一种改善涂层结构的切削刀具及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改善涂层结构的切削刀具，包含基体以及在其上的涂层，涂层由内到外有内层A、过渡层C和外层B；内层A主要由过渡元素与非金属元素组成的化合物材料构成，外层B主要由氧化物等构成；过渡层C由外到内包含有过渡层C1、过渡层C2和过渡层C3，过渡层C1主要由TiCx1Ny1Oz1组成；过渡层C2主要由TiCx2Ny2Oz2组成；过渡层C3主要由TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3组成。该切削刀具的制备方法是在基体上结合CVD和HT-CVD等各种涂层工艺按序涂覆即可。本发明专利技术的涂层刀具具有耐磨性好、附着力强、抑制性高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属切削加工领域，尤其涉及一种带涂层的切削刀具及其制备工艺。
技术介绍
涂层刀具刀片广泛应用于汽车、航空、微电子等各种行业的机械加工，加工材料包括普通的钢铁、铜、铝等金属材料，以及各种合金、陶瓷或复合材料。在机械加工过程中，涂层刀具存在两种失效制度:磨损、破损。刀具磨损主要是磨蚀磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损。在不同的切削条件下，加工不同材料的工件时，其主要磨损原因可能是其中一种或两种，总的来说切削温度较低时以磨蚀磨损为主，切削温度较高时以扩散磨损、氧化磨损为主。现在普遍采用在刀具表面涂敷高硬度、耐磨的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层和氧化物涂层，来增强刀具的耐磨性能，延长刀具刀片的使用寿命。如TiN、TiC、TiCN、CrN能够降低刀具的磨蚀磨损、粘结磨损、扩散磨损，增加刀具的耐用度；在刀具表面涂敷高硬度的Al2O3涂层，可以有效地保护刀具避免氧化磨损。采用CVD方法在切削刀片基体上沉积钛的氮化物、碳化物、碳氮化物以及氧化铝，在现有的很多专利文献中已经有描述。例如美国专利文献US4490191和US3736107，欧洲专利文献EP0408535A1和EP0738336A1，以及中国专利文献CN1051263C和CN1039727C等公开了氧化物涂层刀具的制备方法以及各种提高氧化物涂层附着性能的预处理方法。专利文献JP7075903A、SE511089C2以及W00052225A1公开了 MTCVD-TiC或TiCN涂层的制备方法以及该涂层在立方氮化硼刀具、硬质合金刀具、多涂层刀具中的应用。现有涂层刀片的CVD涂层普遍采用MTCVD-TiCN涂层和Al2O3涂层的外层设计，典型涂层结构为TiCN(外层)+Α1203(中间层)+TiCN(内层)的多层式结构，该多层式结构虽具有一定的通用性，能适用于各加工领域的切削刀片。然而改善涂层体系的结合强度和耐磨性能成为当前涂层体系改进和优化的方向，为此对于TiCNAl2O3过渡层的研究成为一个热点，US006436519公开了一种含有打4105相的TiAlCNO层，通过增加TiCNAl2O3界面的面积改善了涂层的结合强度；CN1319689C公开了一种TiBN过渡层，通过限定B的含量和厚度，避免了 TiB和TiN作为过渡层的不足，改善了涂层结合强度和耐磨性能；CN100534779C公开了一种多层涂层体系:采用一层厚度为0.1 2 μ m、平均晶粒度≤0.5 μ m、晶粒为针状晶粒和/或等轴晶粒的TiCxNyOz过渡层，改善了柱状晶TiCxNy层和C1-Al2O3外层的结合性能，涂层在加工铸铁时表现得很好。专利文献EP0603144、CN1039727C、CN1134470A中都采用了具有针状或等轴结构的TiCNO过渡层来改善α -Al2O3层的形核。其次，在高达800°C 1200°C温度下用CVD涂层工艺沉积碳化物层、氮化物层、碳氮化物或氧化物耐磨 层时，基体中的钨、钴、碳，或中间涂层中的碳、氮、钛等可能会通过热渗透不断地迁移扩散到正在生长的涂层中，从而影响涂层中晶粒的生长方向、显微结构、涂层间的结合力、涂层的物理化学性能、机械性能等，如何抑制这些元素的迁移和扩散也是现有技术中所关注的内容。D.SELBMANN在“chemical vapour deposition of Al-containingTiC and TiCO hard coatings”中介绍了 TiAlCO的制备技术。