一种带涂层的切削刀具及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种带涂层的切削刀具包括：刀具基体，以及在所述刀具基体上通过CVD方法依次沉积形成的涂覆层，所述涂覆层具有多层结构，从内至外依次包括：TiAlN梯度涂层，由通式Ti1‑

【技术实现步骤摘要】
一种带涂层的切削刀具及其制备方法


[0001]本专利技术属于切削刀具生产制造领域，尤其涉及一种带涂层的切削刀具及其制备方法。

技术介绍

[0002]现代制造业正在向高效、环保方向发展，高速、干式切削加工所占比例越来越高，对刀具的性能正不断的提出更高的要求。普通硬质合金刀具已经不能满足现代制造业的发展趋势。于是，各种各样的涂层硬质合金刀具相继被开发出来并成功的应用于现代制造业。
[0003]目前采用化学气相沉积(CVD)方法制备涂层硬质合金刀具仍然是企业生产的重要途径，而且CVD方法具有以下优点：可以制备较厚的涂层、涂层表面质量高、基体与涂层结合强度高、成本较低。切削刀具的耐磨性通常通过CVD技术沉积的金属氧化物、氮化物和碳化物来改善。常见的CVD功能层有TiCN涂层和Al2O3涂层，其中氧化铝广泛用于切削刀具的耐磨涂层上。Al2O3有很多不同的晶型，已经在工业上实现的有α
‑
Al2O3、κ
‑
Al2O3和γ
‑
Al2O3。当中的α
‑
Al2O3是唯一稳定的Al2O3相，被主要应用在钢件、铸铁和不锈钢材料的加工中。
[0004]在最常见的涂层成分中，例如TiCN或Al2O3都已经建立了很好的结晶取向系统。优选结晶取向可以通过选择合适的工艺条件来实现，确定生长织构参数可以是反应气体或催化气体的选择和流量比，或涂层成分、成核和沉积表面等。
[0005]同样的，随着工业技术的发展，原本只能在PVD(物理气相沉积)上制备的TiAlN涂层已经可以用CVD涂层技术实现。而且CVD方法制备的TiAlN涂层，其Al含量可以超过70％，具备更高的抗氧化性，针对CVD TiAlN涂层的应用与研究也越来越广泛。
[0006]但是，目前的涂层刀具存在以下问题：一是TiAlN涂层在生长过程中，随着厚度的增加，涂层晶粒也会随之长大，从而降低涂层本身的硬度；二是涂层材料与基体间因材料性质不同而引起的较大残余应力，使得涂层与基体以及梯度涂层间的结合力较差。

