一種具有增強耐磨性和韌性的納米柱狀晶的刀具塗層的製作方法

2023-09-21 12:46:05 3

一種具有增強耐磨性和韌性的納米柱狀晶的刀具塗層的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有增強耐磨性和韌性的納米柱狀晶刀具塗層，通過優化晶粒尺寸和微觀結構來顯著提高耐磨性及抗衝擊性能。該改進的塗層包括納米柱狀晶，通過採用CH4，C2H6，C2H4，C2H2、N2，CH3CN作為碳氮源的組合來確保對晶粒尺寸和形狀的控制。必須小心控制各個氣體的組合比例，以便保持納米柱狀晶結構。優選的柱狀晶粒尺寸為50-150nm，長寬比大於10。本發明既克服了MT-TiCN塗層柱狀晶粒比較粗大時其耐磨性及抗衝擊性不足的弊端，又克服了細小的MT-TiCN塗層容易形成等軸晶造成耐磨性下降的弊端。本發明的切削刀具塗層韌性優秀、耐磨性好，在鋼、鑄鐵、不鏽鋼等材料的切削加工上具有優異的切削性能。
【專利說明】一種具有增強耐磨性和韌性的納米柱狀晶的刀具塗層

【技術領域】
[0001] 本發明涉及包含塗覆有MT-TiCN納米柱狀晶塗層主體的切削工具，特別是涉及一 種具有增強耐磨性和韌性的納米柱狀晶的刀具塗層。

【背景技術】
[0002] 在切削工具表面塗覆塗層是提高切削工具性能的重要途徑之一，塗層刀具具有表 面硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦係數小和熱傳導率低等特點，切削時 可比未塗層刀具提高壽命5?10倍以上。切削工具的表面塗層技術作為市場需求發展起 來的一項優質表面改性技術，由於該項技術可使切削工具獲得優良的綜合機械性能，不僅 可有效地提高切削工具使用壽命，而且還能大幅度地提高機械加工效率，因此該項技術成 為切削工具製造的關鍵技術之一。
[0003] MT-TiCN塗層作為CVD塗層的重要功能層之一，通常是由其晶粒長度接近塗層厚 度的柱狀晶粒構成。該塗層是在單一的TiC晶格中，N原子佔據原來C原子在點陣中的位 置而形成的複雜化合物。由於MT-TiCN塗層具有TiC和TiN的綜合性能，同時可以在塗覆 過程中可通過改變C、N的成分控制MT-TiCN塗層性質，因此是一種較理想的刀具塗層材料。 但是採用傳統工藝TiCl 4-CH3CN-N2-H2系統沉積製得的MT-TiCN塗層存在有大柱狀晶粒，刀 具的耐磨性及抗衝擊性受到了一定的影響。
[0004] 細晶纖維狀結構MT-TiCN塗層裂紋少，降低塗層的內應力，提高塗層韌性，阻止裂 紋的擴展，減少刀片崩刃。同時由於晶粒比較細，耐磨性能更加優異。在切削時即使受到反 復的機械衝擊及熱衝擊，塗層也不容易產生剝離或破壞，從而改善了刀具在連續切削條件 下的抗崩刃性能，這對加工不鏽鋼，合金鋼，球墨鑄鐵等十分有利。
[0005] 眾所周知，多晶材料的硬度通常遵照Hall-Petch公式：H = H° + CA/J，其中Η為 多晶材料的硬度，Η°為單晶的硬度，C為材料常數（C>0)，而d為晶粒尺寸。從該公式看出， 可以通過減小晶粒尺寸來提高材料的硬度。
[0006] 根據材料學原理，晶粒越細小，綜合力學性能越好。細晶粒組織比較均勻，晶界比 較多，起到細晶強化的作用，所以強度、硬度比較高，而在塑性變形時，由於組織比較均勻， 不會在局部產生過量變形而破壞結構，表現出較好的塑性和韌性。所以能否開發出均勻細 小的MT-TiCN柱狀晶塗層在刀具化學塗層工藝開發中起著重要的作用。
[0007] US20020012818中披露了採用C0摻雜來實現納米晶粒MT-TiCN塗層。US6472060 中公開了一種採用較高流量的C0 (優選大約為7-9% )摻雜來實現耐磨晶粒的MT-TiCN塗 層。但是，C0摻雜的納米晶粒MT-TiCN塗層為等軸晶，韌性提高，耐磨性下降。Ruppi等 人在Thin Solid Film402(2002)203已經確認，在將塗層的晶粒降低至納米晶粒區域以下 (20-50nm)將降低月牙窪的耐磨性。這些納米晶粒塗層更硬，但是存在晶界滑動，從而導致 在更高溫度下出現塑性變形。CN200410036997. 2中公開了一種通過採用CO、C02、ZrCl4和 A1C13或這些組合進行摻雜獲得MT-TiCN納米柱狀晶塗層。
[0008] 從上面可以看出，MT-TiCN柱狀晶塗層一種較理想的刀具塗層材料，但是傳統工藝 製得的塗層晶粒比較粗大。目前公開的超細MT-TiCN柱狀晶塗層大都通過不同元素的摻雜 獲得，而且細小的MT-TiCN塗層容易形成等軸晶。


