[0024] 步骤1)中，所述复合c-BN刀片清洗方式为化学清洗和等离子体辉光刻蚀清洗。
[0025] 所述化学清洗具体为：将复合式c-BN刀片依次放入丙酮、酒精中，分别超声波清 洗10~20min，然后在温度为80~KKTC的干燥箱里鼓风干燥1~2h，或在上述干燥箱里 采用纯度为99. 99 %的高纯N2吹干。
[0026] 所述等离子体辉光刻蚀清洗具体为：将化学清洗后的复合式c-BN刀片安装在真 空腔中可旋转的样品台上，利用氩气产生的等离子体对基片刻蚀5~20min，使得刀片表面 附着的水分子、气体分子或者微尘颗粒被完全轰击掉，提高刀片表面与沉积原子之间的亲 和力。
[0027] 步骤2)中，所述的Ti溅射靶材纯度大于99. 995%，Ti靶材为圆形，直径为101mm， 厚度为4~5mm〇
[0028] 步骤3)中，充入氩气调节气压为0. 3~0. 7Pa，电源为直流电源。
[0029] 步骤4)中，当背底真空低于2. 0X 10 5Pa，能够减少沉积过程中气体分子进入涂层 中成为杂质，提高本发明沉积得到的TiN涂层的纯度和质量。
[0030] 作为优选，步骤4)中，所述高纯氩气和氮气的纯度均大于99. 99%，射频电源频率 优选为31MHz~81MHz。
[0031] 本发明利用磁控溅射法低温制备具有高结合力和低应力的TiN涂层，采用射频电 源辅助直流电源的方式沉积TiN涂层，设置射频电源功率P RF为200~500W，频率为31MHz~ 81MHz，直流电源功率PDC为200~350W，并调节两者的比值f RF为0. 4~0. 6,其中，f RF = Prf/(PdC+Prf)。
[0032] 本发明采用射频叠加直流电源，并控制一定的功率和频率，可以显著提高入射离 子的能量和密度。这些能量较高的离子连续轰击薄膜表面，可以促使沉积原子的表面扩散。 由于扩散能力增强，沉积的涂层缺陷少、应力小、致密度高，表现在力学性能上，涂层与基体 的结合力高、硬度高、耐磨损。所以该发明通过提高入射离子的能量和密度而替代现有工艺 (通过提高基体温度）来增加沉积原子的表面扩散，获得高性能的TiN涂层。然而，并不意 味着入射离子的能量越高越好，能量太高的入射离子反而会破坏涂层的晶体结构，进而产 生更多的缺陷，涂层力学性能反而下降。
[0033] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0034] (1)本发明提供了 一种低应力的TiN涂层（涂层压应力<_1.23GPa)，制备的TiN 涂层通过划痕测试与刀体的结合力达到了 60N以上，硬度也达到了 28GPa。
[0035] (2)本发明提供的这种磁控溅射制备TiN涂层的方法，无需加热氮化硼刀片，可直 接沉积TiN涂层，对复合式刀片焊缝处的损伤较少。沉积完毕后，涂层余温低（约150°C )， 无需冷却，可以直接拿出沉积腔，工业化生产效率高。
[0036] 本发明制备的TiN涂层为面心立方结构并呈现较强的（200)织构，涂层致密，密度 在5. 1~5. 3g/cm3,残余应力小于-L 23GPa，涂层与刀具基体间的结合力大于60N。该涂层 可以显著提高刀具的使用寿命和加工精度，该涂层采用磁控溅射法低温（< 200°C )制备， 用射频电源辅助直流电源的方式沉积。本方法可显著降低现有技术需要高温制备TiN涂层 的技术不足，可在未加热的氮化硼刀片上直接沉积TiN涂层。本发明一方面减少了高温对 复合式刀片焊缝处的损伤，另一方面，沉积完毕后，涂层余温低（约150°C )，无需冷却，可以 直接拿出沉积腔，工业化生产效率高。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明c-BN复合式刀片上沉积TiN涂层结构示意图；其中，（a)为硬质合 金1上焊有c-BN刀刃2 ; (b)为c-BN复合式刀片上沉积有TiN涂层3 ; (c)复合式c-BN刀 片尺寸示意图。
[0038] 图2为本发明复合式c-BN刀片上沉积TiN涂层的装置示意图；其中，1样品台、2 样品挡板、3靶挡板、4磁控靶头、5磁控靶头、6射频辅助电源、7直流电源。
[0039] 图3为实施例2制备的TiN涂层的XRD谱图；其中（a)为全谱图，（b)为衍射峰 (200)半高宽示意图。
[0040] 图4为实施例2制备的TiN涂层划痕测试，其中，①硬质合金处、②焊缝处、③C-BN 刀头处。
【具体实施方式】
[0041] 一种刀具刀片，该刀片为复合式C-BN刀片，由硬质合金刀体焊C-BN刀刃构成，并 采用TiN或TiCN陶瓷做粘结剂，复合式c-BN刀片上施镀有TiN涂层。
[0042] 利用X射线衍射仪测得TiN为面心立方晶体结构，在探测角2Θ =30°~80°范 围内测量只出现!^(111)衍射峰和1^(200)衍射峰，在36.8°处出现1^(111)衍射峰， 42. 8°处出现TiN(200)衍射峰；
[0043] 测量TiN(200)衍射峰强度I (200)与TiN(lll)衍射峰强度I (111)之间的关系K 在0. 8~1之间，
[
[0045] 测量TiN(lll)衍射峰的半高宽宽度为0. 25°~0. 28°，TiN(200)衍射峰的半高 宽宽度为0.28°~0.3Γ。
[0046] TiN涂层的晶粒大小为27~35nm，厚度为0·4μηι~1·5μηι，其密度为4. 5~ 5. 3g/cm3,进一步优选为 5. 1 ~5. 3g