一種鈦合金金屬基陶瓷涂層刀具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈦合金金屬基陶瓷涂層刀具及其制備方法，屬于金屬表面陶瓷涂層領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，陶瓷刀具由于具有硬度高、耐磨性能及高溫力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘接等特點(diǎn)，能滿足高速切削、干式切削和硬態(tài)切削的要求，在高速高精切削加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，陶瓷材料因其硬度高、脆性大、韌性小，在加工過程中易形成微裂紋和諸多其他缺陷，因此，陶瓷刀具制造成本居高不下，且難于制造刃口較為復(fù)雜的特種加工刀具。
[0003]解決此問題的有效途徑就是對(duì)金屬刀具進(jìn)行硬質(zhì)材料涂層，所制備涂層刀具即可充分利用涂層材料的硬度高、耐磨耐熱耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，又兼具金屬材料的強(qiáng)度、韌性和易加工等特點(diǎn)。目前，刀具涂層技術(shù)常用的主要是化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)，其他的還有等離子噴涂、火焰噴涂、電鍍、溶鹽電解等。這些涂層技術(shù)對(duì)改善切削刀具的綜合機(jī)械性能、提高刀具使用壽命和提高切削加工效率等方面均有不錯(cuò)效果。但各存在明顯缺陷，化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的涂層與基體結(jié)合力低，沉積效率不高，涂層厚度為5~10Pffl,由于氯的侵蝕及氫脆變形易導(dǎo)致涂層碎裂，涂層硬質(zhì)合金時(shí)還易產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象；物理氣相沉積技術(shù)制備的涂層厚度不均勻，關(guān)鍵是涂層較薄(2-10um)，結(jié)合力差，涂層硬度較低，涂層優(yōu)越性未得到充分體現(xiàn)，且設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，加工成本較高。
[0004]涂層刀具有四種，即高速鋼上的涂層刀具、硬質(zhì)合金上的涂層刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的涂層刀具。但前兩種涂層刀具使用最多。涂層材料有TiC、TiN, TiCN, TiAlN, CrN, TiAlCrN及A1203 (陶瓷的主要成分)。工藝最成熟和應(yīng)用最廣泛的硬質(zhì)涂層材料是TiN，但TiN與基體結(jié)合強(qiáng)度不及TiC涂層，涂層易剝落，且硬度也不如TiC高，在切削溫度較高時(shí)膜層易氧化而被燒蝕。TiC涂層有較高的硬度與耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐沖擊。TiAIN、CrN、TiAlCrN是國外新開發(fā)的硬質(zhì)涂層新材料，研究和使用都還很少。
[0005]就陶瓷涂層刀具而言，其基體可以為高速鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼等。以硬質(zhì)合金基體陶瓷涂層刀具的研究較多，但現(xiàn)存的主要問題是涂層厚度較薄且表面陶瓷涂層與刀具基體金屬的結(jié)合力較差，因而在較高切削速度下切削高硬度材料時(shí)易發(fā)生破損現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:現(xiàn)有陶瓷涂層刀具陶瓷涂層技術(shù)的涂層厚度較薄、陶瓷涂層厚度不均勻、且表面陶瓷涂層與刀具基體金屬結(jié)合力差等缺陷問題。
[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種鈦合金金屬基陶瓷涂層刀具，在鈦合金金屬刀具表面原位生長(zhǎng)一層致密均勻的氧化物陶瓷膜層。
[0008]優(yōu)選的，本發(fā)明所述鈦合金金屬基陶瓷涂層刀具的陶瓷涂層厚度大于等于30um。
[0009]本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述鈦合金金屬基陶瓷涂層刀具的制備方法，具體包括以下步驟:
(I)對(duì)鈦合金屬金刀具進(jìn)行打磨、拋光、除油、清洗、烘干處理后備用。
