一种涂层切削刀具及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种涂层切削刀具及其制作方法，该涂层切削刀具包括基体和基体上涂覆的单层或多层涂层；所述涂层为（Ti1-aMea）X涂层，其中，Me为化学元素Al、Cr、Zr、Si、Hf、Nb、W和Ta的其中一种或几种，X为化学元素N、C、O和B的其中一种或几种，a在0.2到0.6之间，涂层的总厚度为1μm至8μm之间，涂层在室温下的纳米硬度H在32GPa至42GPa之间。本发明通过使用Ti基（Ti1-aMea）X涂层为主要功能层，含有特定的固溶金属元素Me，使其拥有独特的结晶方式及结晶形态，从而能大幅改善涂层切削工具的耐磨性和抗冲击性的平衡性，提高切削加工的刀具或刀片寿命。
【专利说明】一种涂层切削刀具及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及涂层切削工具，特别是涉及一种涂层切削刀具及其制作方法。
【背景技术】
[0002]干式切削及高速加工是近年来切削技术发展的主要方向，干式切削由于其良好的环境亲和性，高速切削由于能提高加工效率和降低成本，在切削加工中的应用越来越广泛，但由于它们的切削过程中产生大量的热，造成刀具刃部温度剧烈升高，因而对刀具材料的特性特别是表面涂层材料提出了更苛刻的要求。
[0003]工具上常用的TiN涂层因其较低的抗氧化温度及低硬度已经无法满足切削加工技术持续发展的需求。TiN涂层在600°C以上易氧化生成TiO2，在涂层应力作用下导致氧化层剥落使涂层失效。与TiN涂层相比，后续开发出的TiAlN涂层由于Al的加入，Al原子置换TiN中部分的Ti原子形成TiAlN固溶体，高温下Al元素向表面扩散形成一层致密的Al2O3保护膜，可明显提高涂层的高温抗氧化性和高温硬度。当涂层中的铝含量超过某一临界值时，结晶的稳定性变差，其晶体由Bl-NaCl型面心立方结构变为B4-ZnS型六方结构，面心立方结构的TiAlN涂层具有良好的综合性能，而转变为六方结构后机械性能将会急剧变差。
[0004]CN101200797A公开了一种切削不锈钢用的PVD纳米多层涂层，其特征是:纳米多层涂层由TiN层、(Tix，Alh)N、(Tiy，Al1JN和(Tix，Al1J N交替沉积在硬质合金基体上组成，其中，0.5 < X < 1，0.3 < y < 0.5，涂层总的厚度控制在2?6um，TiN层厚度控制在2?8nm，(Tix, Al1J N单层厚度控制在I?5nm，(Tiy, Al1J N单层厚度控制在I?5nm。多层涂层中由于引入了 TiN，在高温条件下可能会引起整体性能的降低。
[0005]CN101318230A公开了一种带涂层的硬质合金切削刀具刀片，所述涂层为均匀的AlxTih层，其中x=0.6-0.67。涂层厚度为1.211111至3.611111。其涂层中的Al含量过高，高温相变后会引起某些加工过程中刃口抗冲击能力的下降。
[0006]JP3003986公开了一种切削刀片，涂层包括TiAIN，TiAlCN,其特点为X线衍射图谱上反射峰强度值比(220)/ (111)为I以上。
[0007]JP3382781公开了一种切削刀具，其表面涂层由Ti含量为75_98at%的一层和Ti含量为20-65at%的层交互叠加构成，前者的X线衍射图谱上反射波峰(200)/(111)强度比I以下，后者的X线衍射图谱上反射波峰(200)/(111)强度比I以上。
[0008]以上的技术已经不能满足不断发展的切削加工工艺对刀具切削刃的耐磨性和抗冲击性的要求。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种涂层切削刀具及其制作方法，通过使用Ti基(TihMea)X涂层为主要功能层，含有特定的固溶金属元素Me，使其拥有独特的结晶方式及结晶形态，从而能大幅改善涂层切削工具的耐磨性和抗冲击性的平衡性，提高切削加工的刀具或刀片寿命。
