用于低速重載車削鋼、不銹鋼的刀具涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為用于低速重載車削鋼、不銹鋼的刀具涂層，解決已有刀具涂層工藝復(fù)雜，而且工藝氣體耗費較高的問題。所述的涂層為復(fù)合涂層，復(fù)合涂層與基體接觸的為第一TiN層，依次沉積第一TiC層、第一TiCN、第二TiC、第二TiCN、第二TiN層，第一TiN層的沉積溫度880900℃，沉積壓力95—101KPa，使用氣體為TiCl4、H2、N2、Ar，其中TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45—48℃，涂層厚度0.5—1um，第一TiC層沉積溫度1000—1100℃，沉積壓力6kPa—50kPa，使用氣體為TiCl4、H2、CH4，TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45—48℃，涂層厚度0.5—1um，第一TiCN層沉積溫度1000—1100℃，沉積壓力6kPa—50kPa，使用氣體為TiCl4、H2、CH4、N2、Ar，涂層厚度2—4um，第二TiC層沉積工藝及厚度與第一TiC層完全一致，第二TiCN層沉積工藝及厚度與第一TiCN完全一致。
【專利說明】用于低速重載車削鋼、不銹鋼的刀具涂層
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明涉及的是一種采用高溫化學氣相沉積(CVD)方法制備的多層復(fù)合硬質(zhì)刀具陶瓷涂層，尤其與用于低速重載車削鋼、不銹鋼領(lǐng)域的刀具涂層。
[0002]【背景技術(shù)】:
硬質(zhì)涂層是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，制造業(yè)的技術(shù)進步對工具的硬質(zhì)涂層提出越來越高的要求。切削刀具在切削加工過程中承受極大的機械負荷和熱負荷、極易產(chǎn)生磨損、磨耗損傷，致使其使用壽命急劇下降。因此，對切削刀具進行表面改性，提高表面性能，對提高切削刀具壽命極其重要。切削刀具采用表面涂層技術(shù)能有效地提高其切削性能和使用壽命，使刀具獲得優(yōu)異的綜合性能，從而可大幅度提聞機械加工效率。
[0003]化學氣相沉積分為高溫化學氣相沉積(HT — CVD)和中溫化學氣相沉積(MT — CVD)兩種。HT-CVD沉積溫度大于900°C，主要沉積種類為金屬碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物等單層及多層復(fù)合涂層。MT — CVD沉積溫度低于900°C，于20世紀90年代中期發(fā)展成熟，其主要目的就是為了替代HT—TiCN，由于沉積時采用含有C一N原子團的有機化合物，可以在相對較低的溫度下以更快的速度制取TiCN，并且MT—TiCN較HT—TiCN相比組織結(jié)構(gòu)更致密，應(yīng)力也小，所以具有更好的耐磨損性能和韌性，同時，由于溫度較低，還會避免產(chǎn)生對涂層刀具產(chǎn)生負面影響的脫碳層，降低涂層刀具的脆性，防止刀具在切削過程中崩碎。MT — CVD方法還可以沉積TiN、TiSiN等涂層，近期也有用MT — CVD方法沉積κ—Α1203和Y — Al2O3的報道，但是工藝并不成熟。
[0004]在硬質(zhì)涂層的種類和品種方面，隨著制造業(yè)規(guī)?；陌l(fā)展，現(xiàn)在的單一化合物涂層和多元化合物涂層，如TiN、TiC、TiCN等，已經(jīng)不能滿足高速、高效、綠色切削方式對工具硬質(zhì)涂層提出的苛刻要求，需要硬質(zhì)涂層在硬度、結(jié)合力、抗高溫氧化等諸多性能上有進一步的提高。