表面改性涂层切削刀片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面改性涂层切削刀片及其制备方法。该切削刀片包含刀片基体和沉积于刀片基体上的涂层，涂层包含MT-TiZrCN涂层和最外层具有刚玉结构的Al(Zr)2O3改性涂层；Al(Zr)2O3改性涂层具有(300)晶面强织构取向，且取向晶面的强度比值I(300)/I(110)＝0.5～2.5。制备方法包括在刀片基体上依次沉积TiN层、MT-TiZrCN涂层、TiCxNyOz层、α-Al2O3层和Al(Zr)2O3改性涂层，得到表面改性涂层切削刀片。本发明专利技术的表面改性涂层切削刀片具有优异的耐热性能、抗崩刃性能和抗粘附性能，适用于钢及不锈钢的通用铣削加工等方面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属切削加工领域，尤其涉及一种表面改性涂层切削刀片及其制备方法。
技术介绍
现代CVD(化学气相沉积)涂层切削刀片的表面一般均含有两个主要的耐磨层MT-TiCN涂层以及Al2O3涂层，以提供涂层切削刀片足够的抗后刀面磨损及抗月牙洼磨损，同时保证一定的耐热性能。而CVD涂层切削刀片在钢材铣削应用中，特别是铣削加工不锈钢一类粘性大的工件材料时，刀片刃口受到断续冲击，切削温度持续变化，以及粘性切屑材料在刀片表面粘附，容易发生刀片崩刃以及表面涂层的剥落的现象。众所周知，相对于Al2O3组合应用的MT-TiCN涂层来说，Al2O3涂层具有极好的热稳定性，但是脆性较大，当应用于高速断续切削时，刃口要承受极短周期下的重复热冲击作用，极易发生崩刃，Al2O3涂层强度不足的因素缩短了涂层刀片的使用寿命。同时，MT-TiCN涂层作为抗后刀面磨损的耐磨层，在与Al2O3涂层的组合应用中，具有较好的强度，并且能够与基体及Al2O3涂层安全有效地粘附。但是MT-TiCN涂层与Al2O3涂层耐热性能的明显差异，也导致涂层刀片在高速断续切削过程中极易发生热塑性变形，并伴随大量热的作用而造成后刀面不均匀磨损，从而对切削刀尖失去有效支撑，最终造成崩刃。因此，提高MT-TiCN涂层的抗氧化性能，能有效延缓涂层刀片切削刃口的后刀面磨损过程，提高涂层切削刀片的耐崩刃性能。针对Al2O3涂层脆性较大的问题，韩国专利文献KR20120040163(A)采用降低Al2O3涂层的沉积温度，降温幅度达到20％～38％；并与MT-TiCN层或PVD(或PCVD)韧性基底层组合，从而达到提高涂层韧性的目的。美国专利文献US5698314、US6139921、US5516588公开了一种采用PVD及PCVD方法在低温条件下沉积纳米晶Al2O3涂层。以上技术由于沉积过程中大幅度降低温度，不仅会导致Al2O3涂层与底层组合涂层的结合强度下降，而且在沉积工艺过程中使得Al2O3涂层的沉积速率下降趋势更加明显，这些因素均不利于生产制备含较厚Al2O3涂层的切削刀片，从而在不锈钢等难加工材料的铣削加工过程中由于涂层结合力降低，以及高温，使得涂层耐磨性明显降低。而针对涂层切削刀片中另一个主要耐磨层MT-TiCN涂层的技术问题，日本专利文献JP2001025904(A)中有涉及到，该专利采用含有(Ti-Zr)CN复合沉积涂层经过后续热分解处理，形成颗粒状晶体结构的混合层，满足Ti/Ti+Zr原子配比0.05～0.3，该混合层沉积温度达到920℃～930℃，并且后续经过一个更高温度的气氛热处理过程，与后续沉积的颗粒状结构Al2O3涂层组合应用于硬质合金刀片表面。该专利技术沉积获得的TiZrCN涂层，沉积温度更高，而且还需要增加一个后续的高温气氛热处理过程，并且最终形成了颗粒状涂层组织结构，在铣削应用的断续加工冲击作用下，这种颗粒状组织结构的涂层刀具的抗崩刃性能明显不足。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有优异的耐热性能、抗崩刃性能和抗粘附性能的表面改性涂层切削刀片及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为一种表面改性涂层切削刀片，所述涂层包含MT-TiZrCN涂层和具有刚玉结构的Al(Zr)2O3改性涂层，所述Al(Zr)2O3改性涂层位于所述涂层的最外层；所述Al(Zr)2O3改性涂层具有(300)晶面强织构取向，取向晶面的强度比值I(300)/I(110)＝0.5～2.5。上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述Al(Zr)2O3改性涂层是在沉积工艺的AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2沉积气氛体系中加入ZrCl4气氛制备得到(即在α-Al2O3中掺入了Zr元素)，其中Zr元素是以ZrO2微晶形式存在于α-Al2O3晶粒的晶界上；所述Al(Zr)2O3改性涂层中Zr含量为0.1at％～0.8at％。上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述Al(Zr)2O3改性涂层的纵向面为柱状晶结构，所述柱状晶结构的顶部为四棱锥形，柱状晶的长径比≥2(优选2≤长径比≤20)。上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述Al(Zr)2O3改性涂层的厚度为2.5μm～6.0μm。更优选的，所述Al(Zr)2O3改性涂层的厚度为3.0μm～4.5μm。上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述MT-TiZrCN涂层是在沉积工艺的TiCl4-CH3CN-HCl-N2-H2沉积气氛体系中加入ZrCl4气氛制备得到(即在MT-TiCN中掺入了Zr元素)；所述MT-TiZrCN涂层中Zr含量为0.1at％～0.5at％。