[0010]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种涂层切削刀具，包括基体和基体上涂覆的单层或多层涂层；所述基体为硬质合金、金属陶瓷或高速钢材料制作而成；所述单层或多层涂层，所述涂层为(TihMea) X涂层，其中，Me为化学元素Al、Cr、Zr、S1、Hf、Nb、W和Ta的其中一种或几种，X为化学元素N、C、O和B的其中一种或几种，a在0.2到0.6之间，利用X射线衍射在Θ/2Θ几何构成检测多晶立方相的存在，在衍射图谱上所述涂层特征表现为仅有一个明显的立方相反射波峰，波峰位于以2 Θ为横坐标的40度至45度之间，且波峰与背景比例P在大于1.2小于3之间，其余涂层立方相反射峰的波峰与背景比例P值小于1.2或波峰未能检出。
[0011]所述涂层在衍射图谱上表面为反射波峰宽化，反射波峰半幅全宽在0.8度2 Θ以上。
[0012]所述硬质合金材料中，是以WC为主成分，并含有6被％至13被％的(:0，和含有0.lwt%至0.5wt%的Cr，其中，WC颗粒平均大小为0.5 μ m至2.5 μ m之间。
[0013]所述涂层在室温下的纳米硬度H在32GPa至42GPa之间。
[0014]所述单层或多层涂层的总厚度为Ιμπι至8μπι之间。
[0015]所述多层涂层中，紧靠所述基体的一层涂层被设定为过渡层，过渡层以外的涂层被设定为功能层，所述过渡层与功能层的厚度之比为1:3以下。
[0016]所述多层涂层中，最外一层涂层被设定为表面层，表面层之内的涂层被设定为功能层，所述表面层与功能层的结构不相同，且表面层的厚度为0.1 μ m至I μ m之间。
[0017]一种涂层切削刀具及其制作方法，是在基体上采用物理气相沉积方法沉积所述涂层，所述涂层在下列条件下使用阴极电弧蒸镀生成:
[0018]总压力为0.1Pa至IPa ；
[0019]蒸镀电流在160A至280A之间；
[0020]偏压在-30V至-200V之间；
[0021 ] 沉积温度500 V至700 V之间。
[0022]进一步的，还包括在涂层后，通过机械加工进行表面平滑化处理。
[0023]一种涂层切削刀具的用途，适用于铣削加工。
[0024]本发明的有益效果是:
[0025]由于本发明使用Ti基(TihMea)X涂层为主要功能层，含有特定的固溶金属元素Me,使其拥有独特的结晶方式及结晶形态，能大幅改善涂层工具的耐磨性和抗冲击性的平衡性，提高切削加工的刀具刀片寿命。
[0026]以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种涂层切削刀具及其制作方法不局限于实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明实施例3中涂层刀具的结构示意图；其中，1、基体；2、主功能层Tia5Ala5N ;3、表面层 Tia65Ala35CN ；
[0028]图2是本发明实施例2的TiAlN涂层的Θ /2 θ X射线衍射图谱；
[0029]图3是对比例2的TiAlN涂层的Θ /2 θ X射线衍射图谱。【具体实施方式】
[0030]本发明所采用的具体技术方案为:一种优化切削刀具刀片切削性能的技术，所述切削刀具或刀片包括基体和涂层，所述基体为硬质合金、金属陶瓷或高速钢材料制作而成，所述涂层为单层或多层涂层，所述单层或多层涂层化学成分为(TihMea)X层，其中，Me为化学元素Al、Cr、Zr、S1、Hf、Nb、W和Ta的其中一种或几种，X为化学元素N、C、O和B的其中一种或几种，a在0.2到0.6之间，a在0.2到0.6之间，最能实现涂层工具刃口的耐磨性和抗冲击性的平衡性，a小于0.2则涂层刀具的耐磨性不佳，a大于0.6则涂层刀具抗冲击力下降，优选0.3至0.5之间。
[0031]所述多层涂层的表面涂层的化学成分设置与主要功能层(TihMea)X不同，以实现改善切削加工中的抗粘屑性或润滑性，该表面涂层厚度为0.1 μ m至I μ m之间，优选0.3 μ m至0.5 μ m之间。
