專利名稱：一種改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬切削加工領(lǐng)域，尤其涉及一種帶涂層的切削刀具及其制備工藝。
背景技術(shù)：
涂層刀具刀片廣泛應(yīng)用于汽車、航空、微電子等各種行業(yè)的機(jī)械加工，加工材料包括普通的鋼鐵、銅、鋁等金屬材料，以及各種合金、陶瓷或復(fù)合材料。在機(jī)械加工過程中，涂層刀具存在兩種失效制度:磨損、破損。刀具磨損主要是磨蝕磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、氧化磨損。在不同的切削條件下，加工不同材料的工件時(shí)，其主要磨損原因可能是其中一種或兩種，總的來說切削溫度較低時(shí)以磨蝕磨損為主，切削溫度較高時(shí)以擴(kuò)散磨損、氧化磨損為主?，F(xiàn)在普遍采用在刀具表面涂敷高硬度、耐磨的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層和氧化物涂層，來增強(qiáng)刀具的耐磨性能，延長(zhǎng)刀具刀片的使用壽命。如TiN、TiC、TiCN、CrN能夠降低刀具的磨蝕磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損，增加刀具的耐用度；在刀具表面涂敷高硬度的Al2O3涂層，可以有效地保護(hù)刀具避免氧化磨損。采用CVD方法在切削刀片基體上沉積鈦的氮化物、碳化物、碳氮化物以及氧化鋁，在現(xiàn)有的很多專利文獻(xiàn)中已經(jīng)有描述。例如美國(guó)專利文獻(xiàn)US4490191和US3736107，歐洲專利文獻(xiàn)EP0408535A1和EP0738336A1，以及中國(guó)專利文獻(xiàn)CN1051263C和CN1039727C等公開了氧化物涂層刀具的制備方法以及各種提高氧化物涂層附著性能的預(yù)處理方法。專利文獻(xiàn)JP7075903A、SE511089C2以及W00052225A1公開了 MTCVD-TiC或TiCN涂層的制備方法以及該涂層在立方氮化硼刀具、硬質(zhì)合金刀具、多涂層刀具中的應(yīng)用?，F(xiàn)有涂層刀片的CVD涂層普遍采用MTCVD-TiCN涂層和Al2O3涂層的外層設(shè)計(jì)，典型涂層結(jié)構(gòu)為TiCN(外層)+Α1203(中間層)+TiCN(內(nèi)層)的多層式結(jié)構(gòu)，該多層式結(jié)構(gòu)雖具有一定的通用性，能適用于各加工領(lǐng)域的切削刀片。然而改善涂層體系的結(jié)合強(qiáng)度和耐磨性能成為當(dāng)前涂層體系改進(jìn)和優(yōu)化的方向，為此對(duì)于TiCNAl2O3過渡層的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)，US006436519公開了一種含有打4105相的TiAlCNO層，通過增加TiCNAl2O3界面的面積改善了涂層的結(jié)合強(qiáng)度；CN1319689C公開了一種TiBN過渡層，通過限定B的含量和厚度，避免了 TiB和TiN作為過渡層的不足，改善了涂層結(jié)合強(qiáng)度和耐磨性能；CN100534779C公開了一種多層涂層體系:采用一層厚度為0.1 2 μ m、平均晶粒度≤0.5 μ m、晶粒為針狀晶粒和/或等軸晶粒的TiCxNyOz過渡層，改善了柱狀晶TiCxNy層和C1-Al2O3外層的結(jié)合性能，涂層在加工鑄鐵時(shí)表現(xiàn)得很好。專利文獻(xiàn)EP0603144、CN1039727C、CN1134470A中都采用了具有針狀或等軸結(jié)構(gòu)的TiCNO過渡層來改善α -Al2O3層的形核。其次，在高達(dá)800°C 1200°C溫度下用CVD涂層工藝沉積碳化物層、氮化物層、碳氮化物或氧化物耐磨 層時(shí)，基體中的鎢、鈷、碳，或中間涂層中的碳、氮、鈦等可能會(huì)通過熱滲透不斷地遷移擴(kuò)散到正在生長(zhǎng)的涂層中，從而影響涂層中晶粒的生長(zhǎng)方向、顯微結(jié)構(gòu)、涂層間的結(jié)合力、涂層的物理化學(xué)性能、機(jī)械性能等，如何抑制這些元素的遷移和擴(kuò)散也是現(xiàn)有技術(shù)中所關(guān)注的內(nèi)容。D.SELBMANN在“chemical vapour deposition of Al-containingTiC and TiCO hard coatings”中介紹了 TiAlCO的制備技術(shù)。