一种高光滑涂层刀具及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种高光滑涂层刀具及其制作方法，所述涂层是采用电弧离子镀形成的高光滑涂层，涂层表面液滴密度小于5×10

【技术实现步骤摘要】
一种高光滑涂层刀具及其制作方法
本专利技术涉及一种涂层刀具，特别是涉及一种用电弧离子镀法制备的高光滑涂层刀具及其制作方法。
技术介绍
随着高速切削、干式切削等先进切削技术的不断发展，对刀具的性能也提出了更高的要求。PVD涂层技术是提高刀具性能和寿命的重要途径，并且已经广泛地应用于切削刀具领域。磁控溅射和电弧离子镀是最常见的两种PVD涂层技术。其中，磁控溅射具有膜层致密性良好，涂层表面平整，无明显的孔洞和大颗粒等优点，但其沉积速率较慢，膜基结合力低。电弧离子镀具有离化率高(可达90％)，沉积速率快，膜基结合力优秀等优点，但制备的涂层含有大颗粒(也称为“液滴”)，影响涂层表面粗糙度，破坏涂层的连续性。粗大液滴在切削时，容易剥落，成为裂纹萌生点。减少或去除电弧离子镀涂层液滴的基本途径主要有三种：一、减少或抑制涂层过程中液滴的生成，如采用合适的靶材、磁场和工艺参数。二、阻止液滴传输到基体上，主要是在靶材前设置重力或磁过滤系统，但会显著降低涂层沉积速率。三、涂层后处理，后蚀刻等，此法会在原来液滴处形成凹坑，这些凹坑可能成为切削过程中的失效点。中国专利CN1632905A公开了一种真空阴极弧直管过滤器，采用二级直管磁过滤和挡板屏蔽结合的方法来过滤阴极的大颗粒，但是牺牲了等离子体的传输效率，使沉积速率大大降低。CN101691654B公开了一种制造涂层切削工具的方法，在阴极电弧蒸镀PVD涂层过程中，涂层经历多于一个的离子蚀刻步骤。该方法提出将离子蚀刻作为中间步骤与沉积步骤交替进行，或者作为涂层结束后另外执行的最后步骤，来减少涂层内部和表面的液滴。该方法虽然可以减少涂层液滴数量，但其工艺繁琐，大大延长了制备周期。目前，还未见采用电弧离子镀制备高光滑涂层且不采用阴极过滤器、不需要涂层后处理或涂层后蚀刻等额外步骤的相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足，提供一种高光滑涂层刀具及其制作方法，该涂层刀具有高光滑，高硬，高韧，高耐磨和润滑性良好等特点。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高光滑涂层刀具，包括基体和基体上的涂层；所述涂层是通过电弧离子镀法形成的高光滑涂层，涂层表面液滴密度小于5×105个/mm2，该涂层包含Ti1-x-yCrxMoy表示的金属成分和BαCβOγN1-α-β-γ表示的非金属成分，其中，x、y以原子比计满足0≤x≤0.1，0≤y≤0.1，α、β、γ以原子计比满足0.1≤α≤0.6，0≤β≤0.2，0≤γ≤0.2；该涂层具有等轴状超细晶组织，该等轴状超细晶组织具有由硼含量不同的多个层构成的多层结构，该涂层的XRD图谱上可以同时检测到立方结构相和六方结构相衍射峰。所述涂层的XRD图谱中立方结构相的(111)面的峰强度和(200)面的峰强度之比为0.8～1.2；六方结构相仅有一个明显的衍射峰，其半高宽为0.2～0.8°。所述涂层至少由从基体向外依次分布的A层和B层所构成，A层中硼的含量为2～15at％，B层中硼的含量为25～50at％，具有3层以上时，在最底层和最外层之间增设A层和B层的多个交替叠层。所述涂层总厚度为0.5～2um，最底层的厚度为50～300nm。所述交替叠层的调制周期<100nm。所述涂层等轴状超细晶组织的晶粒尺寸为0.3～1μm。所述涂层在室温下的硬度H为25～40GPa，弹性回复率δ为10～20％，所述硬度和弹性回复率是由纳米硬度计测出的。所述基体的材质为高速钢、金属陶瓷或硬质合金。一种高光滑涂层刀具的制作方法，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电弧离子镀生成：总压力为0.5～1.5Pa；靶电流为150～200A；靶材表面磁场强度为200～400高斯；基体偏压为﹣30～﹣200V；沉积温度为300～500℃。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用电弧离子镀来制备涂层，克服了磁控溅射沉积速率慢，涂层膜基结合力较低等问题，而且具有与磁控溅射涂层相近的表面质量，表面光滑平整，液滴极少，尤其适合作为精加工刀具涂层。本专利技术的涂层切削刀具的制作方法，操作方便，制备周期短，无需如涂层后处理，后蚀刻等额外步骤，可复现性好，便于实现工业化生产。以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细说明；但本专利技术的一种高光滑涂层刀具及其制作方法不局限于实施例。