US5135801号美国专利文献揭示了一种具有最深(紧邻基体)含氧层的涂层硬质合金刀具，该涂层可以抑制含碳的硬质合金基体中的碳渗进涂层，把含氧层(如TiCO薄层)直接涂在硬质合金基体上，使基体脱碳作用降至最低限度。CN1060983C号中国专利文献公开了一种工艺方法，其在直接涂敷于基体的第一层TiCxN1-X (O≤X≤I)与涂敷于TiCO层上的另一层TiCxN1-X (O≤x≤I)之间，涂敷TiCO薄层作为中间层，目的也是抑制金属钴和钨由基体向涂层的渗透扩散。然而，由于TiC0、TiAlCN0、TiBN等含氧涂层具有针状的结构，脆性大，在厚度较薄时对抑制物质钴和钨由基体向涂层的渗透扩散作用有限；并且单一的TiO、TiCO或TiAlCO过渡层在底层涂层A的表面不能均匀形核，因而当沉积时间短时，TiCO过渡层在底层涂层A上分布不均匀的，不致密，进一步影响外层a -Al2O3的形核，导致外层氧化物层的晶粒粗大和涂层的不均匀性；而含氧过渡层厚度过厚，又会导致过渡层晶粒长大，会降低表层a-Al2O3层的形核密度，甚至有部分针状晶粒异常长大，深入表层C1-Al2O3涂层，形成一个应力集中点，降低表层α-Α1203涂层强度；同时而含氧过渡层厚度过厚也会形成在涂层之间形成一个脆性很大的裂纹扩展层，降低表层涂层的结合强度。综上所述，现有专利仅从不同角度对TiCNAl2O3过渡层进行了研究，没有综合考虑过渡层对TiCNAl2O3涂层体系的影响作用。我们有必要对切削刀具的涂层的微观结构及各项参数指标作进一步的调整、组合和优化设计，以降低沉积过程中来自基体的元素对涂层的消极影响，改善涂层的结合强度、耐磨性能和稳定性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种耐磨性好、附着力强、抑制性高的改善涂层结构的切削刀具，并相应提供该切削刀具的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出如下技术方案为一种改善涂层结构的切削刀具，包含基体(涂层基体可以为硬质合金、金属陶瓷，非金属陶瓷、PCD或CBN等材料)以及在基体上至少部分覆盖的涂层，所述涂层由内到外至少包含有内层Α、过渡层C和外层B;所述内层A主要由元素周期表中的过渡元素与非金属元素组成的化合物材料构成，所述过渡元素选自元素周期表中的IVB族、VB族、VIB族中的至少一种，所述非金属元素选自碳、氮、氧、硼中的至少一种；所述外层B主要由铝的氧化物、钛的氧化物、铪的氧化物、锆的氧化物、前述氧化物的固溶体中的至少一种构成；其特征在于，所述过渡层C由外到内包含有过渡层Cl、过渡层C2和过渡层C3:所述过渡层Cl主要由钛的碳氮氧化物TiCxlNylOzl组成，所述xl、yl、zl分别表示TiCxlNylOzl 中 C、N、O 的原子百分数，且满足 0.5 ≤ zl/(xl+yl+zl)≤ I, yl ≤ xl ≤ zl ；所述过渡层C2主要由钛的碳氮氧化物TiCx2Ny2Oz2组成，所述x2、y2、z2分别表示TiCx2Ny2Oz2 中 C、N、O 的原子百分数，且满足 0.5 ≤ x2/(x2+y2+z2) ≤ I ；所述过渡层C3主要由钛的碳氮氧化物TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3组成，所述x3、y3、z3分别表示TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3中C、N、O的原子百分数，且满足0.3 ≤ y3/(x3+y3+z3) ≤ 0.8, z3 ≤ 0.1 ο作为对上述改善涂层结构的切削刀具的进一步改进，在所述过渡层C2和过渡层C3之间还设有过渡层C4，所述过渡层C4主要由TiMeX涂层组成，其中Me为Al、S1、Hf、Zr中的至少一种，X为C、N、B、0中的至少一种。