一種刀具刀片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種切削刀片，具體的說(shuō)涉及一種涂有TiN涂層的C-BN復(fù)合式刀片及 制備方法。 技術(shù)背景
[0002] 立方氮化硼（c-BN)材料因其超高硬度（僅次于金剛石），低熱膨脹系數(shù)，高化學(xué)穩(wěn) 定性，高熱穩(wěn)定性和高溫硬度等特點(diǎn)。將其加工成刀具在切削加工耐熱鋼、淬火鋼、鎳鈷超 合金等難以切削的硬質(zhì)材料（硬度一般大于50HRC的材料）時(shí)常表現(xiàn)出切削精度高，加工 效率高等優(yōu)異性能。目前已被廣泛的應(yīng)用于汽車加工、航空制造、船舶制造等各個(gè)行業(yè)。
[0003] 盡管氮化硼刀具表現(xiàn)出優(yōu)秀的切削性能，但是氮化硼本身的價(jià)格也比較高，所以 常將c-BN焊接在硬質(zhì)合金基體上形成復(fù)合式立方氮化硼刀片。在生產(chǎn)c-BN刀具的過(guò)程中， 相對(duì)于硬質(zhì)合金，c-BN的高硬度和脆性會(huì)導(dǎo)致成品刀片產(chǎn)生較高的內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)有 微裂紋。這樣在切削硬質(zhì)淬火鋼或高硬粉末冶金材料時(shí)，會(huì)加速磨損降低刀具的使用壽命， 嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)刀具崩刃現(xiàn)象。
[0004] TiN(氮化鈦）涂層因其具有較高的硬度和韌性，也具備較好的抗氧化能力且色澤 為金黃色，是一種既美觀又具有較好耐沖擊的涂層。將其施鍍?cè)趶?fù)合式c-BN刀片表面，一 方面可以顯著減少c-BN刀刃的抗月牙洼磨損；另一方面TiN涂層的顏色會(huì)幫助刀片磨損的 觀察；更為重要的一點(diǎn)是TiN本身就是c-BN刀刃焊接時(shí)一種常用的粘結(jié)劑，利用TiN涂層， 更能增加刀片表面韌性，提高刀片的初始耐沖擊性。
[0005] 但TiN涂層的結(jié)構(gòu)特征對(duì)涂層的耐磨性以及其他機(jī)械性能有重要的影響。如 美國(guó)專利US4226082和芬蘭赫爾辛基理工大學(xué)Korhonen發(fā)現(xiàn)TiN涂層的織構(gòu)特征對(duì)涂 層的耐腐蝕行為有很大影響（Corrosion of thin hard PVD coatings, Korhonen，Vacu um，45, 1031~1034, 1994)。且Korhonen指出涂層呈現(xiàn)（200)織構(gòu)，一般涂層較為致密，涂 層比較耐腐蝕。澳大利亞萊奧本礦業(yè)大學(xué)Mayrhofer通過(guò)改變基體的溫度、N 2分壓，濺射 能量以及離子與Ti原子的通量比來(lái)獲得不同織構(gòu)的TiN涂層，報(bào)道了織構(gòu)對(duì)涂層力學(xué)性能 的影響，發(fā)現(xiàn)涂層若呈現(xiàn)（200)取向都非常致密，但該涂層存在著較大的應(yīng)力（Influence of deposition conditionson texture development and mechanicalproperties of TiN coatings,Mayrhofer,Geier et al，National Journal of Materials Research，100, 1052-1058, 2009) 〇
[0006] 上述研究表明，當(dāng)TIN涂層出現(xiàn)較強(qiáng)的（200)織構(gòu)時(shí)涂層較為致密，相對(duì)具有較好 的機(jī)械性能，但涂層也存在著較大的應(yīng)力。應(yīng)力大的涂層在后期使用過(guò)程中容易應(yīng)力釋放 而出現(xiàn)剝落，進(jìn)而影響刀具使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述不足，本發(fā)明提供了一種刀具刀片及其制備方法，該刀片具有低應(yīng)力的 TiN涂層，將該涂層施鍍?cè)趶?fù)合式c-BN刀片上，可以顯著提高刀具的使用壽命和加工精度。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種刀具刀片，其特征是，該刀片為復(fù) 合式c-BN刀片，由硬質(zhì)合金刀體焊c-BN刀刃構(gòu)成，所述復(fù)合式c-BN刀片上施鍍有TiN涂 層。
[0009] 利用X射線衍射儀測(cè)得TiN為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，在探測(cè)角2Θ =30°~80°范 圍內(nèi)測(cè)量只出現(xiàn)!^(111)衍射峰和1^(200)衍射峰，在36.8°處出現(xiàn)1^(111)衍射峰， 42. 8°處出現(xiàn)TiN(200)衍射峰；
