一种干切削刀具及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种干切削刀具，该刀具表面设置有软涂层的纳米级凹槽，刀具表面设置有复合涂层，该复合涂层从内到外依次包括TiN、Al2O3、TiCN、cBN，及MoS2‑Ti。本发明专利技术还公开了干切削刀具的制备方法，包括对基体进行预处理，对于化学气相沉积的反应室进行预处理；依次沉积TiN涂层、Al2O3涂层、TiCN涂层、cBN涂层、采用激光在刀具前刀面加工出纳米凹槽；及沉积MoS2‑Ti软涂层。本发明专利技术采用多元复合涂层的干切削刀具，增强了涂层与基体的结合强度，提高了刀具涂层的强度、硬度、韧性、抗氧化、耐高温和耐磨损等性能，拓宽了涂层刀具在干切削加工中的应用。

A dry cutting tool and its preparation method

The invention discloses a dry cutting tool. The tool surface is provided with nano-grooves with soft coatings, and the tool surface is provided with composite coatings, which in turn include TiN, Al2O3, TiCN, cBN, and MoS2_Ti from inside to outside. The invention also discloses a method for preparing a dry cutting tool, including pretreatment of a substrate and a reaction chamber for chemical vapor deposition; deposition of a TiN coating, an Al2O3 coating, a TiCN coating, a cBN coating, laser processing of nano-grooves on the tool front face; and deposition of a MoS2_Ti soft coating. The invention adopts a dry cutting tool with a plurality of composite coatings, enhances the bonding strength between the coating and the substrate, improves the strength, hardness, toughness, oxidation resistance, high temperature resistance and wear resistance of the tool coating, and broadens the application of the coated tool in dry cutting.

【技术实现步骤摘要】
一种干切削刀具及其制备方法
本专利技术涉及机械刀具领域，特别涉及一种干切削刀具及其制备方法。
技术介绍
随着制造技术全球化趋势的快速发展，对机械加工行业切削技术的要求逐步提高。刀具涂层可提高制造业的高效性、精确性、专业化。合适的刀具涂层材料可减少对刀具材料消耗，获得良好的加工精度和表面质量，提高难加工材料切削刀具的寿命、效率。在机械加工领域，主要采用湿式切削法和干式切削法。湿式切削法是在金属切削加工时，用一定的压力和流量的切削液连续不断的冷却、润滑刀具和工件加工部件。然而大量使用切削液会造成环境污染问题，同时由于切削过程中切削液产生的油烟对工人直接造成危害，诱发多种疾病。采用高速干切削可大幅提高加工效率，提高加工精度，降低表面粗糙度，节约制造成本。高速切削及干式切削时，切削温度更高、摩擦力更大，刀具与工件之间的机械、物理和化学作用更剧烈，所以对干切削刀具的抗氧化性、高温稳定性、高温硬度、低的摩擦力提出更高的要求。为了提高硬质合金刀具的切削性能和使用寿命，可在刀具表面涂覆多层金属或非金属化合物涂层，使涂层的高硬度、高耐磨性、优良的抗高温性能和基体的高强度、高韧性等优点得到良好的结合。cBN是由氮原子和硼原子所构成的立方结构的晶体，具有类似金刚石的晶体结构。cBN材料的硬度高，仅次于金刚石；热稳定性好，化学惰性高，在高温下不易与铁元素发生化学变化。cBN材料作为刀具涂层，具有良好的磨削性能和截形精度，加工精度稳定，很少出现磨削裂纹及工件烧伤等现象。cBN涂层刀具，具有优异的物理力学性能和极高的化学稳定性，在现代机械加工业中已被广泛使用，主要用在一般切削、硬齿面齿轮加工和超精密加工等方向。涂层成分能否在涂层刀具上发挥应有的性能，除了与涂层的设计相关，很大程度上还取决于涂层工艺的技术水平。真空气相沉积是常用的一种刀具涂层工艺。将反应室抽成真空，在合适的工艺参数条件下，通过气相中发生的物理、化学反应，使金属或金属氧化物成为气态原子或分子，入射沉积在金属或非金属表面，在基体表面上形成具有特殊性能固态涂层。