专利名称：表面改性涂层的切削刀具及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属切削加工领域，尤其涉及一种涂层切削刀具及其制备方法。
背景技术：
切削刀具在使用过程中，刀具失效现象包括受机械冲击所致的脆性崩刃以及刀具在机械和热循环冲击综合作用下的磨损、氧化、粘附剥落等。涂层技术的出现，为解决刀具韧性和耐磨性等问题提供了一条极为有效的途径。在刀具基体表面沉积一层或多层如TiC、TiN、TiCN、Al203等硬质化合物涂层，大幅度地提高了刀具的性能和使用寿命，使得切削刀具具有了更高的耐磨性和耐热性；光滑的刀具表面还减小了与工件的摩擦，降低了切削力，减小了功率消耗，能耗得以降低。在刀具表面的CVD涂层设计中，目前应用最广泛的是TiN、TiCN及Al2O3等涂层，钛化物涂层能够与合金基体进行较好的热匹配，而Al2O3能够保证高速高效加工，延长刀具寿命。Al2O3涂层在高速切削加工的高温条件下，可以改善化学或固溶方面的耐磨性能，而这一方面ZrO2涂层更有效。ZrO2具有比Al2O3更低的热导率，能够对基体起到更好的热障作用，同其他涂层材料相比，ZrO2具有较高的强度、断裂韧性和良好的耐磨性，以及优异的热学和力学性能。众所周知，块状陶瓷材料中弥散分布的二次相能影响材料的强度、硬度、韧性和结构等，用CVD技术沉积生长的这一类薄膜涂层也是这种情况，二次相可以抑制微晶晶粒生长，是涂层薄膜生长中的正常现象，导致涂层结构和性能的改进，这种效果非常重要。因此如果能够把ZrO2与Al2O3进行复合沉积，控制复合沉积过程中两相的比例，所形成的复合涂层可能能够将Al2O3的良好界面粘附性能、耐磨性和ZrO2的高化学性和抗热性能进行很好的结合，甚至可以极大地改善普通Al2O3涂层的表面粗糙度，使涂层表面更加致密光滑，从而获得表面性能更好的涂 层切削刀具。在目前的CVD涂层技术中，要实现ZrO2与Al2O3的复合沉积，主要是利用ZrCl4和AlCl3气氛作为两种金属元素的来源，采用Zrci4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2沉积气氛系统直接在CVD涂层炉中实现。US20020155325 美国专利文献公开了一种把 ZrCl4 加入 AICI3-Co2-HC1-H2S-H2 气氛中进行Al2O3涂层沉积，形成具有(300)强织构的C1-Al2O3涂层，其(300)晶面织构系数TC值在1.5以上；专利US2007148498公开了一种形成Al2O3涂层的方法，它是在外层Al2O3沉积过程中通入ZrCl4气氛，形成的Al2O3涂层的(110)晶面织构系数TC值大于1.5，而(012)、(104)、(113)、(024)和(116)晶面的TC小于1.0，涂层厚度为2 μ m 15 μ m，这种取向的Al2O3涂层提高了抗磨损和粘附性能。上述两个沉积Al2O3涂层的工艺，只涉及在工艺沉积中引入Zr元素来形成某个单一晶面强织构的C1-Al2O3涂层，而没有说明形成的C1-Al2O3涂层与其他相关晶面的相关关系。专利JP2008126342公开了一种用于高速断续切削的硬质合金涂层刀具，其涂层构成包括内层含Ti复合物涂层以及外层的Al2O3和ZrO2两相混合氧化物涂层，混合氧化物层中的Zr/(A1+Zr)原子比为0.003 0.2 ;其中(111)取向的单环ZrO2分散在涂层中，而XRD检测结果显示衍射峰最强的依次为(012)和(110)晶面。此外，专利US2009170415公开了一种耐磨损硬质合金涂层刀具，其内层为含Ti混合物层，外层沉积形成含Zr的a -Al2O3层，平均厚度为2μπι 15μπι，涂层中Zr在Al和Zr总含量中所占比例为0.002 0.01 ；其涂层组织显示表面呈锥状的大颗粒，厚度方向上为细长形状结构；涂层中的Zr成分提高了涂层的晶界强度，在高速重力切削加工中也不易发生崩刃、缺损、剥离等问题，耐磨性优异。