[0010](2)以鈦合金屬金刀具工件作為陽極，不銹鋼電解槽作為陰極，施加高壓脈沖通過微弧氧化技術(shù)在鈦合金金屬刀具表面原位生長(zhǎng)一層致密均勻的氧化物陶瓷膜層，微弧氧化過程中對(duì)電解液進(jìn)行勻速攪拌，電解液的溫度控制在25°C -40°C。
[0011](3)步驟(2)處理得到的鈦合金屬金刀具用去離子水清洗后，在100°C _150°C溫度條件下干燥15min_30min。
[0012]優(yōu)選的，微弧氧化技術(shù)的脈沖電源工藝參數(shù)為正脈沖電壓:480V-540V ;負(fù)脈沖電壓:80V-150V ;脈沖頻率:400-600Hz ;占空比:20%_30%。
[0013]本發(fā)明所用電解液為微弧氧化技術(shù)中常規(guī)的電解液(以去離子水為溶劑)配比參數(shù)為:鋁酸鈉(NaAlO2):10-14g/L ;磷酸鈉(Na3PO4):6_10g/L ;甘油(C3H8O3):0.05mol/L ;碳化硅(SiC):2g/Lo
[0014]本發(fā)明的有益效果:
(I)本發(fā)明所述方法制備得到的刀具陶瓷涂層與金屬基體之間具有良好的結(jié)合力，可以經(jīng)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試說明，拉伸后刀具表面均勻地殘留大量陶瓷膜碎片。
[0015](2)本發(fā)明所述方法刀具表面的氧化物陶瓷涂層，具有硬度高、涂層厚度大(最大厚度可達(dá)30-50um)、涂層整體致密均勻等的特性，極大提高了金屬刀具表面的硬度(大于1100HV)、耐磨性、耐蝕性、耐熱性，使其具有優(yōu)異的綜合機(jī)械切削性能，在保證切削質(zhì)量和使用壽命的前提下，可大大降低陶瓷涂層刀具的生產(chǎn)制造成本，提高刀具的使用壽命，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0016](3)本發(fā)明所述方法制備得到的刀具具有良好的耐磨性能:經(jīng)耐磨試驗(yàn)測(cè)試，在1000N的載荷下，陶瓷涂層沒有剝落和破裂，證明了陶瓷涂層具有很強(qiáng)的承載能力和優(yōu)良的耐磨性能。
[0017](4)具有良好的耐熱沖擊性能:經(jīng)300°C水中淬火35次未見變化，經(jīng)1300°C熱沖擊5次未見脫落，且不會(huì)因溫度的驟降而發(fā)生龜裂或脫落。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；
圖2為本發(fā)明所用微弧氧化設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為實(shí)施例3所述刀具鈦合金金屬基與陶瓷涂層結(jié)合處的顯微結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖2中:1_脈沖電源；2_電解槽；3_攪拌系統(tǒng)；4_冷卻系統(tǒng)；5_電解液；6_金屬刀具毛坯。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具有實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。
[0021]本實(shí)施例1~3所用微弧氧化設(shè)備，如圖2所述，包括脈沖電源1、電解槽2、攪拌系統(tǒng)3 ;冷卻系統(tǒng)4 ；電解液5 ;金屬刀具毛還6，電解槽2的外面設(shè)有冷卻系統(tǒng)4，用于控制電解液的溫度在25 °C -40 °C范圍內(nèi)，包括冷卻水入口和冷卻水出口。
[0022]實(shí)施例1
本實(shí)施例所述鈦合金金屬基陶瓷涂層刀具，在鈦合金金屬刀具表面原位生長(zhǎng)一層致密均勻的氧化物陶瓷膜層，具體包括以下步驟:
(1)對(duì)鈦合金金刀具進(jìn)行分別用#600、#800和#1200水磨砂紙進(jìn)行打磨、拋光、用丙酮除油、用去離子水清洗、烘干處理后，備用；
(2)以鈦合金屬金刀具工件作為陽極浸入在電解液中，不銹鋼電解槽作為陰極，施加高壓脈沖通過微弧氧化技術(shù)(脈沖電源工藝參數(shù)為正脈沖電壓:480V ;負(fù)脈沖電壓:80V ;脈沖頻率:400Hz ;占空比:20%)在鈦合金金屬刀具表面原位生長(zhǎng)一層致密均勻的氧化物陶瓷膜層，微弧氧化過程中對(duì)電解液進(jìn)行勻速攪拌，電解液的溫度控制在25°C ;
(3)步驟(2)處理得到的鈦合金屬金刀具用去離子水清洗后，在100°C溫度條件下干燥15min0
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