為滿足這些要求，發(fā)達國家已經(jīng)投入大量的財力和人力進行涂層方面的研究，并且已經(jīng)取得了很多成果并進入了市場，在CVD涂層方面，主要是對各種涂層進行組合，形成復(fù)合涂層，如早期的TiC/TiN、TiC/TiCN/TiN等，但是隨著加工技術(shù)和材料技術(shù)的不斷發(fā)展，對涂層的硬度、韌性、耐磨損性能及耐高溫氧化等諸多性能提出了更高的要求，因此出現(xiàn)了含有 Al2O3 的復(fù)合涂層，如 TiCN/Al203、TiCN/TiC/Al203、TiCN/Al203/TiN、TiCN/TiC/Al203/TiN、TiCN/Al203/TiCN等，目前這些涂層廣泛的應(yīng)用于鋼、不銹鋼、鑄鐵等材料的加工領(lǐng)域。但是，這同樣也給我們造成了一個誤區(qū)，認為凡是含有Al2O3的涂層都比不含有Al2O3的涂層好用，但事實卻并非如此，在低速重載車削鋼、不銹鋼等易加工材料過程中，由于發(fā)熱量相對較少，刀片溫度相對較低，Al2O3優(yōu)異的耐高溫氧化性能根本體現(xiàn)不出來，普通的TiC/TiCN涂層就可以勝任，效果甚至可能更好，此外，為了控制Al2O3涂層穩(wěn)定的成核、生長并獲得良好的結(jié)合力，需要對HC1、H2S、C02、C0等各種反應(yīng)氣體進行精確控制，不僅時間長、工藝復(fù)雜，而且工藝氣體耗費較高，

【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單，耗費較低，使用壽命長的用于低速重載車削鋼、不銹鋼的刀具涂層。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
所述的涂層為復(fù)合涂層，復(fù)合涂層與基體接觸的為第一 TiN層，依次沉積第一 TiC層、第一 TiCN、第二 TiC、第二 TiCN、第二 TiN層，第一 TiN層的沉積溫度880— 900°C，沉積壓力95 — IOlKPa,使用氣體為TiCl4、H2、N2、Ar，其中TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45— 48°C，涂層厚度0.5 — lum，反應(yīng)方程式如下:
2TiCl4 + N2 + 4H2 — 2TiN + 2HC1
第一 TiC層沉積溫度1000—11001:，沉積壓力6kPa—50kPa，使用氣體為TiCl4、H2、CH4，TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45— 48°C，涂層厚度0.5 — lum,反應(yīng)方程式如下:TiCl4 + CH4 — TiC + 4HC1
第一 TiCN層沉積溫度1000— 1100°C，沉積壓力6kPa — 50kPa，使用氣體為TiCl4、H2,CH4, N2、Ar，TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45— 48°C，涂層厚度2 — 4um，反應(yīng)方程式如下:
4TiCl4 + N2 + 2CH4 + 4H2 — 2 (TiN + TiC) + 16HC1
第二 TiC層沉積工藝及厚度與第一 TiC層完全一致，
第二 TiCN層沉積工藝及厚度與第一 TiCN完全一致，
第二 TiN層，可以采用HT — CVD方法沉積，也可以采用MT — CVD方法沉積，主要作用是為了用TiN涂層美麗的金黃色判斷刀具刃口的使用情況，便于用戶管理，其沉積溫度850—1100°C，沉積壓力95 — IOlKPa,使用氣體為TiCl4、H2、N2、Ar，其中TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4 水溫 45— 48°C，涂層厚度 0.5— lum。
[0006]所述的涂層在沉積完畢，冷卻至室溫后，需要進行噴砂處理，砂子使用150— 400目的金剛砂，噴砂壓力I一3Bar，噴砂時間20— 60秒。
[0007]基體材料為陶瓷材料或WC — Co基硬質(zhì)合金材料或鋼材料。
[0008]本發(fā)明中為了避免產(chǎn)生脫碳相，先在基體表面采用MT — CVD方法沉積一層穩(wěn)定性好的TiN，即第一 TiN層，
本發(fā)明最外層為第二 TiN層，可以采用HT—CVD方法沉積，也可以采用MT—CVD方法沉積，主要作用是為了用TiN涂層美麗的金黃色判斷刀具刃口的使用情況，便于用戶管理。