而专利JP2010115737公开了一种表面涂层切削刀具，在其单层或多层涂层结构中，具有一层Al和Zr的含量在涂层厚度方向有变化的氧化层结构，在Al含量最高点处，Al的含量比例即Al/(A1+Zr)原子比为0.9999 < Al < I ;在Zr含量最高点处，Zr的含量比例即Zr/(Al+Zr)原子比为0.001彡Zr/(Al+Zr)彡0.2 ;涂层中含有ZrO2物质。以上专利中，涉及到复合涂层组织结构中的Zr含量比例、沉积层厚度范围以及锥状大颗粒形貌等特点，对切削应用的性能改善体现在高速断续切削时的耐磨性、抗崩刃性等方面。而在实际使用时发现，在Al2O3沉积工艺过程中引入ZrCl4气氛来进行Zr元素掺杂，极其容易发生沉积层厚度不均勻现象，在Per Martensson发表的期刊文献《Influenceof the concentration of ZrCl4 on texture,morphology and growth rate of CVD growna -Al2O3 coatings deposited by the AlCl3/ZrCl4/H2/C02/H2S process》中也提到了这一问题，而相关专利中都没有涉及到ZrO2与Al2O3复合沉积时对切削刀具上下表面沉积层厚度均匀性控制的问题，而该些技术问题在Zrci4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2气氛系统沉积ZrO2与Al2O3复合涂层中却表现得异常突出。因为在Zrci4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2气氛系统沉积过程中，ZrCl4气氛对CO2及H2S都极其敏感，沉积过程极易出现切削刀具表面沉积层厚度波动达数个微米级别的情况。该技术问题的解决对涂层刀具质量的控 制显得尤为重要。更为重要的是，切削刀具的表面质量对切削加工过程及加工工件的使用寿命也会产生很大影响，尤其是表面粗糙度值Ra与切削刀具的耐磨性、抗腐蚀性、抗断裂能力以及抗粘附能力等密切相关。若表面粗糙度值过大，切削刀具与加工工件的切削摩擦阻力提高，刀具刃口所需承受的切削力增大，切削温度上升，导致切削过程散热功效的消耗增大；切屑也容易粘附在刀具表面，发生切屑附着的磨损失效，这种切屑粘附现象造成的刀具磨损使得切削刀具的寿命变化幅度较大，在一定程度上提高了加工成本；另外，切削刀具的表面粗糙度值过大，其加工工件的表面会不光滑，工件在使用时会产生应力集中，并容易产生裂纹而发生断裂失效等。目前，在涂层刀具表面最外层为Al2O3涂层的切削刀具生产制备工艺过程中，直接沉积获得的涂层切削刀具表面粗糙度值Ra在0.3um以上，均需要在涂层沉积工艺结束后，进行切削刀具涂层表面的后处理，即涂层表面喷砂过程，以获得表面光滑的涂层切削刀具，提高其使用寿命及保证高质量的切削加工表面。目前应用的切削刀具表面涂层后处理工艺，预先要把涂层刀片按照规格型号，分别采用不同尺寸的金属杆及隔离弹簧把涂层刀片连成一串，相互两串涂层刀片之间间隔一定的距离，固定在托盘支架上，然后采用转台湿式喷砂机，选用一定规格的氧化招粉末磨料与水充分混合，设定一定的喷枪空气输出压力以及喷砂时间进行喷砂处理，然后进行清洗，显微镜的色泽检测，干燥，卸料装盘，完成涂层后处理工艺过程，涂层喷砂处理后，表面粗糙度值Ra可达到0.25 μ m左右，涂层表面光滑度提高，但是涂层后处理工艺过程也增加了涂层切削刀具的制备工序，提高了刀具生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种表面厚度较均匀、涂层表面极度光滑、且微观结构及涂层晶面取向得到改进和优化的表面改性涂层的切削刀具，还相应提供该表面改性涂层的切削刀具制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案:一种表面改性涂层的切削刀具，包含刀具基体和涂层，所述刀具基体上至少部分涂有涂层(一般由一层或多层的耐熔层组成)，所述涂层中至少包含一层具有刚玉结构的Al (Zr)2O3改性涂层，所述Al (Zr)2O3改性涂层同时在(110)及(300)晶面织构取向明显，且具有表面光滑的柱状结构。作为公知的，所述刀具基体主要由硬质合金、金属陶瓷、陶瓷或超硬材料(超硬材料如立方氮化硼、聚晶金刚石等)组成。