所述过渡层C4优选为梯度结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善涂层结构的切削刀具，包含基体以及在基体上至少部分覆盖的涂层，所述涂层由内到外至少包含有内层A、过渡层C和外层B；所述内层A主要由元素周期表中的过渡元素与非金属元素组成的化合物材料构成，所述过渡元素选自元素周期表中的IVB族、VB族、VIB族中的至少一种，所述非金属元素选自碳、氮、氧、硼中的至少一种；所述外层B主要由铝的氧化物、钛的氧化物、铪的氧化物、锆的氧化物、以及由前述氧化物间形成的固溶体中的至少一种构成；其特征在于，所述过渡层C由外到内包含有过渡层C1、过渡层C2和过渡层C3：所述过渡层C1主要由钛的碳氮氧化物TiCx1Ny1Oz1组成，所述x1、y1、z1分别表示TiCx1Ny1Oz1中C、N、O的原子百分数，且满足0.5≤z1/(x1+y1+z1)≤1，y1≤x1≤z1；所述过渡层C2主要由钛的碳氮氧化物TiCx2Ny2Oz2组成，所述x2、y2、z2分别表示TiCx2Ny2Oz2中C、N、O的原子百分数，且满足0.5≤x2/(x2+y2+z2)≤1；所述过渡层C3主要由钛的碳氮氧化物TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3组成，所述x3、y3、z3分别表示TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3中C、N、O的原子百分数，且满足0.3≤y3/(x3+y3+z3)≤0.8，z3≤0.1。...

【技术特征摘要】
1.一种改善涂层结构的切削刀具，包含基体以及在基体上至少部分覆盖的涂层，所述涂层 由内到外至少包含有内层A、过渡层C和外层B ； 所述内层A主要由元素周期表中的过渡元素与非金属元素组成的化合物材料构成，所述过渡元素选自元素周期表中的IVB族、VB族、VIB族中的至少一种，所述非金属元素选自碳、氮、氧、硼中的至少一种； 所述外层B主要由铝的氧化物、钛的氧化物、铪的氧化物、锆的氧化物、以及由前述氧化物间形成的固溶体中的至少一种构成； 其特征在于，所述过渡层C由外到内包含有过渡层Cl、过渡层C2和过渡层C3: 所述过渡层Cl主要由钛的碳氮氧化物TiCxlNylOzl组成，所述xl、yl、zl分别表示TiCxlNylOzl 中 C、N、O 的原子百分数，且满足 0.5 ( zl/(xl+yl+zl) ^ I, yl ^ xl ^ zl ； 所述过渡层C2主要由钛的碳氮氧化物TiCx2Ny2Oz2组成，所述x2、y2、z2分别表示TiCx2Ny2Oz2 中 C、N、O 的原子百分数，且满足 0.5 彡 x2/(x2+y2+z2) ( I ； 所述过渡层C3主要由钛的碳氮氧化物TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3组成，所述x3、y3、z3分别表示TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3中C、N、O的原子百分数，且满足0.3 ( y3/(x3+y3+z3) ^ 0.8, z3 ^ 0.1 ο2.根据权利要求1所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于:在所述过渡层C2和过渡层C3之间还设有过渡层C4，所述过渡层C4主要由TiMeX涂层组成，其中Me为Al、S1、Hf、Zr中的至少一种，X为C、N、B、O中的至少一种。3.根据权利要求2所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于:所述过渡层C4为梯度结构，过渡层C4中Ti元素的原子百分比由外向内逐渐增加，且外层Ti元素的原子百分比小于内层的80%。4.根据权利要求1 3中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于:所述过渡层Cl中，所述xl、yl、zl满足0.5 ( zl/(xl+yl+zl)彡0.8 ;所述过渡层Cl为片状或粒状纳米晶结构，所述过渡层Cl的厚度小于0.5 μ m。5.根据权利要求4所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于:所述过渡层Cl的晶粒度小于200nm,所述过渡层Cl的厚度小于0.3 μ m。6.根据权利要求1 3中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于:所述过渡层C2中，所述x2、y2、z2满足0.8 < x2/(x2+y2+z2) ( I ;所述过渡层C2为离散分布的纳米等轴颗粒结构，所述过渡...

【专利技术属性】
技术研发人员：王社权，刘王平，陈响明，李秀萍，
申请(专利权)人：株洲钻石切削刀具股份有限公司，
类型：发明
国别省市：