US5135801號(hào)美國(guó)專利文獻(xiàn)揭示了一種具有最深(緊鄰基體)含氧層的涂層硬質(zhì)合金刀具，該涂層可以抑制含碳的硬質(zhì)合金基體中的碳滲進(jìn)涂層，把含氧層(如TiCO薄層)直接涂在硬質(zhì)合金基體上，使基體脫碳作用降至最低限度。CN1060983C號(hào)中國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一種工藝方法，其在直接涂敷于基體的第一層TiCxN1-X (O≤X≤I)與涂敷于TiCO層上的另一層TiCxN1-X (O≤x≤I)之間，涂敷TiCO薄層作為中間層，目的也是抑制金屬鈷和鎢由基體向涂層的滲透擴(kuò)散。然而，由于TiC0、TiAlCN0、TiBN等含氧涂層具有針狀的結(jié)構(gòu)，脆性大，在厚度較薄時(shí)對(duì)抑制物質(zhì)鈷和鎢由基體向涂層的滲透擴(kuò)散作用有限；并且單一的TiO、TiCO或TiAlCO過渡層在底層涂層A的表面不能均勻形核，因而當(dāng)沉積時(shí)間短時(shí)，TiCO過渡層在底層涂層A上分布不均勻的，不致密，進(jìn)一步影響外層a -Al2O3的形核，導(dǎo)致外層氧化物層的晶粒粗大和涂層的不均勻性；而含氧過渡層厚度過厚，又會(huì)導(dǎo)致過渡層晶粒長(zhǎng)大，會(huì)降低表層a-Al2O3層的形核密度，甚至有部分針狀晶粒異常長(zhǎng)大，深入表層C1-Al2O3涂層，形成一個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，降低表層α-Α1203涂層強(qiáng)度；同時(shí)而含氧過渡層厚度過厚也會(huì)形成在涂層之間形成一個(gè)脆性很大的裂紋擴(kuò)展層，降低表層涂層的結(jié)合強(qiáng)度。綜上所述，現(xiàn)有專利僅從不同角度對(duì)TiCNAl2O3過渡層進(jìn)行了研究，沒有綜合考慮過渡層對(duì)TiCNAl2O3涂層體系的影響作用。我們有必要對(duì)切削刀具的涂層的微觀結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)作進(jìn)一步的調(diào)整、組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低沉積過程中來自基體的元素對(duì)涂層的消極影響，改善涂層的結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性能和穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種耐磨性好、附著力強(qiáng)、抑制性高的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，并相應(yīng)提供該切削刀具的制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案為一種改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，包含基體(涂層基體可以為硬質(zhì)合金、金屬陶瓷，非金屬陶瓷、PCD或CBN等材料)以及在基體上至少部分覆蓋的涂層，所述涂層由內(nèi)到外至少包含有內(nèi)層Α、過渡層C和外層B;所述內(nèi)層A主要由元素周期表中的過渡元素與非金屬元素組成的化合物材料構(gòu)成，所述過渡元素選自元素周期表中的IVB族、VB族、VIB族中的至少一種，所述非金屬元素選自碳、氮、氧、硼中的至少一種；所述外層B主要由鋁的氧化物、鈦的氧化物、鉿的氧化物、鋯的氧化物、前述氧化物的固溶體中的至少一種構(gòu)成；其特征在于，所述過渡層C由外到內(nèi)包含有過渡層Cl、過渡層C2和過渡層C3:所述過渡層Cl主要由鈦的碳氮氧化物TiCxlNylOzl組成，所述xl、yl、zl分別表示TiCxlNylOzl 中 C、N、O 的原子百分?jǐn)?shù)，且滿足 0.5 ≤ zl/(xl+yl+zl)≤ I, yl ≤ xl ≤ zl ；所述過渡層C2主要由鈦的碳氮氧化物TiCx2Ny2Oz2組成，所述x2、y2、z2分別表示TiCx2Ny2Oz2 中 C、N、O 的原子百分?jǐn)?shù)，且滿足 0.5 ≤ x2/(x2+y2+z2) ≤ I ；所述過渡層C3主要由鈦的碳氮氧化物TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3組成，所述x3、y3、z3分別表示TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3中C、N、O的原子百分?jǐn)?shù)，且滿足0.3 ≤ y3/(x3+y3+z3) ≤ 0.8, z3 ≤ 0.1 ο作為對(duì)上述改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述過渡層C2和過渡層C3之間還設(shè)有過渡層C4，所述過渡層C4主要由TiMeX涂層組成，其中Me為Al、S1、Hf、Zr中的至少一種，X為C、N、B、0中的至少一種。