一种提高TiN-TiCN-Al2O3涂层刀具切削寿命的方法技术

发明专利技术公开了一种提高TiN

【技术实现步骤摘要】
一种提高TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层刀具切削寿命的方法


[0001]本专利技术涉及材料表面处理
，尤其涉及一种提高TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层刀具切削寿命的方法。

技术介绍

[0002]硬质合金TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层刀具作为一种新型涂层刀具，具有高硬度、良好的耐磨性、优异的抗氧化性能以及切削性能，早已代替了TiN、TiCN以及TiC
‑
TiCN涂层刀具。但是由于化学气相沉积(CVD)制备刀具涂层的过程中温度较高，涂层中存在着较大的残余应力，裂纹延伸较严重，并且沉积Al2O3时破坏了TiCN外延生长，导致涂层间的结合强度明显下降，在切削时容易发生刀片崩刃的现象；另外，沉积α
‑
Al2O3晶粒粗大也是降低涂层综合性能的一个重要原因，上述多种原因，使得TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层刀具的使用寿命较短。
[0003]目前，提高涂层刀具加工效率的表面处理技术通常有飞秒激光、深冷处理等，然而这些技术存在工艺控制流程复杂，处理时间较长，设备运转成本较高等问题，在实际生产过程中并未得到广泛应用。

技术实现思路

[0004]基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种提高TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层刀具切削寿命的方法，本专利技术通过强流脉冲电子束辐照处理，使TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层中存在的拉应力转变成压应力；有效提高了涂层刀具的硬度，降低了表面粗糙度，显著改善了涂层刀具的耐磨损性能和切削性能，克服了现有技术价格高昂，工艺复杂，效率低下等问题；处理后的涂层刀具表面平整光滑，微裂纹数量减少，质量稳定，具有更长时间的使用寿命。
[0005]本专利技术提出了一种提高TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层刀具切削寿命的方法，包括如下步骤：取表面具有TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层的刀具进行强流脉冲电子束辐照处理，使TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层中存在的拉应力转变成压应力。
[0006]上述TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层中存在的拉应力可以全部或部分转变成压应力。
[0007]优选地，辐照次数为3
‑
15次。
[0008]优选地，辐照次数为5
‑
8次；辐照次数更优选5次。
[0009]优选地，强流脉冲电子束辐照的靶源距离为120
‑
140mm，电子束加速电压为23
‑
27KV，能量密度为4
‑
6J/cm2，脉冲宽度为1
‑
1.5μs。
[0010]优选地，强流脉冲电子束辐照的靶源距离为120mm，电子束加速电压为27KV，能量密度为4J/cm2，脉冲宽度为1.5μs。
[0011]优选地，强流脉冲电子束辐照的脉冲频率为0.1
‑
0.3s，真空度为4.8
×
10
‑3‑
5.3
×
10
‑3Pa。
[0012]优选地，强流脉冲电子束辐照的脉冲频率为0.1s，真空度为5
×
10
‑3Pa。
[0013]优选地，TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层中，TiN层、TiCN层、Al2O3层的厚度分别为0.2
‑
0.5μm、6
‑
8μm、2
‑
4μm。
[0014]优选地，TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层中，TiN层、TiCN层、Al2O3层的厚度分别为0.5μm、8μm、4μm。
[0015]上述TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层可以通过化学气相沉积方法沉积在刀具基体表面，在化学气相沉积过程中，TiN层(打底层)的Ti源为TiCl4，N源为氮气，载气为氢气；TiCl4和N2的体积比优选1:30，沉积温度优选900
‑
950℃，沉积压强优选180
‑
200KPa；
[0016]TiCN层(中间层)的Ti源为TiCl4，C、N源为乙腈，载气为氢气；TiCl4和CH3CN的体积比优选2:1，沉积温度优选850
‑
890℃，沉积时间优选1
‑
4h，沉积压强优选50
‑
60KPa；
[0017]Al2O3层(表层)的制备分为两步，在涂层炉内CO2与H2反应生成气态H2O，然后气态H2O与AlCl3气体反应得到Al2O3层；Al2O3层的制备过程中，需加入H2S以提高反应速率，保持涂层厚度的均匀性；AlCl3、CO2、H2S的体积比优选5:18:1，沉积温度优选950
‑
1000℃，沉积压强优选50
‑
65KPa。
[0018]化学气相沉积后，对TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3复合涂层进行钝化以及喷砂处理，以减少应力集中，降低表面粗糙度。
[0019]在化学气相沉积前，刀具基体需经表面研磨、钝化、清洗(如丙酮和酒精等超声清洗，超声清洗时间优选30min)、干燥(如鼓风干燥等，干燥温度优选70
‑
80℃，干燥时间优选10
‑
20min)处理。
[0020]上述刀具基体的材料优选硬质合金，例如牌号为YG6的硬质合金等。
[0021]有益效果：
[0022]1.化学气相沉积由于其沉积温度较高能达到1000℃，因此涂层中热应力较大，主要体现为拉应力，同时制备的涂层表面裂纹较多，裂纹延伸较严重；针对这个问题，本专利技术使用强流脉冲电子束辐照涂层，意外的发现选用适当的辐照工艺参数对涂层进行辐照处理时，会在TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层中产生错配热应力，使TiN层与TiCN
‑
Al2O3层之间存在的拉应力全部或部分转变成压应力，提高涂层的硬度，且压应力可以减少涂层中裂纹的产生，并能阻止裂纹延伸；
[0023]2.选择合适参数的强流脉冲电子束进行辐照后，涂层由表面向内部一定区域存在极高的温度梯度，在表面极大的热应力驱动下，有利于涂层表面Al原子扩散并且固溶到TiCN层中，提高了Al2O3层和TiCN层的亲和作用，从而增加涂层之间的结合强度，改善切削时容易发生刀片崩刃的现象；
[0024]3.适当的辐照工艺参数能有效地对微裂纹起到“缝合”作用，使得涂层性能得到了提升本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层刀具切削寿命的方法，其特征在于，包括如下步骤：取表面具有TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层的刀具进行强流脉冲电子束辐照处理，使TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层中存在的拉应力转变成压应力。2.根据权利要求1所述提高TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层刀具切削寿命的方法，其特征在于，辐照次数为3
‑
15次。3.根据权利要求1或2所述提高TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层刀具切削寿命的方法，其特征在于，辐照次数为5
‑
8次。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述提高TiN
‑
TiCN
‑
Al2O3涂层刀具切削寿命的方法，其特征在于，强流脉冲电子束辐照的靶源距离为120
‑
140...

【专利技术属性】
技术研发人员：关庆丰，田娜娜，周时雨，韩晶，吕鹏，蔡杰，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：