真空气相沉积相比传统的电镀法，具备耗能低、污染小、无毒、无废液、成本低、应用范围广、镀层质量高等优点，是镀涂层领域发展前途很好的一项新技术。PVD利用溅射或蒸发等，在真空环境中的衬底上凝聚形成涂层。固态物质的涂层反应源蒸发或溅射后，与送入的反应气体通过电离、复合和反应等物理过程，生成新的固态物质，沉积在基体表面，形成均匀致密的硬质涂层和它们的复合涂层。PVD涂层具有硬度和强度高、热稳定性好、耐磨性好、化学性能稳定、摩擦系数低、组织结构致密等优点。但是，PVD技术制备涂层要求基体的清洁度高，工艺重复性不好且加工成本高。CVD是利用等离子体激励、加热，使反应物质在一定温度和气态条件下发生化学反应，并以生成的固态物质沉积在适当位置的基体表面，进而制得的固态涂层。CVD是一种非常灵活、应用广泛的制备涂层的化学气相生长法，可应用于各种氮化物、碳化物、氧化物、硼化物、硅化物涂层的制备，反应原料的成分不仅可以调节，又能控制涂层的特性和成分。利用等离子和激光辐射技术还可以获取活化能，可在低于其熔点或分解温度的沉积温度下进行，设备简单，同一种涂层的制备可选用不同的化学反应。专利CN201610083497.7公开一种氮化硼系复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法，该刀具的复合涂层由TiBCN层、Ni3Si2层和cBN层构成。合金刀具由刀具基体和氮化硼系复合涂层构成。刀具基体设置有正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层。复合涂层通过电弧离子镀设备沉积而成。本专利技术的氮化硼系复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好。专利CN201310052811.1公开了一种表面涂覆有抗冲击耐磨涂层的cBN刀片，刀片的cBN层上涂覆有抗冲击耐磨涂层，抗冲击耐磨涂层的材料为TiN、TiC、Ti(C，N)、(Al，Cr)N，抗冲击耐磨涂层的厚度范围在0.8-8微米时为薄膜涂层，抗冲击耐磨涂层的厚度范围在8-20微米时为厚膜涂层。通过对于上述相关专利文献的分析可得知，cBN刀具涂层存在气相生长纯度不高、涂层应力大和膜基结合力差等问题，使得cBN涂层非常容易从衬底上脱落。制备的cBN涂层中大多含有B-O键，以及aBN、tBN或hBN相的物质存在。所制备的cBN涂层晶粒结构存在较多的晶体缺陷，且厚度低。专利CN201110353909.1公开了一种WS2软涂层纳织构自润滑刀具及其制备方法，并具体公开了刀具的前刀面及刀屑接触区带有飞秒激光加工出的纳织构，在纳织构刀具表面采用中频磁控溅射沉积+多弧离子镀法沉积WS2软涂层，WS2软涂层与纳织构表面之间含有一层Zr过渡层。该刀具在干切削时不仅具有软涂层自润滑效应，还具有纳织构自润滑效应，这种双重自润滑效应能极大地改善刀具干切削时的摩擦润滑状态，可减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损。专利CN200610068975.3公开了一种自润滑复合软涂层刀具及其制备方法。该刀具为采用中频磁控+多弧法镀涂层方法制备的MoS2/Zr/Ti复合涂层刀具，刀具表面为MoS2层，MoS2层与刀具基体之间具有Ti、MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr过渡层。该刀具进行干切削时，刀具表面能形成具有润滑作用的连续固态润滑层，从而实现刀具的自润滑功能，切削过程中可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。该自润滑复合软涂层刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。上述专利公开了在刀具上设置有软涂层，同时在前刀面上设置有用于储存软涂层材料的槽或纳米结构。然而，这些软涂层与基体通常属于完全不同的材料，通常涂层和基体材料之间的键合类型差别较大，造成两者失配度大，或者浸润性能较差，不易形成较强的键合。同时，对于槽或坑类结构，在刀具加工时不利于软涂层材料的供给和流动，进而不能起到有效的提高抗摩损性能的能力。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种干切削刀具及其制备方法。本专利技术采用多元复合涂层的干切削刀具，增强了涂层与基体的结合强度，提高了刀具涂层的强度、硬度、韧性、抗氧化、耐高温和耐磨损等性能，拓宽了涂层刀具在干切削加工中的应用。