所述過渡層C4優(yōu)選為梯度結(jié)構(gòu)，過渡層C4中Ti元素的原子百分比由外向內(nèi)逐漸增加，且外層Ti元素的原子百分比小于內(nèi)層的80%。作為進(jìn)一步的改進(jìn)，該Me優(yōu)選為與外層B具有相同的金屬元素。上述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，所述過渡層Cl中，所述xl、yl、zl優(yōu)選滿足0.5 ( zl/(xl+yl+zl) ( 0.8。所述過渡層Cl優(yōu)選為片狀或粒狀的納米晶結(jié)構(gòu)，其晶粒度優(yōu)選小于200nm。所述過渡層Cl的厚度優(yōu)選小于0.5 μ m(更優(yōu)選小于0.3 μ m)。上述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，所述過渡層C2中，所述x2、y2、z2優(yōu)選滿足0.8 ^ x2/(x2+y2+z2) ( I (更優(yōu)選的方案為x2 = 1、y2 = O、z2 = 0，此時(shí)的過渡層C2即為TiC涂層)。所述過渡層C2優(yōu)選為離散分布的納米等軸顆粒結(jié)構(gòu)，其晶粒度優(yōu)選小于200nm。所述過渡層C2的厚度小于0.5 μ m(更優(yōu)選小于0.3 μ m)。上述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，所述過渡層C3中，所述z3優(yōu)選為0，即所述過渡層C3主要由TiAlCx3Ny3或TiCx3Ny3組成。所述過渡層C3的厚度優(yōu)選為0.1ym 1.0ym(更優(yōu)選為0.3 μ m 0.8 μ m)。上述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具中，所述內(nèi)層A的化合物材料優(yōu)選自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化 物、硼氮化物、硼碳氮化物中的一種或多種，所述化合物材料
中至少有一種具有柱狀晶或纖維狀晶結(jié)構(gòu)。上述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具中，所述外層B優(yōu)選為超細(xì)晶的氧化物涂層(優(yōu)選為具有a -Al2O3結(jié)構(gòu)的氧化物涂層)，外層B的晶粒度S優(yōu)選滿足:當(dāng)0.5μηι<(1<2μηι 時(shí)，0.2um<S<0.6um;當(dāng)IOumB^t, 0.4μηι^ S ^ I μ m ；當(dāng)1Ομηι<(1<3Ομηι0^,Ο.6μηι< S ^ 1.2μηι。上述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具中，所述過渡層Cl和過渡層C2的總厚度范圍優(yōu)選為0.1ym 0.8ym(最優(yōu)選為0.2 μ m 0.5 μ m)。上述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具中，在所述外層B的外側(cè)還優(yōu)選涂覆有一層含Ti化合物標(biāo)識(shí)層，該標(biāo)識(shí)層優(yōu)選為TiN或TiCN，所述含Ti化合物標(biāo)識(shí)層的厚度為0.1 μ m
Iμ m0作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具的制備方法，包括以下步驟:先準(zhǔn)備硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、非金屬陶瓷、PCD或CBN材料的刀具基體，然后在所述刀具基體上于同一涂層周期中沉積以下涂層:(I)利用常規(guī)的CVD法在所述刀具基體上沉積上述的內(nèi)層A ；(2)利用常規(guī)的HT-CVD工藝在所述內(nèi)層A上沉積上述的過渡層C3 ；(3)利用常規(guī)的CVD法在所述過渡層C3上沉積上述的過渡層C4 ；(4)利用常規(guī)的HT-CVD工藝在所述過渡層C4上沉積上述的過渡層C2 ；(5)利用常規(guī)的HT-CVD工藝在所述過渡層C2上沉積上述的過渡層Cl ；(6)利用常規(guī)的CVD法在所述過渡層Cl上沉積上述的外層B ；(7)對(duì)上述制得的硬質(zhì)合金涂層刀片采用噴砂或含硅尼龍刷拋光進(jìn)行表面處理；(8)利用常規(guī)的CVD法在外層B上(可選擇性地)再沉積一層上述的含Ti化合物標(biāo)識(shí)層；再經(jīng)過表面處理后，在所述涂層刀片的刃口、前刀面或后刀面的局部區(qū)域去除前述標(biāo)識(shí)層使外層B暴露，完成制作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:1、本發(fā)明的切削刀具在內(nèi)層A表面采用HT-CVD技術(shù)沉積一層過渡層C3，該過渡層C3可有效提高涂層的強(qiáng)度和涂層間的結(jié)合性能，當(dāng)x3偏大時(shí)過渡層C3的硬度較高，脆性較大，而當(dāng)y3偏大時(shí)，過渡層C3的強(qiáng)度較高，韌性較好；該過渡層C3在內(nèi)層A的晶面以外延生長(zhǎng)為主，在晶界則形核生長(zhǎng)為主，晶粒細(xì)化，結(jié)構(gòu)致密，其厚度可控制在0.1 μ m 1.0 μ m的范圍內(nèi)，能有效抑制物質(zhì)鉆和鶴由基體向涂層的滲透擴(kuò)散。2、本發(fā)明切削刀具設(shè)置的過渡層C2能有效改善過渡層Cl的形核均勻性和密度，避免了單一的TiO、TiCO薄層或TiAlCO薄層在內(nèi)層A的表面上分布不均勻的問題；與此同時(shí)，優(yōu)選的過渡層C2具有離散分布的Ti C納米等軸顆粒層，其可以在一定程度上改善內(nèi)層A在生長(zhǎng)過程中形成的表面凹凸不平，降低涂層的粗糙度；本發(fā)明通過對(duì)過渡層C2的組成進(jìn)行優(yōu)化(0.5 ( x2/(x2+y2+z2) ( I)，可以有效提高過渡層C2的等軸化程度；而對(duì)過渡層C2厚度的優(yōu)化又可以避免過渡層C2晶粒的粗大化，進(jìn)而避免外部氧化物涂層晶粒密度的下降，避免涂層強(qiáng)度和涂層結(jié)合強(qiáng)度的降低。3、本發(fā)明的切削刀具還設(shè)有過渡層Cl，通過對(duì)其厚度進(jìn)行優(yōu)化，可以避免過渡層Cl晶粒的粗大化和異常長(zhǎng)大，從而得到細(xì)小均勻的過渡層Cl，進(jìn)而可以通過誘導(dǎo)形核作用，在其上得到均勻、高密度的外部氧化物涂層B形核層；與此同時(shí)，本發(fā)明通過對(duì)過渡層Cl的組成進(jìn)行優(yōu)化(0.5 ( zl/(xl+yl+zl)≤l,yl≤xl≤zl),可以得到理想的晶體結(jié)構(gòu),例如該過渡層Cl可以控制具有剛玉結(jié)構(gòu)的氧化物晶體的形核，這對(duì)于制備外層的a -Al2O3或其摻雜涂層具有重要作用。4、本發(fā)明的切削刀具還設(shè)有外層B，外層B設(shè)計(jì)為具有柱狀晶結(jié)構(gòu)的超細(xì)晶的氧化物涂層，其特別優(yōu)選為具有a -Al2O3結(jié)構(gòu)的氧化物涂層，通過對(duì)外層B的晶粒度S進(jìn)優(yōu)化(^i0.5um^d^2umB^t,0.2um^S^0.6um；≤=|2um^d≤ ΙΟμπι 時(shí)，0.4 μ m ≤ S ≤ Ιμπι;當(dāng) 10“111<(1<3(^1]1時(shí),0.64111<3< 1.2μηι,對(duì)晶粒度的優(yōu)化可
以根據(jù)Hall-Petch公式丑=丑° +C/#進(jìn)行)，能夠進(jìn)一步地提高表層氧化物涂層的均勻性、硬度和耐磨損性能；而避免由于晶粒尺寸過小，出現(xiàn)一種反向的Hall-Petch現(xiàn)象，而導(dǎo)致硬度和耐磨損性能的下降。5、本發(fā)明優(yōu)選的切削刀具中還可在過渡層C2和過渡層C3之間沉積一層或多層的TiMeX涂層(即過渡層C4)，其中Me為Al、S1、Hf、Zr等元素，并且Me和Ti元素的原子百分比呈梯度變化，當(dāng)Me元素與外層B相同或相近時(shí)，該過渡層C4可以降低因內(nèi)層A和外層B之間由于熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的應(yīng)力集中(熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致當(dāng)沉積溫度下降到室溫時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在界面上的集中)，這有利于提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。特別是當(dāng)過渡層C4中的Me和Ti元素的原子百分比呈梯度變化時(shí)，導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)和物理性能產(chǎn)生梯度分布，可進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力在過渡層C中的強(qiáng)度集中。