梯度涂层刀具及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种梯度涂层刀具及其制备方法。该刀具基体材料为高速钢，基体表面具有梯度涂层，所述涂层从基体到表面依次为硬质合金层、金属陶瓷层和TiAlSiZrN层。该梯度涂层中硬质合金层和金属陶瓷层均采用电子束熔覆方法制备，TiAlSiZrN层采用多弧离子镀和中频磁控溅射方法制备。制备步骤包括：(1)熔覆硬质合金层；(2)熔覆金属陶瓷层；(3)沉积TiAlSiZrN涂层。本发明专利技术的刀具材料力学性能呈梯度变化，涂层硬度由内到外依次增加，可有效缓解残余热应力。刀具整体具有良好的韧性，表面涂层具有较高的硬度和耐磨性能；同时，涂层与基体间具有较强的结合强度。该梯度涂层刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。

【技术实现步骤摘要】
梯度涂层刀具及其制备方法
本专利技术涉及机械切削刀具制造
，尤其涉及一种梯度涂层刀具及其制备方法。
技术介绍
由于切削液费用较高，且造成环境污染，干切削加工已成为绿色加工的一个研究热点。但高速干切削时，前刀面上刀-屑之间的摩擦异常剧烈，产生了大量的热，导致了刀具的磨损加剧，寿命降低。因此迫切需要研究开发高硬度、高耐磨性能的新型刀具，从而提高刀具寿命。目前国内外广泛使用的切削刀具材料主要有高速钢、硬质合金、陶瓷及金刚石刀具等。其中高速钢导热性能差、硬度低、耐磨性能差，不适合难加工材料的切削加工；硬质合金及陶瓷刀具等由于材料本身的脆性较大，制造过程中容易出现刃口断裂，进而导致刀具的寿命降低；而金刚石刀具的制造成本较高。目前，对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径，但由于涂层较薄，界面结合强度较低使其寿命受限。中国专利“申请号：201110214393.2”报道了一种梯度叠层涂层刀具及其制备方法，本专利技术的涂层采用电弧镀镀膜方法制备，涂层刀具兼顾ZrN和ZrTiN薄膜的优点，具有高硬度、高强度及良好耐磨性等特点；但通过该方法制备涂层厚度受到限制，且涂层与基体间结合强度较低。中国专利“申请号：200910014460.9”报道了一种氮化硅基纳米复合梯度功能陶瓷刀具材料及其制备方法，该陶瓷刀具材料具有五层对称梯度层次结构，使刀具材料的力学性能呈梯度变化；但陶瓷刀具本身存在脆性较大的缺点，刀具整体韧性不足。中国专利“申请号98122105.X”报道了一种陶瓷-硬质合金复合刀片，本专利技术以硬质合金为基体材料，通过热压烧结工艺在硬质合金层表面制备出陶瓷层，该方法制备的复合刀片韧性有待于进一步提高。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种梯度涂层刀具及其制备方法。该刀具既具有良好的韧性，又具有较高的硬度和耐磨性能；刀具材料力学性能呈梯度变化，可有效缓解残余热应力。同时，涂层与基体间具有较强的结合强度。技术方案：本专利技术的梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速钢，刀具前刀面具有梯度涂层，所述涂层从基体到表面依次为硬质合金层、金属陶瓷层和TiAlSiZrN层。该梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于该梯度涂层中硬质合金层和金属陶瓷层均采用电子束熔覆方法制备，TiAlSiZrN层采用多弧离子镀和中频磁控溅射方法制备。上述的梯度涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：(1)熔覆硬质合金层；(2)熔覆金属陶瓷层；(3)沉积TiAlSiZrN涂层，得到所述梯度涂层刀具。上述的梯度涂层刀具的制备方法，其具体制备步骤如下：(1)熔覆硬质合金层(1-1)前处理：将刀具基体表面研磨后依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20-30min，进行去油污处理。(1-2)预置硬质合金层：配置硬质合金混合粉料，各成分重量百分比为：65-75％WC、8-20％TiC、5-10％Co、2-3％TaC、2-3％NbC和1-3％ZrO2，0.1-1％Ni。将聚乙烯醇加入混合粉料中配置成稠状并预置于刀具基体前刀面，采用压强为1-3MPa冷等静压的方法保持5-10分钟，将配置的稠状混合粉体压实，其厚度为200-600μm，得到预置硬质合金层。(1-3)熔覆硬质合金层：将步骤(1-2)中得到的预置硬质合金层试样放在电子束加工设备中，抽真空至真空度为6×10-3Pa；启动电子束，调整电子束加工参数为：电子束电压为5-10kV，电子束流为1.2-3A，束斑直径为1-5mm，速度为2-20mm/s，搭接率Φ＝30-60％；采用电子束对预置硬质合金层进行熔覆，熔覆完成后对其表面进行修整，使其厚度为50-500μm，得到硬质合金层。(2)熔覆金属陶瓷层(2-1)预置金属陶瓷层：配置金属陶瓷混合粉料，各成分重量百分比为：40-70％TiCN，6-15％WC，6-12％Ni，3-15％TiB2，3-12％B4C，3-8％ZrO2，2-6％Mo，1-6％Co，1-6％Ta。将聚乙烯醇加入混合粉料中配置成稠状并预置于步骤(1-3)中得到硬质合金层表面，采用压强为1-3MPa冷等静压的方法保持5-10分钟，将配置的稠状混合粉体压实，其厚度为200-600μm，得到预置金属陶瓷层。(2-2)熔覆金属陶瓷层：将步骤(2-1)中得到的预置金属陶瓷层试样放在电子束加工设备中，抽真空至真空度为6×10-3Pa；启动电子束，调整电子束加工参数为：电子束电压为5-10kV，电子束流为1.2-3A，束斑直径为1-5mm，速度为2-20mm/s，搭接率Φ＝30-60％；采用电子束对预置金属陶瓷层进行熔覆，熔覆完成后对其表面进行修整，使其厚度为50-500μm；得到金属陶瓷层。