【發明內容】

[0009] 本發明的目的在於克服現有技術之不足，提供一種具有增強耐磨性和韌性的納米 柱狀晶的刀具塗層，通過對MT-TiCN塗層的工藝改進，既克服了 MT-TiCN塗層柱狀晶粒比較 粗大時其耐磨性及抗衝擊性不足的弊端，又克服了細小的MT-TiCN塗層容易形成等軸晶造 成耐磨性下降的弊端。
[0010] 本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種具有增強耐磨性和韌性的納米 柱狀晶刀具塗層，包括採用化學氣相沉積方式沉積在刀片基體上的一層或多層的塗層；所 述塗層中至少含有一層MT-TiCN層；所述MT-TiCN層具有均勻超細晶粒的柱狀晶粒，柱狀晶 粒直徑尺寸為50?200nm，長寬比大於10,優選的是大於20, MT-TiCN層的厚度尺寸為1? 20 μ m，且該MT-TiCN層是在反應室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體沉積而成，所述碳氮 源氣體為CH4, C2H6, C2H4, C2H2、N2, CH3CN中的一種氣體或多種氣體組合。
[0011] 所述柱狀晶粒直徑尺寸優選為80?150nm。
[0012] 所述MT-TiCN層的厚度尺寸優選為3?10 μ m。
[0013] 所述碳氮源氣體為CH4, C2H6, C2H4, C2H2、N2, CH3CN中的二種或二種以上氣體組合； 優選的是三種或三種以上氣體組合。
[0014] 所述碳氮源氣體為，佔混合氣體的體積1 %?20%的N2、佔混合氣體的體積 0. 2 %?5 %的CH3CN、佔混合氣體的體積0 %?6 %的C2H4、佔混合氣體的體積0 %?10 %的 CH4、佔混合氣體的體積0%?6%的C2H6。
[0015] 所述的MT-TiCN層是在反應室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，並且在溫度為 800?950°C，壓力為50?500mbar的條件下沉積而成。
[0016] 所述的MT-TiCN層是在反應室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，並且在溫度優 選為850?930°C，壓力優選為60?150mbar的條件下沉積而成。
[0017] 所述MT-TiCN層是在TiN層上方生長，通過對TiN層的TiN工藝參數及膜厚的有 效控制能夠為MT-TiCN層提供良好的成核條件；該TiN層的膜厚為0. 5 μ m?2 μ m，沉積溫 度為850?950°C。
[0018] 所述TiN層的膜厚優選為0· 5 μ m?1 μ m，沉積溫度優選為890-915°C。