[0009]本發(fā)明所述的涂層在沉積完畢，冷卻至室溫后，需要進行噴砂處理，砂子使用150—400目的金剛砂，噴砂壓力I一3Bar，噴砂時間20— 60秒。通過噴砂處理，可以有效改善涂層內(nèi)部的應(yīng)力狀況，降低涂層表面粗糙度，提高刀具的壽命。
[0010]本發(fā)明中TiN+TiC+TiCN的結(jié)構(gòu)可以使TiN逐步過渡到TiCN，可以降低涂層應(yīng)力，增強涂層間的結(jié)合力，而使用(TiC+TiCN)+ (TiC+TiCN)這樣的結(jié)構(gòu)其目的是控制單層TiC和TiCN的晶粒尺寸，防止涂層微觀裂紋的產(chǎn)生。
[0011]本發(fā)明工藝簡單，耗費較低，使用壽命長。本發(fā)明切削距離1238m，正常磨損
0.09mm。而用于對比的已有涂層刀具切削距離214m，刀尖崩碎。
[0012]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1本發(fā)明涂層的結(jié)構(gòu)
圖2未沉積第一層TiN的涂層金相照片及脫碳相(基體附近的黑點)
圖3本發(fā)明涂層的金相照片圖4未經(jīng)噴砂的涂層掃描電鏡圖像 圖5本發(fā)明涂層的掃描電鏡圖像
【具體實施方式】:
實施例:
用于實現(xiàn)本發(fā)明所述的涂層的設(shè)備為可進行中、高溫連續(xù)沉積的化學氣相沉積爐，適用于本發(fā)明的基體材料為TiCN、Al203、Si3N4等陶瓷材料、WC—Co基硬質(zhì)合金材料及鋼材料。
[0013]本發(fā)明所述的涂層與基體接觸的為第一層，依次沉積第二層至最外層。涂層結(jié)構(gòu)為及成分為=TiN (第一層)+TiC+TiCN+TiC+TiCN+TiN (最外層)(如圖1、3所示)。
[0014]本發(fā)明中為了避免產(chǎn)生脫碳相，先在基體表面采用MT — CVD方法沉積一層穩(wěn)定性好的TiN，即第一層TiN，(未沉積該層的涂層及脫碳相如圖2所示)沉積溫度880— 900°C，沉積壓力95 — IOlKPa,使用氣體為TiCl4、H2、N2、Ar，其中TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45— 48°C，涂層厚度0.5 — lum。反應(yīng)方程式如下:
2TiCl4 + N2 + 4H2 — 2TiN + 2HC1
本發(fā)明第二層為TiC涂層，采用HT — CVD方法沉積，沉積溫度1000— 1100°C，沉積壓力6kPa—50kPa,使用氣體為TiCl4、H2、CH4，TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45—48°C，涂層厚度0.5 — lum。反應(yīng)方程式如下:
TiCl4 + CH4 — TiC + 4HC1
本發(fā)明第三層為TiCN涂層，采用HT — CVD方法沉積，沉積溫度1000—11001:，沉積壓力6kPa — 50kPa，使用氣體為TiCl4、H2、CH4、N2、Ar，TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45—48°C,涂層厚度2 —4um。反應(yīng)方`程式如下:
4TiCl4 + N2 + 2CH4 + 4H2 — 2 (TiN + TiC) + 16HC1
本發(fā)明第四層為TiC涂層，采用HT — CVD方法沉積，沉積工藝及厚度與第二層TiC完全—致。
[0015]本發(fā)明第五層為TiCN涂層，采用HT — CVD方法沉積，沉積工藝及厚度與第三層TiCN完全一致。
[0016]本發(fā)明最外層為TiN涂層，可以采用HT—CVD方法沉積，也可以采用MT—CVD方法沉積，主要作用是為了用TiN涂層美麗的金黃色判斷刀具刃口的使用情況，便于用戶管理，其沉積溫度850— 1100°C，沉積壓力95 — IOlKPa,使用氣體為TiCl4、H2, N2, Ar，其中TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45— 48°C，涂層厚度0.5 — lum。