(3)沉积TiAlSiZrN层(3-1)前处理：将步骤(2-2)中得到的刀具，依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，去除表面油渍等污染物；采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10-3Pa，加热至200-240℃，保温时间30-40min。(3-2)离子清洗：通入Ar2，其压力为0.6-1.5Pa，开启偏压电源，电压800-900V，占空比0.2，辉光放电清洗10-30min；偏压降低至300-500V，开启离子源离子清洗10-30min，开启电弧源Ti靶，偏压500-700V，靶电流50-80A，离子轰击Ti靶1-2min。(3-3)沉积TiAlSiZrN涂层：调整工作气压为0.5-0.7Pa，偏压降低至80-200V，Ti靶电流80-120A；开启N2，调整N2流量为150-250sccm；开启中频Si靶，电流调至20-40A；开启中频Zr靶，电流调至20-30A；开启电弧靶Al靶，电流调制60-90A，电弧镀+中频磁控溅射沉积TiAlSiZrN涂层50-70min，TiAlSiZrN涂层厚度为2-4μm，得到TiAlSiZrN涂层。(3-4)后处理：关闭Ti靶、Al靶、Zr靶和Si靶，关闭偏压电源、离子源及气体源，保温30-60min，涂层结束；得到所述硬质合金+金属陶瓷+TiAlSiZrN梯度涂层刀具，其涂层总厚度为102-1004μm。有益效果：1、本专利技术的刀具基体材料为高速钢，刀具表面涂层依次为硬质合金-金属陶瓷-TiAlSiZrN涂层，刀具材料力学性能呈梯度变化，涂层硬度由内到外依次增加，可有效缓解残余热应力；2、该刀具整体具有良好的韧性，又具有较高的硬度和耐磨性能；3、该刀具表面硬质合金和金属陶瓷涂层的制备方法中采用了电子束熔覆法，制备效率高，制备过程避免氧化，涂层与基体间具有较强的结合强度；同时，涂层可以达到很大的厚度；4、外层的TiAlSiZrN涂层采用多弧离子镀和中频磁控溅射方法制备，该涂层具有很高的强度和耐磨性能，能够显著提高刀具寿命；5、该刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工，具有广阔的应用前景。附图说明图1为该专利技术的梯度涂层刀具结构示意图，其中：1为刀具基体材料，2为硬质合金层，3为金属陶瓷层，4为TiAlSiZrN层。具体实施方式实施例1一种梯度涂层刀具及其制备方法，刀具基体1材料为高速钢，刀具前刀面具有梯度涂层，所述梯度涂层从基体到表面依次为硬质合金层2、金属陶瓷层3和TiAlSiZrN层4。本专利技术的梯度涂层刀具中硬质合金层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速钢，其特征在于：刀具前刀面具有梯度涂层，所述梯度涂层从基体到表面依次为硬质合金层、金属陶瓷层和TiAlSiZrN层。

【技术特征摘要】
1.一种梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速钢，其特征在于：刀具前刀面具有梯度涂层，所述梯度涂层从基体到表面依次为硬质合金层、金属陶瓷层和TiAlSiZrN层。2.如权利要求1所述的梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：该梯度涂层中硬质合金层和金属陶瓷层均采用电子束熔覆方法制备，TiAlSiZrN层采用多弧离子镀和中频磁控溅射方法制备。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)熔覆硬质合金层；(2)熔覆金属陶瓷层；(3)沉积TiAlSiZrN涂层，得到所述梯度涂层刀具。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：(1)熔覆硬质合金层(1-1)前处理：将刀具基体表面研磨后依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20-30min，进行去油污处理；(1-2)预置硬质合金层：配置硬质合金混合粉料，将聚乙烯醇加入混合粉料中配置成稠状并预置于刀具基体前刀面，采用压强为1-3MPa冷等静压的方法保持5-10分钟，将配置的稠状混合粉体压实，其厚度为200-600μm，得到预置硬质合金层；(1-3)熔覆硬质合金层：将步骤(1-2)中得到的预置硬质合金层试样放在电子束加工设备中，抽真空至真空度为6×10-3Pa；启动电子束，调整电子束加工参数为：电子束电压为5-10kV，电子束流为1.2-3A，束斑直径为1-5mm，速度为2-20mm/s，搭接率Φ＝30-60％；采用电子束对预置硬质合金层进行熔覆，熔覆完成后对其表面进行修整，使其厚度为50-500μm，得到硬质合金层；(2)熔覆金属陶瓷层(2-1)预置金属陶瓷层：配置金属陶瓷混合粉料，将聚乙烯醇加入混合粉料中配置成稠状并预置于步骤(1-3)中得到硬质合金层表面，采用压强为1-3MPa冷等静压的方法保持5-10分钟，将配置的稠状混合粉体压实，其厚度为200-600μm，得到预置金属陶瓷层；(2-2)熔覆金属陶瓷层：将步骤(2-1)中得到的预置金属陶瓷层试样放在电子束加工设备中，抽真空至真空度为6×10-3Pa；启动电子束，调整电子束加工参数为：电子束电压为5-10kV，电子束流为1.2-3A，束斑直径为1-5mm，速度为2-20m...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢佑强，高俊涛，吴泽，黄鹏，刘磊，孙东科，孙桂芳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32