一种高速钢刀具可控渗氮-PVD复合涂层制备方法技术

本发明专利技术公开一种高性能的高速钢气体低氮势精密可控渗氮与PVD复合涂层刀具，所述的刀具基体为高速钢基体，组织为回火马氏体组织；所述的低氮势精密可控渗氮层主要由含氮不饱和的马氏体组织、合金氮化物、合金氮碳化合物和合金碳化物组成，不含有化合物层和晶界组织或脉状组织；所述的渗氮层所述的PVD涂层为常见的AlCrN、涂层。

A preparation method of controlled nitriding PVD composite coating for high speed steel cutting tools

【技术实现步骤摘要】
一种高速钢刀具可控渗氮-PVD复合涂层制备方法
本专利技术涉及一种高性能的高速钢低氮势精密可控渗氮-PVD复合涂层，尤其涉及低氮势精密可控渗氮-PVD复合涂层刀具及其制备方法。
技术介绍
随着现代制造业的快速发展，越来越多的产品需要切削、铣削、钻削等机加工。我国每年各种刀具消耗在200亿元以上，刀具性能直接影响产品的质量和刀具的寿命。目前，高速钢刀具加工过程中，刀具面临高的切削力和切削振动，刀具尖端刃口与被加工工件之间存在剧烈摩擦磨损和热冲击作用，刀具尖端刃口加工温度可达800℃以上，导致高速钢基体软化，加速刀具粘附磨损和化学磨损，显著降低产品加工质量和刀具寿命。因此，对高速钢刀具刃口出提出高的红硬性、热稳定性、韧性等性能要求。物理气相沉积(PVD)涂层具有高的表面硬度、良好的热稳定性和耐磨性，显著提高了高速钢刀具的使用寿命，降低生产成本和保证加工产品的质量。但高速钢PVD涂层刀具加工过程中不可避免也会产生高温，导致高速钢基体软化，造成PVD涂层与基体界面应力集中，使得涂层刀具难以承受剧烈的热冲击作用，加速涂层刀具磨损。因此，需要在高速钢基体与PVD硬质涂层之间引入耐高温的中间硬化层。而渗氮层就是具前景的耐高温中间硬化层之一。虽然公开国家专利技术专利(CN102352845A)“一种经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片”及(ZL201410850674.0)“一种渗氮PVD复合涂层及其制备方法”。这些专利技术专利中的渗氮工艺属于常规的工艺，即：渗氮温度介于510℃~580℃，渗氮时间长达6h~48h，渗氮层横截面组织分为化合物层和扩散层组成，渗氮层厚度介于100μm~500μm之间。这些常规渗氮工艺难以满足高速钢刀具对渗氮工艺提出苛刻要求：首先，化合物层和含氮过饱和的扩散层组织硬度高、脆性大，且渗氮层厚，因此，高速钢刀具刃口脆性增大，韧性降低；其次，高速钢含有大量的合金元素W、Cr等合金元素，这些合金元素属于强氮元素，渗氮过程中高速钢浅表层易形成晶界组织，晶界组织为M7C3等类型合金碳化物，脆的碳化物在外界载荷冲击作用下异形成裂纹，导致渗氮层韧性和疲劳强度显著降低；再次，常规氮化工艺，常采用氨气或氮气进行辉光加热，势必对刀具进行预渗氮处理，导致高速钢刀具渗氮工艺难以控制，或者采用氩气辉光加热，高能氩离子在外界高压电场作用下，对刀具刃口起钝化作用；最后，常规渗氮工艺氮势较高，使得渗氮层中氮含量高，影响刃口韧性。基于上述原因，需要对高速钢刀具渗氮工艺、组织结构、成分和厚度进行精密控制。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种高性能的高速钢低氮势精密可控渗氮-PVD复合涂层刀具及其制备方法，具有较高的热稳定性、韧性和抗冲击能力和耐磨性。所述的低氮势精密可控渗氮层主要由含氮退火组织、合金氮化物、合金氮碳化合物物和碳化物组成，不含化合物层和晶界组织，渗氮层厚度介于7μm-20μm之间；所述的渗氮工艺中渗氮温度：350℃~450℃、炉内氮势≤0.35、氮化时间≤20min和辉光加热氩气/氢气比例介于0.2~0.33；所述PVD硬质膜层的内部组织主要为fcc-AlCrN相，还包括少量的氮化物相。作为本专利技术的优选方式之一，所述的高速钢渗氮层由含氮的马氏体组织、颗粒状的合金氮化物、合金氮碳化合物和合金碳化物组成，不含化合物层和晶界组织。作为本专利技术的优选方式之一，所述渗氮层的厚度为7～20μm。作为本专利技术的优选方式之一，所述的渗氮温度350℃~450℃。作为本专利技术的优选方式之一，所述的炉内氮势≤0.35。作为本专利技术的优选方式之一，所述的氮化时间≤20min。作为本专利技术的优选方式之一，所述的辉光加热氩气/氢气比例介于0.2~0.33。作为本专利技术的优选方式之一，所述PVD硬质膜层的厚度为2～5μm。所述PVD硬质膜层为AlCrN层。一种高性能的高速钢低氮势精密可控渗氮-PVD复合涂层刀具制备方法，包括以下步骤：（1）将高速钢刀具进行脱油、脱脂、喷砂和超声清洗处理，然后将处理后的高速钢刀具放入氮化炉的炉架中，通入氩气和氢气混合气体进行辉光加热至目标温度，然后调节炉内氩气和氨气的比例，控制炉内氮势和渗氮时间，制备高速钢刀具氮化工件；（2）将氮化后的高速钢刀具进行喷砂和超声清洗预处理；（3）将上述清洗后的氮化高速钢刀具放入PVD炉内，进行辉光清洗，然后打开AlCr靶，同时打开氮气开关，沉积PVD硬质膜。所述步骤（1）中，辉光加热的条件为：当氮化炉内真空室的真空度小于1´10-4Pa时，通入氩气和氢气混合气体，其流量比控制在0.2~0.33，待温度加热至400℃~450℃，通入氩气和氨气，控制炉内氮势低于≤0.35，渗氮时间低于20min，负偏压300～500V。所述步骤（3）中，辉光清洗条件为：当PVD炉的真空室的本底真空度为小于1´10-2Pa时，通入氩气并控制流量在50～200sccm，气压小于0.2Pa，样品温度350～400℃，负偏压600V，轰击时间3～10min。所述步骤（3）中，沉积PVD硬质膜的条件为：辉光清洗后，真空调节为0.1～5Pa，打开转架和AlCr靶，保持样品偏压-30～-200V，通入氮气，控制气压在0～5Pa，保持样品温度350～400℃，靶材电流50～100A，沉积1～3h，制得PVD硬质膜层。本专利技术的设计思路为：高速钢渗氮层较基体具有高的硬度、红硬性及热稳定性，但也具有更高的脆性。因此，针对高速钢刀具切削特点，需对高速钢刀具进行预渗氮处理，通过调控渗氮工艺参数实现高速钢渗氮层成分、组织结构和厚度精确控制，使渗氮层能给表层PVD硬质涂层提供强的支持作用。同时，渗氮层引入，不会明显恶化刃口的韧性。之后，通过PVD涂层工艺，在渗氮的高速钢刀具表面涂覆一层PVD硬质涂层，提高复合涂层刀具的切削性能、使用寿命及产品加工质量。附图说明图1为实施例1的金相图谱；图2为实施例1～3不同载荷下硬度；图3为实施例1～3高速钢低氮势精密可控渗氮-PVD复合涂层刀具切削寿命。具体实施方式下面通过附图对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。实施例1将市场购买的至今16mm的M2高速钢立铣刀进行脱油脱脂超声清洗、喷砂和超声乙醇清洗、吹干，然后将清洗干净的样品放入钟罩式离子氮化炉内。打开机械泵，将炉内真空度抽至1Pa，然后进行氩气和氢气进行辉光加热，氩气和氢气流量比例控制在0.2~0.33，将炉内温度加热到350～450℃，然后通入氩气和氨气，精确调控氩气和氨气流量，炉内氮势控制在0.35以内，氮化时间7min；15min，20min和180min。氮化完毕，随炉冷却至室温，获得所氮化物的高速钢刀具。结果表明，4种状态的样品渗氮层中均不存在化合物层，氮化180min的样品中存在严重的晶界组织，且渗氮层异常厚，而氮化20min的样品，仅存在轻微的晶界组织。可见，氮化时间超过20本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能的高速钢气体低氮势精密可控渗氮与PVD复合涂层刀具，其特征在于，所述的刀具基体为高速钢基体，组织为回火马氏体组织；所述的低氮势精密可控渗氮层主要由含氮不饱和的马氏体组织、合金氮化物、合金氮碳化合物和合金碳化物组成，不含有化合物层和晶界组织或脉状组织；所述的渗氮层所述的PVD涂层为常见的AlCrN、涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种高性能的高速钢气体低氮势精密可控渗氮与PVD复合涂层刀具，其特征在于，所述的刀具基体为高速钢基体，组织为回火马氏体组织；所述的低氮势精密可控渗氮层主要由含氮不饱和的马氏体组织、合金氮化物、合金氮碳化合物和合金碳化物组成，不含有化合物层和晶界组织或脉状组织；所述的渗氮层所述的PVD涂层为常见的AlCrN、涂层。