[0010] 測(cè)量TiN(200)衍射峰強(qiáng)度I (200)與TiN(lll)衍射峰強(qiáng)度I (111)之間的關(guān)系K 在0. 8~1之間，
[0012] 測(cè)量TiN(lll)衍射峰的半高寬寬度為0. 25°~0. 28°，TiN(200)衍射峰的半高 寬寬度為0.28°~0.3Γ。
[0013] 所述TiN涂層的晶粒大小為27~35nm，厚度為0. 4 μ m~1. 5 μ m ;該涂層致密，其 密度為4. 5~5. 3g/cm3,進(jìn)一步優(yōu)選為5. 1~5. 3g/cm3。
[0014] 所述TiN涂層與c-BN復(fù)合式刀片之間的結(jié)合力大于60N，涂層硬度為28GPa。
[0015] 作為優(yōu)選，利用殘余應(yīng)力儀測(cè)得TiN涂層的壓應(yīng)力為-0· 92GPa~-1. 58GPa。
[0016] 本發(fā)明還公開了這種TiN涂層的制備方法，采用射頻輔助直流的電源設(shè)備，并通 過(guò)調(diào)節(jié)隊(duì)與Ar氣的比例以及電源參數(shù)，使得除等離子羽輝自身對(duì)氮化硼刀片基體的加熱 外（< 200°C )，無(wú)需額外加熱，在復(fù)合式c-BN刀片上制備出上述結(jié)構(gòu)的TiN涂層。
[0017] 該刀具刀片的制備方法，包括在硬質(zhì)合金刀體焊C-BN刀刃制成復(fù)合式C-BN刀片， 其特征是，還包括以下步驟：
[0018] 1)清洗復(fù)合式C-BN刀片；
[0019] 2)安裝靶材和刀片：以Ti靶材為濺射靶材，將濺射靶材連接至與射頻電源疊加的 直流電源，復(fù)合式c-BN刀片安裝在真空室中可旋轉(zhuǎn)的樣品臺(tái)上；
[0020] 3)靶材預(yù)濺射：將背底真空抽至2. 0X10 3Pa以下，再充入氬氣，并調(diào)節(jié)靶電源功 率為200W，然后開啟電源，預(yù)先濺射靶材10~30min ;
[0021] 4)沉積TiN涂層：當(dāng)背底真空低于2. 0X10 5Pa時(shí)，充入高純氬氣和氮?dú)?，兩者?流量比Ar:N2S 1~3,并保持氣壓為0. 3~0. 7Pa ;
[0022] 設(shè)置射頻電源的頻率為30~100MHz，同時(shí)設(shè)置射頻電源功率PRF為200~500W、 直流電源功率P DC為200~350W，并調(diào)節(jié)f RF為0· 4~0· 6, f RF= P RV(PDC+PRF);
[0023] 再開啟電源，在復(fù)合式c-BN刀片上低溫制備出高結(jié)合力的TiN涂層，低溫為小于 200 °C的溫度，最終制得該刀具刀片。
[0024] 步驟1)中，所述復(fù)合c-BN刀片清洗方式為化學(xué)清洗和等離子體輝光刻蝕清洗。
[0025] 所述化學(xué)清洗具體為：將復(fù)合式c-BN刀片依次放入丙酮、酒精中，分別超聲波清 洗10~20min，然后在溫度為80~KKTC的干燥箱里鼓風(fēng)干燥1~2h，或在上述干燥箱里 采用純度為99. 99 %的高純N2吹干。
[0026] 所述等離子體輝光刻蝕清洗具體為：將化學(xué)清洗后的復(fù)合式c-BN刀片安裝在真 空腔中可旋轉(zhuǎn)的樣品臺(tái)上，利用氬氣產(chǎn)生的等離子體對(duì)基片刻蝕5~20min，使得刀片表面 附著的水分子、氣體分子或者微塵顆粒被完全轟擊掉，提高刀片表面與沉積原子之間的親 和力。
[0027] 步驟2)中，所述的Ti濺射靶材純度大于99. 995%，Ti靶材為圓形，直徑為101mm， 厚度為4~5mm〇
[0028] 步驟3)中，充入氬氣調(diào)節(jié)氣壓為0. 3~0. 7Pa，電源為直流電源。
[0029] 步驟4)中，當(dāng)背底真空低于2. 0X 10 5Pa，能夠減少沉積過(guò)程中氣體分子進(jìn)入涂層 中成為雜質(zhì)，提高本發(fā)明沉積得到的TiN涂層的純度和質(zhì)量。
[0030] 作為優(yōu)選，步驟4)中，所述高純氬氣和氮?dú)獾募兌染笥?9. 99%，射頻電源頻率 優(yōu)選為31MHz~81MHz。
[0031] 本發(fā)明利用磁控濺射法低溫制備具有高結(jié)合力和低應(yīng)力的TiN涂層，采用射頻電 源輔助直流電源的方式沉積TiN涂層，設(shè)置射頻電源功率P RF為200~500W，頻率為31MHz~ 81MHz，直流電源功率PDC為200~350W，并調(diào)節(jié)兩者的比值f RF為0. 4~0. 6,其中，f RF = Prf/(PdC+Prf)。