[0017]本發(fā)明所述的涂層在沉積完畢，冷卻至室溫后，需要進行噴砂處理，砂子使用150—400目的金剛砂，噴砂壓力I一3Bar，噴砂時間20— 60秒。通過噴砂處理，可以有效改善涂層內(nèi)部的應(yīng)力狀況，降低涂層表面粗糙度(如圖4、5所示)，提高刀具的壽命。
[0018]本發(fā)明中TiN+TiC+TiCN的結(jié)構(gòu)可以使TiN逐步過渡到TiCN，可以降低涂層應(yīng)力，增強涂層間的結(jié)合力，而使用(TiC+TiCN)+ (TiC+TiCN)這樣的結(jié)構(gòu)其目的是控制單層TiC和TiCN的晶粒尺寸，防止涂層微觀裂紋的產(chǎn)生。
[0019]選用硬質(zhì)合金刀具B8N2 — 3H作為基體，刀片經(jīng)清洗清洗、純凈水漂洗、酒精漂洗、烘干等清洗步驟后，置于專用卡具裝入涂層爐中，升溫到位后進行涂層的沉積。其中一片按照本發(fā)明的方法進行沉積，另一片沒有本發(fā)明中的第一層TiN，其他涂層工藝及結(jié)構(gòu)與本發(fā)明完全相同，TiC和TiCN厚度均為2um，最外層TiN厚度0.5um,噴砂處理后進行切削對比，噴砂處理的砂子使用220目的金剛砂，噴砂壓力2Bar，噴砂時間60秒。涂層工藝參數(shù)如下表:
【權(quán)利要求】
1.用于低速重載車削鋼、不銹鋼的刀具涂層，其特征在于所述的涂層為復(fù)合涂層，復(fù)合涂層與基體接觸的為第一 TiN層，依次沉積第一 TiC層、第一 TiCN、第二 TiC、第二 TiCN、第二 TiN層，第一 TiN層的沉積溫度880—900°C，沉積壓力95 — IOlKPa,使用氣體為TiCl4、H2、N2、Ar，其中TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45—48°C，涂層厚度0.5—Ium,第一 TiC層沉積溫度1000— 1100°C，沉積壓力6kPa — 50kPa，使用氣體為TiCl4、H2, CH4, TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45— 48°C，涂層厚度0.5 — lum，第一 TiCN層沉積溫度1000—1100°C，沉積壓力6kPa — 50kPa，使用氣體為TiCl4、H2、CH4、N2、Ar，TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45— 48°C，涂層厚度2 — 4um，第二 TiC層沉積工藝及厚度與第一 TiC層完全一致，第二 TiCN層沉積工藝及厚度與第一 TiCN完全一致，第二 TiN層，可以采用HT — CVD方法沉積，也可以采用MT—CVD方法沉積，主要作用是為了用TiN涂層美麗的金黃色判斷刀具刃口的使用情況，便于用戶管理，其沉積溫度850— 1100°C，沉積壓力95 — IOlKPa,使用氣體為TiCl4、H2、N2、Ar，其中TiCl4用載H2帶入反應(yīng)爐中，TiCl4水溫45— 48°C，涂層厚度0.5——Ium0
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于低速重載車削鋼、不銹鋼的刀具涂層，其特征在于所述的涂層在沉積完畢，冷卻至室溫后，需要進行噴砂處理，砂子使用150— 400目的金剛砂，噴砂壓力I一3Bar,噴砂時間2O—60秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于低速重載車削鋼、不銹鋼的刀具涂層，其特征在于基體材料為陶瓷材料或WC — Co 基硬質(zhì)合金材料或鋼材料。
【文檔編號】B32B9/04GK103741117SQ201310718314
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】李洪林, 周彤, 曾祥才, 胡恒寧, 吳春濤, 李波, 薛峰 申請人:成都工具研究所有限公司