[0019] 所述塗層中還包括在所述MT-TiCN層上面塗覆的A1203、HT-TiCN、TiN、TiO、ZrCN 的單一層或多層組合的複合層，所增加的塗層總厚度為1?20 μ m。
[0020] 本發明的一種具有增強耐磨性和韌性的納米柱狀晶的刀具塗層，通過優化晶粒尺 寸和微觀結構來顯著提高現有技術的MT-TiCN塗層的耐磨性及抗衝擊性能。該改進的塗層 由納米柱狀晶構成。可以通過採用CH 4, C2H6, C2H4, C2H2、N2, CH3CN作為碳氮源的組合來確保 對晶粒尺寸和形狀的控制。必須小心控制各個氣體的組合比例，以便保持納米柱狀晶結構。 優選的柱狀晶粒尺寸應該在其晶粒寬度為50?150nm的區域中，長寬比應該大於10,優選 大於20。本發明的切削刀具塗層韌性優秀、耐磨性好，在鋼、鑄鐵、不鏽鋼等材料的切削加工 上具有優異的切削性能。
[0021] 與現有技術相比較，本發明的有益效果是：
[0022] 本發明沒有像現有技術一樣通過採用通過其他元素組合摻雜（CO、C02、ZrCl 4和 A1C13)來獲得MT-TiCN納米柱狀晶塗層，而是通過調節MT-TiCN塗層中的碳氮源比例及組 合（CH 4, C2H6, C2H4, C2H2、N2, CH3CN)，來控制MT-TiCN塗層對晶粒尺寸、形狀及成分性質的影 響，這不僅進一步提高了 MT-TiCN塗層的均勻性、硬度、耐磨損性能及韌性，而且避免了因 晶粒尺寸過小出現的一種反向的Hall-Petch現象，導致的硬度和耐磨損性能的下降。
[0023] 本發明的MT-TiCN塗層在TiN塗層生長，通過對底層TiN工藝參數及膜厚的有效 控制，為MT-TiCN塗層提供了良好的成核條件，避免MT-TiCN塗層晶粒的粗大和異常長大， 從而得到細小均勻的MT-TiCN塗層。
[0024] 本發明的塗層為切削刀具的主要功能層之一，所設計的具有超細柱狀晶MT-TiCN 塗層，MT-TiCN塗層由具有均勻細晶粒的柱狀晶粒組成，晶粒直徑為50?200nm，優選為 80?150nm ;MT-TiCN塗層厚度為1?15 μ m，優選3?10 μ m ;通過改善後的超細柱狀晶 MT-TiCN塗層與其它塗層相配合，這使得本發明的切削刀具具有非常優異的耐磨性能和抗 衝擊性能。
[0025] 以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明；但本發明的一種具有增強耐 磨性和韌性的納米柱狀晶的刀具塗層不局限於實施例。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是本發明超細柱狀晶MT-TiCN塗層的表面電鏡照片；
[0027] 圖2是含有本發明超細柱狀晶MT-TiCN的塗層a斷面電鏡照片；
[0028] 圖3是現有技術MT-TiCN塗層的表面電鏡照片；
[0029] 圖4是含有現有技術MT-TiCN的塗層b斷面電鏡照片。