2.根据权利要求1所述的一种高性能的高速钢低氮势精密可控渗氮与PVD复合涂层刀具制备方法，其特征在于，所述高速钢刀具渗氮工艺中氮势≤0.35，渗氮时间低于20min，渗氮温度350℃~450℃之间，渗氮加热过程中采用氩气和氢气混合气体，氩气/氢气比例控制在0.2~0.33之间。


3.根据权利要求1所述的一种高性能的高速钢低氮势精密可控渗氮与PVD复合涂层刀具制备方法，其特征在于，所述高速钢刀具渗氮层厚度7～20μm。


4.根据权利要求1所述的一种高性能的高速钢低氮势精密可控渗氮与PVD复合涂层刀具制备方法，其特征在于，所述高速钢刀具渗氮层不含化合物层和晶界组织或者脉状组织。


5.根据权利要求1所述的一种高性能的高速钢低氮势精密可控渗氮与PVD复合涂层刀具制备方法，其特征在于，所述PVD硬质膜层的厚度为2～5μm。


6.根据权利要求1所述的一种高性能的高速钢低氮势精密可控渗氮与PVD复合涂层刀具制备方法，其特征在于，所述PVD硬质膜层为AlCrN。


7.一种如权利要求1～6中任一项所述的高性...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐兰英，
申请(专利权)人：深圳市源盾新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44