上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述MT-TiZrCN涂层纵向面为柱状晶结构，柱状晶的长径比≥3(优选3≤长径比≤30)。上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述MT-TiZrCN涂层的厚度为2.0μm～10.0μm。更优选的，所述MT-TiZrCN涂层的厚度为4.0μm～8.0μm。上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述涂层中还包含有TiN层、α-Al2O3层、TiCxNyOz层中的至少一层；所述TiCxNyOz层中，x+y+z＝1且z＞0(优选x+y+z＝1且x、y、z均大于0)。上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述涂层由内到外依次包含有所述的TiN层、MT-TiZrCN涂层、TiCxNyOz层、α-Al2O3层和Al(Zr)2O3改性涂层。上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述TiN层的厚度为0.1μm～0.5μm，所述MT-TiZrCN涂层的厚度为2.0μm～10.0μm，所述TiCxNyOz层的厚度为0.1μm～1.0μm，所述α-Al2O3层的厚度为0.1μm～2.0μm，所述Al(Zr)2O3改性涂层的厚度为2.5μm～6.0μm。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述的表面改性涂层切削刀片的制备方法，包括以下步骤：(1)制备刀片基体；(2)采用CVD工艺在所述刀片基体上沉积最内层的TiN层；(3)采用MT-CVD工艺在所述TiN层上沉积TiZrCN涂层，即MT-TiZrCN涂层，具体工艺条件为：在TiCl4-CH3CN-HCl-N2-H2沉积气氛体系中加入ZrCl4气氛，沉积温度为870℃～900℃，沉积压力50mbar～90mbar，调整ZrCl4与TiCl4气氛浓度比在0.1～0.3之间，控制所述沉积气氛体系中TiCl4的气氛浓度为1.7vol％～2.5vol％，CH3CN的气氛浓度为1.0vol％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面改性涂层切削刀片，包含刀片基体和沉积于刀片基体上的涂层，其特征在于，所述涂层包含MT‑TiZrCN涂层和具有刚玉结构的Al(Zr)2O3改性涂层，所述Al(Zr)2O3改性涂层位于所述涂层的最外层；所述Al(Zr)2O3改性涂层具有(300)晶面强织构取向，取向晶面的强度比值I(300)/I(110)＝0.5～2.5。

【技术特征摘要】
1.一种表面改性涂层切削刀片，包含刀片基体和沉积于刀片基体上的涂层，其特征在于，
所述涂层包含MT-TiZrCN涂层和具有刚玉结构的Al(Zr)2O3改性涂层，所述Al(Zr)2O3改性涂
层位于所述涂层的最外层；所述Al(Zr)2O3改性涂层具有(300)晶面强织构取向，取向晶面
的强度比值I(300)/I(110)＝0.5～2.5。
2.根据权利要求1所述的表面改性涂层切削刀片，其特征在于，所述Al(Zr)2O3改性涂
层是在沉积工艺的AlCl3-CO2-HCl-H2S-H2沉积气氛体系中加入ZrCl4气氛制备得到，其中Zr
元素是以ZrO2微晶形式存在于α-Al2O3晶粒的晶界上；所述Al(Zr)2O3改性涂层中Zr含量为
0.1at％～0.8at％。
3.根据权利要求1所述的表面改性涂层切削刀片，其特征在于，所述Al(Zr)2O3改性涂
层的纵向面为柱状晶结构，所述柱状晶结构的顶部为四棱锥形，柱状晶的长径比≥2。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的表面改性涂层切削刀片，其特征在于，所述
Al(Zr)2O3改性涂层的厚度为2.5μm～6.0μm。
5.根据权利要求4所述的表面改性涂层切削刀片，其特征在于，所述Al(Zr)2O3改性涂
层的厚度为3.0μm～4.5μm。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的表面改性涂层切削刀片，其特征在于，所述
MT-TiZrCN涂层是在沉积工艺的TiCl4-CH3CN-HCl-N2-H2沉积气氛体系中加入ZrCl4气氛制备
得到；所述MT-TiZrCN涂层中Zr含量为0.1at％～0.5at％。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的表面改性涂层切削刀片，其特征在于，所述
MT-TiZrCN涂层纵向面为柱状晶结构，柱状晶的长径比≥3。
8.根据权利要求7所述的表面改性涂层切削刀片，其特征在于，所述MT-TiZrCN涂层
的厚度为2.0μm～10.0μm。
9.根据权利要求8所述的表面改性涂层切削刀片，其特征在于，所述MT-TiZrCN涂层
的厚度为4.0μm～8.0μm。
10.根据权利要求1～3中任一项所述的表面改性涂层切削刀片，其特征在于，所述涂层
中还包含有TiN层、α-Al2O3层、TiCxNyOz层中的至少一层；所述TiCxNyOz层中，x+y+z
＝1且z＞0。
11.根据权利要求10所述的表面改性涂层切削刀片，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秀萍，陈响明，王社权，刘王平，周文豪，
申请(专利权)人：株洲钻石切削刀具股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43