[0032]所述基体采用粉末冶金技术，通过压制、烧结形成具有特定几何形状的毛坯，毛坯经过磨削加工和特殊的刃口处理后得到刀具基体。特别需要强调的是所述的刀具刀片涂层前的预处理。
[0033]涂层前预处理:是采用喷砂法对刀具表面进行清洗，去除切削刀具表面的氧化层、磨削破碎层，改善涂层与基体的结合强度，提高膜层附着力；进一步对切削刀具刃口进行抛光处理，消除刃口钝化后产生的粗糙痕迹，锯齿等，提高切削刃的强度。
[0034]所述涂层采用了物理气相沉积(PVD)的方法，在总压力为0.1Pa至IPa，在160A至280A蒸镀电流，优选200A至240A，在-30V至-200V偏压，沉积温度500°C至700°C条件下，优选550°C至650°C条件下，通过使用电弧蒸镀沉积上述涂层。
[0035]具体涂层处理如下:经过前处理的刀具基体首先经过进一步的Ar或Kr等离子体清洗，在更加微观的层面上去除表面残留杂质，以进一步提升涂层附着力。根据基体材质的表面特性，可在刀具基体上采用PVD法沉积一层过渡层，该层通过特殊的工艺参数设计，与基体具有良好的晶格匹配性，提供了良好的附着性，涂层厚度太薄将无法有效支撑其上的功能层，造成涂层剥离，厚度太厚会引起耐磨性的下降，优选厚度为500nm?I μπι。根据基体材质的表面特性，也可不加过渡层。接着沉积一层厚度为I μ m?7 μ m的主功能层(TiwMea) X，该层主要为提供优异耐磨性及抗冲击性，优选厚度为2?4 μ m，涂层厚度太薄无法提供优异的耐磨损性，厚度太厚会使涂层产生剥离而失效。所述涂层的总厚度为Iym至8 μ m之间,优选1.2 μ m至5 μ m之间。
[0036]涂层后，还可以通过机械加工(毛刷或湿喷砂)进行表面平滑化处理，提高切削加工中刀具的排屑能力，减少突发损坏的几率。
[0037]涂层后的刀具刀片，通过使用带有AmeTek制日立S-3700N扫描电子显微镜(SEM)进行能量色散分析来估算涂层(TihMea) X的成分a，切削刃口附近0.1-1mm位置的涂层断面为测定位置。膜厚也是通过扫描电子显微镜观察切削刃口附近0.1-1mm位置涂层断面来确定。
[0038]使用菲利普制X射线衍射设备Panalytical V percpro,以CoK α射线作为X射线源，控制管电压为40Κν和电流40mA，发散缝隙为1°，以Θ/2 Θ机构，2 Θ =20° -110°范围，进行X射线扫描，来测定涂层的结晶结构，所得的衍射图谱中反射峰有无是通过X’pertHighScore软件的Search peaks功能来确认。本说明书内所说XRD图谱(图2，3),为上述方法实测值再计算转化为以CuKa射线源为基准的XRD图谱。本发明中，在Ti基硬质涂层中添加一种以上的他元素改善晶粒结构，尤其细化及控制涂层晶体粒度是一个提高涂层刀具的切削性能的关键因素，体现在XRD图谱上，为反射波峰宽化度，及反射峰值强度。本发明发现了它们的最佳范围:(200)波峰的半幅全宽(FWHM) 0.8以上，优选1.0以上，波峰与背景比例P在大于1.2小于3之间。如果P值大于3，或半幅全宽(FWHM)0.8以下，则涂层的耐磨性不佳，P值小于1.2，则涂层与基体的结合力降低，涂层抗冲击力下降。
[0039]在将涂层表面机械抛光至镜面后，使用CSM nanoindenter TTX-NHT2系统的纳米压痕技术来估算出所述涂层的硬度数据，压入深度大于200nm，硬度单位为GPa。涂层纳米硬度H在32GPa至42GPa之间，优选34GPa至40GPa之间，才能最大限度发挥涂层的耐磨性及抗冲击能力。
[0040]以下结合具体例子对本发明做进一步的详细说明。
[0041]实施例一
[0042]本发明的一种涂层切削刀具(即涂层刀片)，刀片型号为铣刀片RPEW1204M0，刀片刃口采用特殊的钝化处理技术；其基体为细颗粒硬质合金，WC平均粒径0.8 μ m，其成分中Co质量百分数为10% ;其涂层为通过物理气相沉积方法(PVD法)制备而成，使用过渡层，过渡层与功能层厚度比例控制在1:3，总涂层厚度控制在3 μ m，涂层成分为Tia5Ala5N。XRD图谱上仅有(200)波峰，波峰的 半幅全宽(FWHM)为1.26，波峰与背景比例P为1.5，涂层硬度H 为 39GPa。