6、本發(fā)明優(yōu)選的切削刀具中在外層還設(shè)置有顏色不同于內(nèi)層的含Ti化合物標(biāo)識(shí)層，該層可以采用CVD或PVD方法進(jìn)行沉積，也可以采用刷涂方法或噴涂方法進(jìn)行涂覆。為保證刀具的切削性能，標(biāo)識(shí)層在切削刃、前刀面或后刀面上被部分或全部去除。此外，本發(fā)明中薄的等軸高碳的過渡層C2和薄的片狀的過渡層Cl形成的微觀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以有效的提高過渡層Cl的形核密度和分布的均勻性，從而提高外層B中a -Al2O3結(jié)構(gòu)的氧化物涂層的形核密度，細(xì)化晶粒，提高表層氧化物涂層的均勻性、硬度和耐磨損性能，從整體上改善刀具的切削性能。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中切削刀具的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中切削刀具的外層B的掃描電子顯微照片(放大倍數(shù)分別為 10000)。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中切削刀具的過渡層Cl的掃描電子顯微照片(放大倍數(shù)分別為30000)。圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中對(duì)比切削刀具2的外層B的掃描電子顯微照片(放大倍數(shù)分別為10000)。圖5為本發(fā)明實(shí)施例2中對(duì)比切削刀具2的過渡層Cl的掃描電子顯微照片(放大倍數(shù)分別為30000)。圖6為本發(fā)明實(shí)施例7中切削刀具的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例4中切削刀具的外層B的掃描電子顯微照片(放大倍數(shù)分別為 10000)。圖8為本發(fā)明實(shí)施例4中切削刀具的過渡層Cl的掃描電子顯微照片(放大倍數(shù)分別為10000)。圖9為本發(fā)明實(shí)施例5中對(duì)比切削刀具4的外層B的掃描電子顯微照片(放大倍數(shù)分別為10000)。圖10為本發(fā)明實(shí)施例5中對(duì)比切削刀具4的過渡層Cl的掃描電子顯微照片(放大倍數(shù)分別為10000)。圖例說明:1、基體；2、涂層；21、內(nèi)層Α;22、過渡層C;221、過渡層Cl ;222、過渡層C2 ;223、過渡層C3 ;224、過渡層C4 ;23、外層B ;24、含Ti化合物標(biāo)識(shí)層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:—種如圖1所示的本發(fā)明的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，包含基體I以及在基體I上至少部分覆蓋的涂層2，涂層2由內(nèi)到外至少包含有內(nèi)層A21、過渡層C 22和外層B 23；內(nèi)層A21主要由TiCN材料構(gòu)成，厚度為6μπι;外層B 23主要由C1-Al2O3材料構(gòu)成，厚度d = 4μπι，外層B 23為超細(xì)晶的氧化物涂層，外層B的平均晶粒度S為0.46 μ m ;過渡層C 22由外到內(nèi)包含有過渡層Cl 221、過渡層C2 222和過渡層C3 223:過渡層Cl 221主要由鈦的碳氮氧化物TiCxlNylOzl組成(具體為TiCa5Oa5)，xl、yl、zl 分別表示 TiCxlNylOzl 中 C、N、O 的原子百分?jǐn)?shù),且 xl = 0.5, yl = O, zl = 0.5, zl/(xl+yl+zl) = 0.5 ;過渡層Cl為片狀(或粒狀)納米晶結(jié)構(gòu)，過渡層Cl的厚度為0.2 μ m，過渡層Cl的晶粒度小于200nm ；過渡層C2222主要由鈦的碳氮氧化物TiCx2Ny2Oz2組成(具體為TiC)，x2、y2、z2分別表示 TiCx2Ny2Oz2 中 C、N、O 的原子百分?jǐn)?shù)，且 x2 = I, y2 = O, z2 = 0，且 x2/(x2+y2+z2)=I ;過渡層C2為離散分布的納米等軸顆粒結(jié)構(gòu)，過渡層C2的厚度為0.2 μ m，過渡層C2的晶粒度小于200nm ；過渡層C3 223主要由鈦的碳氮氧化物TiCx3Ny3Oz3組成(具體為TiCa4Na6)，x3、y3、z3 分別表示 TiCx3Ny3Oz3 中 C、N、0 的原子百分?jǐn)?shù)，且 x3 = 0.4,y3 = 0.6,z3 = 0,0.3 ^ y3/(x3+y3+z3) ^ 0.8 ;過渡層 C3 的厚度為 0.5 μ m。