[0032] 本發(fā)明采用射頻疊加直流電源，并控制一定的功率和頻率，可以顯著提高入射離 子的能量和密度。這些能量較高的離子連續(xù)轟擊薄膜表面，可以促使沉積原子的表面擴(kuò)散。 由于擴(kuò)散能力增強(qiáng)，沉積的涂層缺陷少、應(yīng)力小、致密度高，表現(xiàn)在力學(xué)性能上，涂層與基體 的結(jié)合力高、硬度高、耐磨損。所以該發(fā)明通過(guò)提高入射離子的能量和密度而替代現(xiàn)有工藝 (通過(guò)提高基體溫度）來(lái)增加沉積原子的表面擴(kuò)散，獲得高性能的TiN涂層。然而，并不意 味著入射離子的能量越高越好，能量太高的入射離子反而會(huì)破壞涂層的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn) 生更多的缺陷，涂層力學(xué)性能反而下降。
[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0034] (1)本發(fā)明提供了 一種低應(yīng)力的TiN涂層（涂層壓應(yīng)力<_1.23GPa)，制備的TiN 涂層通過(guò)劃痕測(cè)試與刀體的結(jié)合力達(dá)到了 60N以上，硬度也達(dá)到了 28GPa。
[0035] (2)本發(fā)明提供的這種磁控濺射制備TiN涂層的方法，無(wú)需加熱氮化硼刀片，可直 接沉積TiN涂層，對(duì)復(fù)合式刀片焊縫處的損傷較少。沉積完畢后，涂層余溫低（約150°C )， 無(wú)需冷卻，可以直接拿出沉積腔，工業(yè)化生產(chǎn)效率高。
[0036] 本發(fā)明制備的TiN涂層為面心立方結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)較強(qiáng)的（200)織構(gòu)，涂層致密，密度 在5. 1~5. 3g/cm3,殘余應(yīng)力小于-L 23GPa，涂層與刀具基體間的結(jié)合力大于60N。該涂層 可以顯著提高刀具的使用壽命和加工精度，該涂層采用磁控濺射法低溫（< 200°C )制備， 用射頻電源輔助直流電源的方式沉積。本方法可顯著降低現(xiàn)有技術(shù)需要高溫制備TiN涂層 的技術(shù)不足，可在未加熱的氮化硼刀片上直接沉積TiN涂層。本發(fā)明一方面減少了高溫對(duì) 復(fù)合式刀片焊縫處的損傷，另一方面，沉積完畢后，涂層余溫低（約150°C )，無(wú)需冷卻，可以 直接拿出沉積腔，工業(yè)化生產(chǎn)效率高。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1為本發(fā)明c-BN復(fù)合式刀片上沉積TiN涂層結(jié)構(gòu)示意圖；其中，（a)為硬質(zhì)合 金1上焊有c-BN刀刃2 ; (b)為c-BN復(fù)合式刀片上沉積有TiN涂層3 ; (c)復(fù)合式c-BN刀 片尺寸示意圖。
[0038] 圖2為本發(fā)明復(fù)合式c-BN刀片上沉積TiN涂層的裝置示意圖；其中，1樣品臺(tái)、2 樣品擋板、3靶擋板、4磁控靶頭、5磁控靶頭、6射頻輔助電源、7直流電源。
[0039] 圖3為實(shí)施例2制備的TiN涂層的XRD譜圖；其中（a)為全譜圖，（b)為衍射峰 (200)半高寬示意圖。
[0040] 圖4為實(shí)施例2制備的TiN涂層劃痕測(cè)試，其中，①硬質(zhì)合金處、②焊縫處、③C-BN 刀頭處。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 一種刀具刀片，該刀片為復(fù)合式C-BN刀片，由硬質(zhì)合金刀體焊C-BN刀刃構(gòu)成，并 采用TiN或TiCN陶瓷做粘結(jié)劑，復(fù)合式c-BN刀片上施鍍有TiN涂層。
[0042] 利用X射線衍射儀測(cè)得TiN為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，在探測(cè)角2Θ =30°~80°范 圍內(nèi)測(cè)量只出現(xiàn)!^(111)衍射峰和1^(200)衍射峰，在36.8°處出現(xiàn)1^(111)衍射峰， 42. 8°處出現(xiàn)TiN(200)衍射峰；
[0043] 測(cè)量TiN(200)衍射峰強(qiáng)度I (200)與TiN(lll)衍射峰強(qiáng)度I (111)之間的關(guān)系K 在0. 8~1之間，
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[0045] 測(cè)量TiN(lll)衍射峰的半高寬寬度為0. 25°~0. 28°，TiN(200)衍射峰的半高 寬寬度為0.28°~0.3Γ。
[0046] TiN涂層的晶粒大小為27~35nm，厚度為0·4μηι~1·5μηι，其密度為4. 5~ 5. 3g/cm3,進(jìn)一步優(yōu)選為 5. 1 ~5. 3g