[0043]对比刀片型号及基体材质与本发明相同，并采用了相同的涂层前处理方式，所采用的涂层为Tia5Ala5N涂层。XRD图谱上有(111)，(200)，(220)波峰，(200)波峰的半幅全宽(FWHM)为0.475，波峰与背景比例P为9.2，涂层硬度H为30GPa。
[0044]上述两种刀片在以下条件下进行对比试验。切削试验采用2片对称装夹刀片的方式，根据切削过程中刀片磨损的实际状况，以15min，30min，45min，…等时间段为时间间隔观察后刀面磨损形貌，测量记录刀片后刀面磨损量，若观测间隔内发生振动、火花增大等异常情况，则即时停止试验观测刀片损伤情况。试验中，选择刀片后刀面平均磨损量Vb超过
0.3mm或任一刀片磨损Vbmax或崩刃超过0.4mm为寿命判断标准。
[0045]加工材料:P20(3Cr2Mo)，硬度 33 ~35HRC
[0046]切削速度:Vc=150m/min
[0047]进给:fz=l.0mm/tooth
[0048]切削深度:ap=0.8mm
[0049]切削宽度:ae=40mm
[0050]切削方式:型腔铣削
[0051]冷却方式:干式切削
[0052]对比的两种涂层共进行了三组试验，试验结果如表1所示。
【权利要求】
1.一种涂层切削刀具，包括基体和基体上涂覆的单层或多层涂层；其特征在于:所述基体为硬质合金、金属陶瓷或高速钢材料制作而成；所述单层或多层涂层，所述涂层为(TiwMea) X涂层，其中，Me为化学元素Al、Cr、Zr、S1、Hf、Nb、W和Ta的其中一种或几种，X为化学元素N、C、O和B的其中一种或几种，a在0.2到0.6之间，利用X射线衍射在Θ /2 Θ几何构成检测多晶立方相的存在，在衍射图谱上所述涂层特征表现为仅有一个明显的立方相反射波峰，波峰位于以2Θ为横坐标的40度至45度之间，且波峰与背景比例P在大于.1.2小于3之间，其余涂层立方相反射峰的波峰与背景比例P值小于1.2或波峰未能检出。
2.根据权利要求1所述的涂层切削刀具，其特征在于:所述涂层在衍射图谱上表面为反射波峰宽化，反射波峰半幅全宽在0.8度2 Θ以上。
3.根据权利要求1所述的涂层切削刀具，其特征在于:所述硬质合金材料中，是以WC为主成分，并含有6wt%至13wt%的Co，和含有0.lwt%至0.5wt%的Cr，其中，WC颗粒平均大小为0.5 μ m至2.5 μ m之间。
4.根据权利要求1所述的涂层切削刀具，其特征在于:所述涂层在室温下的纳米硬度H在32GPa至42GPa之间。
5.根据权利要求1所述的涂层切削刀具，其特征在于:所述单层或多层涂层的总厚度为1μm至8μm。
6.根据权利要求1所述的涂层切削刀具，其特征在于:所述多层涂层中，紧靠所述基体的一层涂层被设定为过渡层，过渡层以外的涂层被设定为功能层，所述过渡层与功能层的厚度之比为1:3以下。
7.根据权利要求1所述的涂层切削刀具，其特征在于:所述多层涂层中，最外一层涂层被设定为表面层，表面层之内的涂层被设定为功能层，所述表面层与功能层的结构不相同，且表面层的厚度为0.1μm至1μm之间。
8.—种如权利要求1至7中任一权利要求所述的涂层切削刀具的制作方法，是在基体上采用物理气相沉积方法沉积所述涂层，所述涂层在下列条件下使用阴极电弧蒸镀生成: 总压力为0.1Pa至1Pa ； 蒸镀电流在160Α至280Α之间； 偏压在-30V至-200V之间； 沉积温度500 V至700 V之间。
9.根据权利要求8所述的涂层切削刀具的制作方法，其特征在于:进一步的，还包括在涂层后，通过机械加工进行表面平滑化处理。
10.一种如权利要求1至7中任一权利要求所述的涂层切削刀具的用途，其特征在于:用于铣削加工。
【文档编号】C23C14/32GK103586520SQ201310489244
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】陈路, 伍伟, 卢志红 申请人:厦门金鹭特种合金有限公司