上述的表面改性涂层的切削刀具中，所述Al (Zr)2O3改性涂层的织构系数TC(IlO)优选在1.6 3.1，TC(300)优选在1.5 4.0。上述的表面改性涂层的 切削刀具中，所述Al (Zr)2O3改性涂层在(012)、(104)、(113)、(024)、(116)晶面的织构系数均优选小于或等于I。上述的表面改性涂层的切削刀具中，优选的，所述Al (Zr)2O3改性涂层的表面粗糙度Ra彡0.21 μ m(涂层表面极其光滑)。作为对上述的表面改性涂层的切削刀具的进一步改进，位于所述切削刀具表面的Al (Zr)2O3改性涂层的厚度差值(厚度差值是指该涂层刀片的上、下两个前刀面沉积涂层厚度最厚处与最薄处相减后的差值，亦即厚度的最大差值)优选在0.4 μ m 1.5 μ m。上述的表面改性涂层的切削刀具中，所述Al (Zr)2O3改性涂层中元素Zr的含量优选在0.lat% 0.8at% (更优选在0.lat% 0.5at% )，且元素Zr主要以ZrO2微晶形式存在于所述的Al (Zr)2O3改性涂层中。上述的表面改性涂层的切削刀具中，所述Al (Zr) 203改性涂层的表面沉积厚度优选为2.5μηι 6.0μηι(优选3.0 μ m 4.5 μ m),涂层晶粒的平均粒径< I μ m。上述的表面改性涂层的切削刀具中，所述涂层中还优选包含有TiN层、TiCN层、TiCO层、a-Al2O3层中的至少一层。更优选的，所述涂层由内到外依次包含有所述的TiN层、TiCN 层、TiCO 层、a -Al2O3 层和 Al (Zr)2O3 改性涂层。作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述表面改性涂层的切削刀具的制备方法，包括以下步骤:(I)先采用现有的CVD工艺在所述刀具基体上沉积最里层的TiN层；(2)再利用MT-CVD工艺在所述TiN层上沉积TiCN层；(3)然后利用现有的CVD工艺在所述TiCN层上沉积一层TiCO层；(4)再利用CVD工艺在所述TiCO层上沉积a -Al2O3层；(5)最后利用CVD工艺在所述a -Al2O3层上沉积Al (Zr)2O3改性涂层，沉积所述Al (Zr)2O3改性涂层的具体工艺条件包括:以Zrci4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在980°C 1050°C，沉积压力控制在50mbar 70mbar，调整所述沉积气氛体系中的CO2与HCl的气氛浓度比在0.7 0.8 (气氛浓度是指该气体在整个气氛体系中的体积分数)，调整所述沉积气氛体系中的ZrCl4与AlCl3的气氛浓度比在0.10 0.12，同时控制所述沉积气氛体系中H2S的气氛浓度在0.12Vol% 0.15Vol%，沉积厚度控制为
2.5μηι 6.Ομηι(优选3.0 μ m 4.5 μ m),沉积完成后不进行涂层表面的后处理工艺,直接得到表面改性涂层的切削刀具。本发明制备方法制得的切削刀具不需要经过涂层表面后处理工艺，在刀具表面5mm评定长度上的表面粗糙度即可达到Ra ^ 0.21 μ m。与现有技术相比，本发明的优点在于:1、本发明针对现有ZrO2-Al2O3复合沉积涂层存在的问题，对Zrci4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2的沉积气氛及工艺条件进行有效控制，使刀具表面ZrO2-Al2O3复合沉积层的组分含量、微观结构及涂层晶面取向等得到改进和优化，制备形成的Al (Zr)2O3改性涂层在(110)及(300)晶面均织构取向明显，且具有表面极其光滑(表面粗糙度Ra ^ 0.21 μ m)的柱状结构；而表面粗糙度值Ra越小，切削刀具的抗弯强度以及冲击韧性均升高，切削刀具的加工性能及加工稳定性更好；2、本发明的表面改性涂层的切削刀具，通过对微观结构、组分及表面光滑度的改善，在不降低原有切削磨损性能的情况下，可以进一步减小切削加工时的摩擦力和切削力，同时还可以省去刀具生产制备中涂层表面后处理的操作步骤；这不仅延长了刀具的使用寿命，而且简化了工艺步骤，减少了制备工序，降低了涂层切削刀具的加工成本；3、本发明优选的表面改性涂层的切削刀具中，其表面Al(Zr)2O3改性涂层的厚度均匀性得到很大改观，本发明切削刀具的上下表面Al (Zr)2O3改性涂层的厚度差可控制在
