一种复合涂层刀具及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于机械加工刀具技术领域，具体涉及一种复合涂层刀具及其制备方法和应用，该刀具包括由硬质合金、陶瓷或钢制成的基体，以及基体上面的复合涂层；复合涂层包括第一子涂层和第二子涂层，以及所述第一子涂层和第二子涂层之间设有硼含量由低到高梯度变化的Ti

【技术实现步骤摘要】
一种复合涂层刀具及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于机械加工刀具
，具体为一种复合涂层刀具及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]钛合金、高温合金、耐热不锈钢等材料广泛应用于航空航天、能源等领域高端装备零部件上，现代切削加工要求高效，追求高速切削；提倡环保，少用或不用冷却液，追求绿色干式切削。钛合金、高温合金、耐热不锈钢等材料切削时与刀具接触的局部温度可达1000℃以上，这些材料在高温下仍具有高强度，并且在切削期间产生碎片式切屑，对刀具产生断续的高切削冲击力，高强度、加工硬化和粘附硬化等材料特性对刀具提出了硬而韧的要求。大部分刀具在切削有色金属和不锈钢等材料时，由于材料与刀具的亲和性（刀具与待切削材料间元素互相渗透、反应）导致加工精度低和刀具损坏。为适应上述加工要求，刀具涂层要求摩擦系数低、涂层结合强度高、耐磨性好、亲和性低、高温抗氧化性好、兼具硬度和韧性。
[0003]长期以来国内外涂层刀具的研究和应用主要集中在金属氧化物、氮化物、碳化物等二元涂层材料方面。然而，强共价键结合的特性导致这些涂层要么韧性较差、要么抗氧化物性能较差。近年来为有效解决上述缺点，具有复合结构的多元化金属涂层成为主流研究方向。
[0004]评判具有复合结构的多层涂层
‑
复合涂层性能好坏的一个重要指标是涂层结合力的好坏。涂层结合力，是指涂层与涂层之间、及涂层与基体之间的相互粘附能力，也就是将单层涂层从其余涂层中或基体上剥离的难易程度。越难剥离意味着涂层的结合力越好，涂层刀片使用时越能发挥各涂层的特点，使用寿命也更长。涂层结合力问题也是复合涂层首要解决的问题。
[0005]上个世纪80年代开始，硼元素掺杂传统涂层的研究就已经开始，得到了一些公认的研究成果：硼元素具有很好的细晶强化作用，它能使涂层晶粒细化从而提高涂层硬度；硼元素与钛、镍、铝等金属的化学反应，使得掺硼涂层有利于有色金属的加工。TiB2涂层具有纳米级晶粒，硬度超过4600HV；与铁基、镍基、钛基等高温合金材料亲和性低，不易产生粘附破坏刀具；摩擦系数低，具有自润滑性，非常适合不使用润滑液的干式切削。但是，TiB2涂层硬而脆，韧性低，难以与其它涂层结合，从而限制了TiB2涂层的应用。
[0006]专利CN103060653A中利用磁控溅射的方法使用TiB2靶和Cu靶制备出二硼化钛
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铜韧性硬质涂层，该涂层具有高硬度、高韧性的特点，但是在加工有色金属材料时会出现粘刀破坏刀具。专利CN107740043A中利用磁控溅射和射频溅射的方法同时沉积TiB2和CaF2，该方法改善了TiB2涂层的韧性使得掺杂CaF2的TiB2涂层与基体结合良好，但也不可避免的降低了TiB2涂层本身的硬度。并且这些方法使用的都是物理气相沉积技术，不具备化学气相沉积技术涂层的高硬度、高涂层结合力的特点。
[0007]由此，目前需要有一种方案来解决现有技术中存在的技术问题。