上述本實(shí)施例的切削刀具主要通過以下方法制備得到:(I)制備硬質(zhì)合金基體:先用球磨機(jī)將10wt% Co> 12wt% Ti和Ta立方碳氮化物、以及余量的WC粉末通過濕式混合20h，將混合料干燥，壓制成壓坯，將壓坯燒結(jié)成硬質(zhì)合金刀具基體，對(duì)其表面和刃口采用濕噴砂處理；然后在所述刀具基體上于同一涂層周期中分別沉積以下涂層:(2)利用常規(guī)的CVD法在刀具基體I上沉積上述的內(nèi)層A21 ；(3)利用常規(guī)的HT-CVD工藝在內(nèi)層A上沉積上述的過渡層C3 (HT-TiCa4Na6)；(4)利用常規(guī)的HT-CVD工藝在過渡層C3上沉積上述的過渡層C2 (TiC)；(5)利用常規(guī)的HT-CVD工藝在過渡層C2上沉積上述的過渡層Cl (TiCa5Oa5)；(6)利用常規(guī)的CVD法在過渡層Cl上沉積上述的外層B ( a -Al2O3)；

(7)對(duì)上述制得的硬質(zhì)合金涂層刀片采用噴砂或含硅尼龍刷拋光進(jìn)行表面處理，在300 μ m的長(zhǎng)度上測(cè)得的表面粗糙度Ra = 0.2 μ m。本實(shí)施例上述的制備方法中，CVD涂層爐在沉積各種涂層時(shí)，其氣氛組成、溫度和壓力控制如下表I所示，各層涂層的厚度則通過調(diào)整沉積時(shí)間來控制。表1:實(shí)施例1中的切削刀具在涂層爐中的工藝參數(shù)控制
權(quán)利要求
1.一種改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，包含基體以及在基體上至少部分覆蓋的涂層，所述涂層 由內(nèi)到外至少包含有內(nèi)層A、過渡層C和外層B ； 所述內(nèi)層A主要由元素周期表中的過渡元素與非金屬元素組成的化合物材料構(gòu)成，所述過渡元素選自元素周期表中的IVB族、VB族、VIB族中的至少一種，所述非金屬元素選自碳、氮、氧、硼中的至少一種； 所述外層B主要由鋁的氧化物、鈦的氧化物、鉿的氧化物、鋯的氧化物、以及由前述氧化物間形成的固溶體中的至少一種構(gòu)成； 其特征在于，所述過渡層C由外到內(nèi)包含有過渡層Cl、過渡層C2和過渡層C3: 所述過渡層Cl主要由鈦的碳氮氧化物TiCxlNylOzl組成，所述xl、yl、zl分別表示TiCxlNylOzl 中 C、N、O 的原子百分?jǐn)?shù)，且滿足 0.5 ( zl/(xl+yl+zl) ^ I, yl ^ xl ^ zl ； 所述過渡層C2主要由鈦的碳氮氧化物TiCx2Ny2Oz2組成，所述x2、y2、z2分別表示TiCx2Ny2Oz2 中 C、N、O 的原子百分?jǐn)?shù)，且滿足 0.5 彡 x2/(x2+y2+z2) ( I ； 所述過渡層C3主要由鈦的碳氮氧化物TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3組成，所述x3、y3、z3分別表示TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3中C、N、O的原子百分?jǐn)?shù)，且滿足0.3 ( y3/(x3+y3+z3) ^ 0.8, z3 ^ 0.1 ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，其特征在于:在所述過渡層C2和過渡層C3之間還設(shè)有過渡層C4，所述過渡層C4主要由TiMeX涂層組成，其中Me為Al、S1、Hf、Zr中的至少一種，X為C、N、B、O中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，其特征在于:所述過渡層C4為梯度結(jié)構(gòu)，過渡層C4中Ti元素的原子百分比由外向內(nèi)逐漸增加，且外層Ti元素的原子百分比小于內(nèi)層的80%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，其特征在于:所述過渡層Cl中，所述xl、yl、zl滿足0.5 ( zl/(xl+yl+zl)彡0.8 ;所述過渡層Cl為片狀或粒狀納米晶結(jié)構(gòu)，所述過渡層Cl的厚度小于0.5 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，其特征在于:所述過渡層Cl的晶粒度小于200nm,所述過渡層Cl的厚度小于0.3 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，其特征在于:所述過渡層C2中，所述x2、y2、z2滿足0.8 < x2/(x2+y2+z2) ( I ;所述過渡層C2為離散分布的納米等軸顆粒結(jié)構(gòu)，所述過渡層C2的厚度小于0.5 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具,其特征在于:所述x2= 1、y2 =O、z2 = 0，所述過渡層C2為TiC涂層，所述過渡層C2的晶粒度小于200nm，所述過渡層C2的厚度小于0.3 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，其特征在于:所述過渡層C3中，所述z3 = 0，所述過渡層C3的厚度為0.1ym 1.0 μπι。