0.4 μ m 1.5 μ m，进一步提高了 Al (Zr)2O3改性涂层的厚度的均匀性和刀具性能的稳定性，提闻了生广效率。
图1为本发明实施例1的切削刀具中Al (Zr)2O3改性涂层的XRD衍射谱图。图2为本发明实施例1的切削刀具中Al (Zr)2O3改性涂层的扫描电子显微照片(放大倍数为10000)。图3为本发明实施例1的切削刀具中Al (Zr)2O3改性涂层截面的扫描电子显微照片(放大倍数为3000)。图4为本发明实施例1的切削刀具中未经任何表面后处理工艺所检测到的表面粗糙度曲线。图5为本发明对比例2的切削刀具所检测到的粗糙度曲线。图6为本发明对比例3的切削刀具所检测到的粗糙度曲线。
具体实施例方式实施例1:一种本发明的表面改性涂层的切削刀具，包含硬质合金刀具基体和涂层，刀具基体上涂有涂层，涂层由内到外依次包含有TiN层、TiCN层、TiCO层、a -Al2O3层和Al (Zr)2O3改性涂层，涂层中的Al (Zr)2O3改性涂层具 有刚玉结构，Al (Zr)2O3改性涂层同时在(110)及(300)晶面织构取向明显，且具有表面极其光滑的柱状结构；Al (Zr)2O3改性涂层在各不同取向上的织构系数如下表I所示，其中TC(IlO)在1.92，TC(300)在3.13，在(012)、(104)、(113)、(024)、(116)晶面的织构系数均彡I。Al (Zr)2O3改性涂层的表面粗糙度Ra为0.21 μ m。位于本实施例切削刀具上下表面的Al (Zr)2O3改性涂层的厚度差值在0.4 μ m
1.2 μ m (平均值为0.6 μ m)。Al (Zr)2O3改性涂层中元素Zr的含量在0.59at% (0.1at %~0.8&七％均可)，且元素Zr主要以ZrO2微晶形式存在于Al (Zr)2O3改性涂层中，Al (Zr)2O3改性涂层的表面沉积厚度为4.0 μ m，涂层晶粒的粒径彡I μ m(本实施例为0.8 μ m)。本实施例的表面改性涂层的切削刀具的制备方法，包括以下步骤:(I)将Co含量为6wt%、WC粒度为Iym的混合料粉末经压制、烧结、研磨等工序制备成硬质合金刀具基体，先采用现有的CVD工艺在该刀具基体上沉积最里层的TiN层(沉积厚度0.2 μ m)；(2)再利用MT-CVD工艺在上述TiN层上沉积TiCN层(沉积厚度7 μ m);(3)然后利用现有的CVD工艺在上述TiCN层上沉积一层TiCO层(沉积厚度0.5 μ m)；
(4)再利用CVD工艺在上述TiCO层上沉积a -Al2O3层(沉积厚度1.5 μ m)；(5)最后利用CVD工艺在上述TiCO层上沉积Al (Zr) 203改性涂层，沉积该Al (Zr)2O3改性涂层的具体工艺步骤为:首先，在Al2O3沉积气氛中加入ZrCl4气氛，形成以Zrci4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2的沉积气氛体系，沉积温度控制在1010°C (980°C 1050°C均可)，沉积压力控制在50mbar 70mbar,调整沉积气氛体系中的CO2与HCl的气氛浓度比为0.8，调整沉积气氛体系中的ZrCl4与AlCl3的气氛浓度比为0.12，同时控制沉积气氛体系中H2S的气氛浓度在0.15vol %，沉积厚度控制为4.0 μ m，沉积完成后不进行涂层表面的后处理工艺，直接得到表面改性涂层的切削刀具。本实施例1制得的切削刀具中Al (Zr)2O3改性涂层的XRD衍射检测结果如图1和下表I所示。从图1中可以明显看出Al (Zr)2O3改性涂层在(110)和(300)晶面的衍射峰峰强；而以微晶形式存在涂层中的低含量ZrO2在谱图中没有出现衍射峰。由下表I还可以看出，涂层织构值TC(IlO)为1.92，TC(300)达3.13，其他晶面的织构值均小于I。表1:实施例1的切削刀具中Al (Zr)203改性涂层的XRD衍射检测结果
权利要求