技术实现思路

[0008]为解决现有技术存在的问题，本专利技术的主要目的是提出一种复合涂层刀具及其制备方法和应用。
[0009]为解决上述技术问题，根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了如下技术方案：
[0010]一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具，其中，包括基体和依次设置在所述基体表面的复合涂层；所述复合涂层自基体向外依次包括第一子涂层、Ti
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B
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N过渡层、第二子涂层TiB2层，所述Ti
‑
B
‑
N过渡层中的硼含量自第一子涂层向第二子涂层方向梯度增加，硼含量在0~50at.%之间变化，且Ti
‑
B
‑
N过渡层表层硼含量不高于所述第二子涂层TiB2层的硼含量，Ti
‑
B
‑
N过渡层硬度在2500~5000HV之间变化；所述Ti
‑
B
‑
N过渡层中的面心立方结构fcc
‑
TiN相自第一子涂层向第二子涂层方向由大于85vol.%含量逐步减小到0，密排六方结构hcp
‑
TiB2相由0含量逐步提高到50vol.%以上；所述第二子涂层TiB2层的物相组成包含密排六方结构hcp
‑
TiB2和非晶相a
‑
TiB，其中hcp
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TiB2的体积分数不低于85%、a
‑
TiB体积分数为5~15%。
[0011]作为本专利技术所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述第一子涂层选自TiN、TiC、TiCN、Ti1‑
x
Al
x
N、Al2O3中的一种或多种。
[0012]作为本专利技术所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述第一子涂层为Ti1‑
x
Al
x
N，x≥0.7，Ti1‑
x
Al
x
N的物相组成包含面心立方结构fcc
‑
TiN、面心立方结构fcc
‑
AlN和密排六方结构hcp
‑
AlN，且fcc
‑
AlN的体积分数不低于80%，所述第一子涂层的纳米硬度为2600~3000HV。
[0013]作为本专利技术所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述第二子涂层的纳米硬度为4000~5000HV。
[0014]作为本专利技术所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述复合涂层的总厚度为5.0~20.0μm，优选10~15.0μm；
[0015]所述第一子涂层的厚度为3.0~10.0μm，优选为5.0~8.0μm；
[0016]所述Ti
‑
B
‑
N过渡层的厚度为0.50~4.0μm，优选为1.0~3.0μm；
[0017]所述第二子涂层TiB2层的厚度为1.0~10.0μm，优选为2.0~5.0μm。
[0018]作为本专利技术所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述复合涂层还包括沉积在所述基体表面和所述第一子涂层之间的结合层，所述结合层为TiN、TiC、TiCN中的一种或多种，优选为TiN，结合层厚度为0.1~1.0μm。
[0019]作为本专利技术所述的一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具的优选方案，其中：所述基体的材料为硬质合金、高速钢、金属陶瓷、聚晶金刚石、立方氮化硼中的一种。
[0020]一种上述的复合涂层刀具的制备方法，所述结合层通过采用化学气相沉积技术，在750~1000℃、50~200mbar条件下，以包括TiCl4、N2、H2为原料，在所述基体表面发生化学反应而获得；
[0021]和/或所述第一子涂层通过采用化学气相沉积技术，在700~900℃、4~30mbar条本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用化学气相沉积技术制备的复合涂层刀具，其特征在于，包括基体和依次设置在所述基体表面的复合涂层；所述复合涂层自基体向外依次包括第一子涂层、Ti
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B
‑
N过渡层、第二子涂层TiB2层，所述Ti
‑
B
‑
N过渡层中的硼含量自第一子涂层向第二子涂层方向梯度增加，硼含量在0~50at.%之间变化，且Ti
‑
B
‑
N过渡层表层硼含量不高于所述第二子涂层TiB2层的硼含量，Ti
‑
B
‑
N过渡层硬度在2500~5000HV之间变化；所述Ti
‑
B
‑
N过渡层中的面心立方结构fcc
‑
TiN相自第一子涂层向第二子涂层方向由大于85vol.%含量逐步减小到0，密排六方结构hcp
‑
TiB2相由0含量逐步提高到50vol.%以上；所述第二子涂层TiB2层的物相组成包含密排六方结构hcp
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TiB2和非晶相a
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TiB，其中hcp
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TiB2的体积分数不低于85vol.%、a
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TiB体积分数为5~15vol.%。2.根据权利要求1所述的复合涂层刀具，其特征在于，所述第一子涂层选自TiN、TiC、TiCN、Ti1‑
x
Al
x
N、Al2O3中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的复合涂层刀具，其特征在于，所述第一子涂层为Ti1‑
x
Al
x
N，其中，x≥0.7，Ti1‑
x
Al
x
N的物相组成包含面心立方结构fcc
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TiN、面心立方结构fcc
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AlN和密排六方结构hcp
‑
AlN，且fcc
‑
AlN的体积分数不低于80vol.%，所述第一子涂层的纳米硬度为2600~3000HV。4.根据权利要求1所述的复合涂层刀具，其特征在于，所述第二子涂层的纳米硬度为4000~5000HV。5.根据权利要求1所述的复合涂层刀具，其特征在于，所述复合涂层的总厚度为5.0~20.0μm，优选10~15.0μm；所述第一子涂层的厚度为3.0~10.0μm，优选为5.0~8.0μm；所述Ti
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：谢标明，邱联昌，成伟，廖星文，高阳，朱骥飞，谭卓鹏，殷磊，
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：