附图说明图1是本专利技术实施例1样品4涂层的XRD图谱；图2是本专利技术实施例1样品4涂层的表面SEM形貌；图3是磁控溅射Ti-B系涂层的表面SEM形貌；图4是电弧离子镀TiAlN涂层的表面SEM形貌。具体实施方式实施例本专利技术采用电弧离子镀技术，通过靶材和涂层工艺参数的合理搭配制备出具有高硬、高韧、高耐磨和润滑性良好等特点的高光滑涂层。本专利技术涂层具有由硼含量不同的多个层构成的多层结构。A层中少量的硼可以增强膜层硬度和耐剥离性，硼元素含量高于15at％时，会导致内应力过大，耐剥离性下降，因此，A层中硼元素含量上限优选为15at％。B层中硼元素的含量优选为25～50at％，最外层中B元素含量低于25at％时不能保证涂层的硬度和耐磨性。进一步，可以在最底层和最外层之间设置A层和B层的多个交替叠层，通过涂层中硼元素含量的梯度变化，使从最底层到最外层中钛的硼化物的含量越来越高，有助于缓解涂层内应力，增加涂层韧性。C和O可以提高涂层硬度和润滑性，C的含量超过10at％时会降低涂层的硬度和耐氧化性，O的含量超过10at％时会导致涂层硬度和耐磨性下降，因此，涂层中C和O元素含量的上限均优选为10at％。C和O元素可以通过使用含C、O的合金靶和/或者在涂层中导入含碳气体、氧气来加入。Cr和Mo可以细化涂层晶粒，增强涂层耐热性和耐磨损性，涂层中Cr和Mo含量的上限均优选为5％。本专利技术涂层具有等轴状超细晶组织，其晶粒尺寸对涂层性能具有重要影响，当晶粒尺寸大于1μm时，不能保证涂层的硬度和耐磨性；当晶粒尺寸小于0.3μm时，由于晶界比例过高，加工时氧容易通过晶界扩散并在晶界处富集，引起晶界强度下降，进而导致涂层破坏。因此，本专利技术涂层的晶粒尺寸优选为0.3～1μm，更加优选为0.4～0.7μm。本专利技术通过控制涂层中立方相和六方相的比例可以获得涂层强度和韧性的最优化，立方相和六方相的比例主要由涂层中N含量所控制，而N含量主要受沉积时氮气压力的影响。氮气压力较低时，涂层中六方相偏多，脆性较大；氮气压力过大时，涂层中立方相的比例过高，会导致涂层硬度和耐磨性的下降。因此，涂层时氮气压力优选0.5～1.1Pa。当使用含碳气体和/或氧气进行涂层时，优选将其与作为主体的氮气的总压力控制在0.7～1.5Pa。通过将涂层时靶材表面的磁场强度控制在200～400高斯，可以加速弧斑在靶材表面的运动，使其运动范围扩大到整个靶面的80％，避免弧斑在某一点处停留时间过长导致靶面局部过热喷射大量的颗粒或液滴。本专利技术的涂层在室温下的硬度H优选25～40GPa，弹性回复率δ优选10～20％。δ小于10％时，涂层耐磨性缺乏，δ超过20％时，涂层与基体结合力不足容易导致异常磨损。涂层硬度和弹性回复率是通过FISCHERSCOPEHM2000型纳米硬度计测定的，弹性回复率δ定义为δ＝(1－接触深度/最大载荷时的压入深度)×100％。实施例1采用电弧离子镀设备，根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高光滑涂层刀具，其特征在于：包括基体和基体上的涂层；所述涂层是通过电弧离子镀法形成的高光滑涂层，涂层表面液滴密度小于5×10

【技术特征摘要】
1.一种高光滑涂层刀具，其特征在于：包括基体和基体上的涂层；所述涂层是通过电弧离子镀法形成的高光滑涂层，涂层表面液滴密度小于5×105个/mm2，该涂层包含Ti1-x-yCrxMoy表示的金属成分和BαCβOγN1-α-β-γ表示的非金属成分，其中，x、y以原子比计满足0≤x≤0.1，0≤y≤0.1，α、β、γ以原子计比满足0.1≤α≤0.6，0≤β≤0.2，0≤γ≤0.2；该涂层具有等轴状超细晶组织，该等轴状超细晶组织具有由硼含量不同的多个层构成的多层结构，该涂层的XRD图谱上可以同时检测到立方结构相和六方结构相衍射峰。2.根据权利要求1所述的高光滑涂层刀具，其特征在于：所述涂层的XRD图谱中立方结构相的(111)面的峰强度和(200)面的峰强度之比为0.8～1.2；六方结构相仅有一个明显的衍射峰，其半高宽为0.2～0.8°。3.根据权利要求1所述的高光滑涂层刀具，其特征在于：所述涂层至少由从基体向外依次分布的A层和B层所构成，A层中硼的含量为2～15at％，B层中硼的含量为25～50at％，具有3层以上时，在最底层和最外层...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亚奋，黄小龙，陈路，李凌祥，李友生，
申请(专利权)人：厦门金鹭特种合金有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35