本专利技术提供了一种干切削刀具，该刀具设置有软涂层的纳米级凹槽，刀具表面设置有复合涂层，该复合涂层从内到外依次包括TiN、Al2O3、TiCN、cBN，及MoS2-Ti，所述TiN涂层的厚度为5～10μm，所述Al2O3涂层的厚度为10～20μm，所述TiCN涂层的厚度为5～10μm，所述cBN涂层的厚度为5～15μm，所述MoS2-Ti涂层的厚度为10～15μm，所述TiN、Al2O3、TiCN及cBN涂层采用化学气相沉积制得，所述MoS2-Ti涂层采用物理气相沉积制得；所述TiN涂层采用N2作为氮源反应气体，采用TiCl4作为钛源反应材料，采用H2作为载气和稀释气体；所述TiCN涂层采用N2作为氮源反应气体，采用TiCl4作为钛源反应材料，采用CH4CN作为碳源反应气体，采用H2作为载气和稀释气体；所述Al2O3涂层采用AlCl3作为铝源反应气体，采用CO2和H2O作为氧化气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种干切削刀具，该刀具设置有软涂层的纳米级凹槽，刀具表面设置有复合涂层，其特征在于：该复合涂层从内到外依次包括TiN、Al2O3、TiCN、cBN，及MoS2‑Ti，所述TiN涂层的厚度为5～10μm，所述Al2O3涂层的厚度为10～20μm，所述TiCN涂层的厚度为5～10μm，所述cBN涂层的厚度为5～15μm，所述MoS2‑Ti涂层的厚度为10～15μm，所述TiN、Al2O3、TiCN及cBN涂层采用化学气相沉积制得，所述MoS2‑Ti涂层采用物理气相沉积制得；所述TiN涂层采用N2作为氮源反应气体，采用TiCl4作为钛源反应材料，采用H2作为载气和稀释气体；所述TiCN涂层采用N2作为氮源反应气体，采用TiCl4作为钛源反应材料，采用CH4CN作为碳源反应气体，采用H2作为载气和稀释气体；所述Al2O3涂层采用AlCl3作为铝源反应气体，采用CO2和H2O作为氧化气体，载气为H2，并增加催化气体PCl；cBN涂层采用N2和NH3作为氮源反应气体，采用BF3作为硼源反应气体，采用H2作为载气和稀释气体；MoS2‑Ti涂层采用物理气相沉积中的磁控溅射离子镀的方法，采用Ti靶和两个MoS2靶制得；干切削刀具的前刀面设置有纳米级凹槽，所述凹槽的截面为三角形，三角形的第一边的方向沿着前刀面，第二边的方向垂直于前刀面，第三边的方向与前刀面有一夹角。...

【技术特征摘要】
1.一种干切削刀具，该刀具设置有软涂层的纳米级凹槽，刀具表面设置有复合涂层，其特征在于：该复合涂层从内到外依次包括TiN、Al2O3、TiCN、cBN，及MoS2-Ti，所述TiN涂层的厚度为5～10μm，所述Al2O3涂层的厚度为10～20μm，所述TiCN涂层的厚度为5～10μm，所述cBN涂层的厚度为5～15μm，所述MoS2-Ti涂层的厚度为10～15μm，所述TiN、Al2O3、TiCN及cBN涂层采用化学气相沉积制得，所述MoS2-Ti涂层采用物理气相沉积制得；所述TiN涂层采用N2作为氮源反应气体，采用TiCl4作为钛源反应材料，采用H2作为载气和稀释气体；所述TiCN涂层采用N2作为氮源反应气体，采用TiCl4作为钛源反应材料，采用CH4CN作为碳源反应气体，采用H2作为载气和稀释气体；所述Al2O3涂层采用AlCl3作为铝源反应气体，采用CO2和H2O作为氧化气体，载气为H2，并增加催化气体PCl；cBN涂层采用N2和NH3作为氮源反应气体，采用BF3作为硼源反应气体，采用H2作为载气和稀释气体；MoS2-Ti涂层采用物理气相沉积中的磁控溅射离子镀的方法，采用Ti靶和两个MoS2靶制得；干切削刀具的前刀面设置有纳米级凹槽，所述凹槽的截面为三角形，三角形的第一边的方向沿着前刀面，第二边的方向垂直于前刀面，第三边的方向与前刀面有一夹角。2.根据权利要求1中所述的干切削刀具，其特征在于，所述三角形的第三边的斜率的绝对值小于第一边。3.根据权利要求1中所述的干切削刀具，其特征在于，所述TiN涂层及所述TiCN涂层采用TiCl4为钛源反应气体，先将TiCl4的温度升高到136℃以上，采用水浴加热来获得TiCl4气体，并用载气H2进行输送。4.一种用于权利要求1中所述的干切削刀具的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：步骤一，首先对基体进行预处理：用金刚石研磨膏进行研磨处理，采用丙酮及无水乙醇分别对试样刀具进行超声波清洗，采用去离子水进行冲洗并烘干；步骤二，对于化学气相沉积的反应室进行预处理；步骤三，沉积TiN涂层：打开三条通气管N2、TiCl4和H2的阀门，并控制通气管上的流量阀门，按比例调节各个通气管内的气体流量值，设定热丝温度为1800～2000℃，沉积温度为1000～1100℃，气体压强为3-4KPa，沉积时间为60～90分钟；步骤四，沉积Al2O3涂层：打开四条通气管AlCl3和PCl、CO2、H2O及H2的阀门，并控制通气管上的流量阀门，按比例调节各个通气管内的气体流量值；设定热丝温度为1800～2000℃，沉积温度为1050～1100℃，热丝到基片的距离为8～13mm，气体压强为3-4KPa，沉积时间为80...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰，代慧，黄学飞，盛永华，周华，
申请(专利权)人：广州番禺职业技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44