技术实现思路

[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种涂层硬度高且分布均匀、涂层与基体结合力强的切削刀具及其制备方法。
[0008]本申请方案提供一种带涂层的切削刀具，包括：刀具基体，以及在所述刀具基体上通过CVD方法依次沉积形成的涂覆层，所述涂覆层具有多层结构，从内至外依次包括：
[0009]TiAlN梯度涂层，由通式Ti1‑
x
Al
x
N表示，其中0.5≤x≤0.9，所述TiAlN梯度涂层中Al含量由靠近所述刀具基体一侧至远离所述刀具基体一侧由低到高梯度增加；
[0010]TiAlOCN层，以及
[0011]α
‑
Al2O3涂层，所述α
‑
Al2O3涂层具有整体的纤维织构。
[0012]进一步地，原子质量百分比大于90％的所述TiAlN梯度涂层具有面心立方(fcc)晶体结构。
[0013]进一步地，所述TiAlN梯度涂层的显微硬度在30GPa以上。
[0014]进一步地，所述α
‑
Al2O3涂层的晶体具有优先在(104)方向生长的显微组织结构，其织构系数TC(hkl)大于3，织构系数TC(hkl)的定义如下：
[0015][0016]式中：
[0017]I(hkl)为通过X射线衍射而测量到的(hkl)晶面的反射强度；
[0018]I0为根据PDF卡号461212的衍射反射的标准强度；
[0019]n为计算中所用的反射晶面的数目；
[0020]所用的(hkl)反射晶面包括(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(300)、(1010)。
[0021]进一步地，所述α
‑
Al2O3涂层的的显微硬度在24GPa以上，且平均晶粒度小于3μm。
[0022]进一步地，所述涂覆层的总厚度为7μm～30μm；其中，所述TiAlN梯度涂层的厚度为4μm～13μm，优选5μm～10μm；所述TiAlOCN层的厚度为0.1μm～5μm；所述α
‑
Al2O3涂层的厚度为3μm～10μm，优选4μm～8μm。
[0023]进一步地，所述涂覆层还包括与所述刀具基体表面相邻的打底层和最外侧的着色层，所述打底层和着色层分别由Ti、TiN、TiC、TiCN中的一层或多层构成。
[0024]进一步地，所述打底层的厚度为0.1
‑
0.5μm，所述着色层的厚度为0.1
‑
2μm。
[0025]还提供一种制备上述任一项技术方案所述的的切削刀具的方法，其特征在于，在600℃至900℃的反应温度下，含有一种或多种铝的卤化物和一种含氧的气体，通过氢气作为载气，在所述刀具基体上使用CAD方法沉积所述TiAlN梯度涂层，通过控制含铝卤化物的比例实现所述TiAlN梯度涂层中Al含量的梯度变化。
[0026]进一步地，在所述TiAlOCN过渡层上通过调控所述TiAlOCN过渡层的氧含量，调控所述α
‑
Al2O3涂层的形核，以控制所述α
‑
Al2O3涂层的织构，其织构系数TC(hkl)大于3。
[0027]本申请的改进带来如下优点：
[0028](1)本申请实施例一种带涂层的切削刀具，其TiAlN梯度涂层中的Al含量由内至外梯度增加，可以有效地抑制涂层晶粒的过度长大，更好地控制晶粒度，使得整个TiAlN梯度涂层中的晶粒由里到外都大小一致，稳定涂层硬度，整个TiAlN梯度涂层的硬度分布更加均匀，使涂覆层表现出更高的硬度。
[0029](2)刀具在切削过程中，表层温度极高，在高温下TiAlN涂层中的Al离子向表面扩散，容易形成一层致密的氧化铝保护膜，使得涂层的抗氧化性能提高。Al含量越高，越能促进这个过程的形成。因此，TiAlN梯度涂层中的Al含量由内至外梯度增加，可以赋予刀具更强的抗高温氧化性能。
[0030](3)在现有技术中，由于涂层中的不同材料在温度变化过程中，宏观和微观组织发生了不均匀的体积变化导致各部分之间的相互作用而产生残余应力，进而影响涂层间的结合强度。TiAlN梯度涂层中的Al含量逐渐变化比固定Al含量的涂层产生的残余应力具有更好的减缓作用，而残余应力的减少可以直接减少涂层之间的拉扯作用，提高结合力。
[0031](4)TiAlOCN层涂覆在TiAlN梯度涂层上，TiAlOCN涂层成分与TiAlN中的AlN以及Al2O3中的O元素的成分类似，可以很好的从TiAlN过渡到Al2O3涂层，以提高TiAlN梯度涂层与α
‑
Al2O3涂层间的结合力。控制氧化铝的织构可以通过控制氧化铝的形核过程来实现，其
中TiAlOCN层中氧含量的多少即氧势是关键。通过TiAlOCN层的氧含量进而在一定程度上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带涂层的切削刀具，其特征在于，包括：刀具基体，以及在所述刀具基体上通过CVD方法形成的涂覆层，所述涂覆层具有多层结构，从内至外依次包括：TiAlN梯度涂层，由通式Ti1‑
x
Al
x
N表示，其中0.5≤x≤0.9，所述TiAlN梯度涂层中Al含量由靠近所述刀具基体一侧至远离所述刀具基体一侧由低到高梯度增加；TiAlOCN层，以及α
‑
Al2O3涂层，所述α
‑
Al2O3涂层具有整体的纤维织构。2.根据权利要求1所述的切削刀具，其特征在于，原子质量百分比大于90％的所述TiAlN梯度涂层具有面心立方(fcc)晶体结构。3.根据权利要求2所述的切削刀具，其特征在于，所述TiAlN梯度涂层的显微硬度在30GPa以上。4.根据权利要求1所述的切削刀具，其特征在于，所述α
‑
Al2O3涂层的晶体具有优先在(104)方向生长的显微组织结构，其织构系数TC(hkl)大于3，织构系数TC(hkl)的定义如下：式中：I(hkl)为通过X射线衍射而测量到的(hkl)晶面的反射强度；I0为根据PDF卡号461212的衍射反射的标准强度；n为计算中所用的反射晶面的数目；所用的(hkl)反射晶面包括(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)、(300)、(1010)。5.根据权利要求4所述的切削刀具，所述α
‑
Al2O3涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：成伟，邱联昌，朱骥飞，史海东，谭卓鹏，殷磊，廖星文，
申请(专利权)人：赣州澳克泰工具技术有限公司，
类型：发明
国别省市：