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，其特征在于:所述內(nèi)層A的化合物材料選自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物、硼氮化物、硼碳氮化物中的一種或多種，所述化合物材料中至少有一種具有柱狀晶或纖維狀晶結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，其特征在于:所述外層B為超細(xì)晶的氧化物涂層，外層B的平均晶粒度S滿足:當(dāng) 0.5μηι< d ^ 2umB^t,0.2μηι^ S ^ 0.6 μ m ； 當(dāng) ΙΟμπι 時(shí)，0.4um<S< I μ m ； 當(dāng) 10um<d<30umB^t,0.6um<S< 1.2 μ m ； 其中，d表示外層B的厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，其特征在于:所述過渡層Cl和過渡層C2的總厚度范圍為0.1 μ m 0.8 μ m。
12.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，其特征在于:在所述外層B的外側(cè)還涂覆有一層含Ti化合物標(biāo)識(shí)層，所述含Ti化合物標(biāo)識(shí)層的厚度為0.1 μ m I μ m0
13.—種如權(quán)利要求12所述的改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具的制備方法，包括以下步驟:先準(zhǔn)備硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、非金屬陶瓷、PCD或CBN材料的刀具基體，然后在所述刀具基體上于同一涂層周期中沉積以下涂層: (1)利用常規(guī)的CVD法在所述刀具基體上沉積上述的內(nèi)層A； (2)利用常規(guī)的HT-CVD工藝在所述內(nèi)層A上沉積上述的過渡層C3； (3)利用常規(guī)的CVD法在所述過渡層C3上沉積上述的過渡層C4； (4)利用常規(guī)的HT-CVD工藝在所述過渡層C4上沉積上述的過渡層C2； (5)利用常規(guī)的HT-CVD工藝在所述過渡層C2上沉積上述的過渡層Cl； (6)利用常規(guī)的CVD法在所述過渡層Cl上沉積上述的外層B； (7)對(duì)上述制得的硬質(zhì)合金涂層刀片采用噴砂或含硅尼龍刷拋光進(jìn)行表面處理； (8)利用常規(guī)的CVD法在外層B上再沉積一層上述的含Ti化合物標(biāo)識(shí)層；再經(jīng)過表面處理后，在所述涂層刀片的刃口、前刀面或后刀面的局部區(qū)域去除前述標(biāo)識(shí)層使外層B暴露，完成制作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善涂層結(jié)構(gòu)的切削刀具，包含基體以及在其上的涂層，涂層由內(nèi)到外有內(nèi)層A、過渡層C和外層B；內(nèi)層A主要由過渡元素與非金屬元素組成的化合物材料構(gòu)成，外層B主要由氧化物等構(gòu)成；過渡層C由外到內(nèi)包含有過渡層C1、過渡層C2和過渡層C3，過渡層C1主要由TiCx1Ny1Oz1組成；過渡層C2主要由TiCx2Ny2Oz2組成；過渡層C3主要由TiAlCx3Ny3Oz3或TiCx3Ny3Oz3組成。該切削刀具的制備方法是在基體上結(jié)合CVD和HT-CVD等各種涂層工藝按序涂覆即可。本發(fā)明的涂層刀具具有耐磨性好、附著力強(qiáng)、抑制性高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B32B9/04GK103171178SQ201110440
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者王社權(quán), 劉王平, 陳響明, 李秀萍 申請(qǐng)人:株洲鉆石切削刀具股份有限公司