1.一种表面改性涂层的切削刀具，包含刀具基体和涂层，所述刀具基体上至少部分涂有涂层，所述涂层中至少包含一层具有刚玉结构的Al (Zr)2O3改性涂层，其特征在于:所述Al (Zr)2O3改性涂层同时在(110)及(300)晶面织构取向明显，且具有表面光滑的柱状结构。
2.根据权利要求1所述的表面改性涂层的切削刀具，其特征在于:所述Al(Zr)2O3改性涂层的织构系数TC(IlO)在1.6 3.1 ,TC (300)在1.5 4.0。
3.根据权利要求2所述的表面改性涂层的切削刀具，其特征在于:所述Al(Zr)2O3改性涂层在(012)、(104)、(113)、(024)、(116)晶面的织构系数均彡I。
4.根据权利要求1、2或3所述的表面改性涂层的切削刀具，其特征在于:所述Al (Zr)2O3改性涂层的表面粗糙度Ra彡0.21 μ m。
5.根据权利要求1、2或3所述的表面改性涂层的切削刀具，其特征在于:位于所述切削刀具表面的Al (Zr)2O3改性涂层的厚度差值在0.4 μ m 1.5 μ m。
6.根据权利要求1、2或3所述的表面改性涂层的切削刀具，其特征在于:所述Al (Zr)2O3改性涂层中元素Zr的含量在0.1at % 0.8at%，且元素Zr主要以ZrO2微晶形式存在于所述的Al (Zr)2O3改性涂层中。
7.根据权利要求1、2或3所述的表面改性涂层的切削刀具，其特征在于:所述Al (Zr) 203改性涂层的表面沉积厚度为2.5 μ m 6.0 μ m，涂层晶粒的平均粒径< I μ m。
8.根据权利要求1、2或3所述的表面改性涂层的切削刀具，其特征在于:所述涂层中还包含有TiN层、TiCN层、TiCO层 、a -Al2O3层中的至少一层。
9.根据权利要求8所述的表面改性涂层的切削刀具，其特征在于:所述涂层由内到外依次包含有所述的TiN层、TiCN层、TiCO层、a -Al2O3层和Al (Zr)2O3改性涂层。
10.一种如权利要求9所述的表面改性涂层的切削刀具的制备方法，包括以下步骤: (1)先采用现有的CVD工艺在所述刀具基体上沉积最里层的TiN层； (2)再利用MT-CVD工艺在所述TiN层上沉积TiCN层； (3)然后利用现有的CVD工艺在所述TiCN层上沉积一层TiCO层； (4)再利用CVD工艺在所述TiCO层上沉积a-Al2O3层； (5)最后利用CVD工艺在所述a-Al2O3层上沉积Al (Zr) 203改性涂层，沉积所述Al (Zr)2O3改性涂层的具体工艺条件包括:以Zrci4-AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2作为沉积气氛体系，沉积温度控制在980°C 1050°C，沉积压力控制在50mbar 70mbar，调整所述沉积气氛体系中的CO2与HCl的气氛浓度比在0.7 0.8，调整所述沉积气氛体系中的ZrCl4与AlCl3的气氛浓度比在0.10 0.12，同时控制所述沉积气氛体系中H2S的气氛浓度在·0.12vol% 0.15vol%,沉积厚度控制为2.5 μ m 6.0 μ m,沉积完成后不进行涂层表面的后处理工艺，直接得到表面改性涂层的切削刀具。
全文摘要
本发明公开了一种表面改性涂层的切削刀具及其制备方法，包含刀具基体和涂层，基体上涂有涂层，涂层中包含Al(Zr)2O3改性涂层，该改性涂层同时在(110)及(300)晶面织构取向明显，且具有表面光滑的柱状结构。本发明的制备方法包括先采用现有的CVD工艺在刀具基体上依次沉积TiN层、TiCN层、TiCO层和α-Al2O3层；最后通过以下工艺条件沉积改性涂层以多气体作为沉积气氛体系，控制沉积温度和沉积压力，并调整特定气体的气氛浓度，控制沉积厚度，沉积完成后不进行涂层表面的后处理工艺，直接得到涂层切削刀具。本发明的切削刀具表面厚度较均匀，涂层表面极度光滑，且微观结构及涂层晶面取向得到改善。
文档编号C23C16/30GK103205728SQ20121001441
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者李秀萍, 陈响明, 王社权, 刘王平 申请人:株洲钻石切削刀具股份有限公司