【具體實施方式】
[0030] 實施例
[0031] 本發明的一種具有增強耐磨性和韌性的納米柱狀晶刀具塗層，包括採用化學氣相 沉積方式沉積在刀片基體上的一層或多層的塗層；所述塗層中至少含有一層MT-TiCN層； 所述MT-TiCN層具有均勻超細晶粒的柱狀晶粒，柱狀晶粒直徑尺寸為50?200nm，長寬比 大於10,優選的是大於20, MT-TiCN層的厚度尺寸為1?20 μ m，且該MT-TiCN層是在反應 室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體沉積而成，所述碳氮源氣體為CH4, C2H6, C2H4, C2H2、N2， CH3CN中的一種氣體或多種氣體組合。
[0032] 所述柱狀晶粒直徑尺寸優選為80?150nm。
[0033] 所述MT-TiCN層的厚度尺寸優選為3?10 μ m。
[0034] 所述碳氮源氣體為CH4, C2H6, C2H4, C2H2、N2, CH3CN中的二種或二種以上氣體組合； 優選的是三種或三種以上氣體組合。
[0035] 所述碳氮源氣體為，佔混合氣體的體積1 %?20%的N2、佔混合氣體的體積 0. 2 %?5 %的CH3CN、佔混合氣體的體積0 %?6 %的C2H4、佔混合氣體的體積0 %?10 %的 CH4、佔混合氣體的體積0%?6%的C2H6。
[0036] 所述的MT-TiCN層是在反應室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，並且在溫度為 800?950°C，壓力為50?500mbar的條件下沉積而成。
[0037] 所述的MT-TiCN層是在反應室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，並且在溫度優 選為850?930°C，壓力優選為60?150mbar的條件下沉積而成。
[0038] 所述MT-TiCN層是在TiN層上方生長，通過對TiN層的TiN工藝參數及膜厚的有 效控制能夠為MT-TiCN層提供良好的成核條件；該TiN層的膜厚為0. 5 μ m?2 μ m，沉積溫 度為850?950°C。
[0039] 所述TiN層的膜厚優選為0. 5 μ m?1 μ m，沉積溫度優選為890-915°C。
[0040] 所述塗層中還包括在所述MT-TiCN層上面塗覆的A1203、HT-TiCN、TiN、TiO、ZrCN 的單一層或多層組合的複合層，所增加的塗層總厚度為1?20 μ m。
[0041] 以下通過具體的實例及實驗比較，來說明本發明的抗衝擊性和耐磨性。
[0042] 在保持柱狀晶結構的同時降低MT-TiCN塗層晶粒尺寸，在鋼材和鑄鐵中比現有技 術MT-TiCN塗層在耐磨性方面和韌性上得到明顯的提高。根據本發明的塗層與TiN、A1 203 塗層結合可以定製各種不同用途的刀具塗層。採用現代CVD反應器在800-920°C以受控的 方式進行該工藝。
[0043] 具體實例：組分為6% (質量百分比）Co,餘量為WC的硬質合金切削刀片，其表面 塗覆有TiN層、MT-TiCN層，a -A1203層，各層的厚度分別為0. 5?1 μ m、7?9 μ m、6?8 μ m。 詳細的MT-TiCN層即a層工藝參數如表1所示。
[0044] 表 1
[0045]

【權利要求】
1. 一種具有增強耐磨性和韌性的納米柱狀晶刀具塗層，包括採用化學氣相沉積方式沉 積在刀片基體上的一層或多層的塗層；所述塗層中至少含有一層MT-TiCN層；其特徵在於： 所述MT-TiCN層具有均勻超細晶粒的柱狀晶粒，柱狀晶粒直徑尺寸為50?200nm，長寬比大 於10，MT-TiCN層的厚度尺寸為1?20 μ m，且該MT-TiCN層是在反應室中通入含有碳氮源 氣體的混合氣體沉積而成，所述碳氮源氣體為CH4, C2H6, C2H4, C2H2、N2, CH3CN中的一種氣體或 多種氣體組合。
2. 根據權利要求1所述的納米柱狀晶刀具塗層，其特徵在於：所述柱狀晶粒直徑尺寸 為 80 ?150nm。
3. 根據權利要求1所述的納米柱狀晶刀具塗層，其特徵在於：所述MT-TiCN層的厚度 尺寸為3?10 μ m。
4. 根據權利要求1所述的納米柱狀晶刀具塗層，其特徵在於：所述碳氮源氣體為CH4， C2H6, C2H4, C2H2、N2, CH3CN中的二種或二種以上氣體組合。
5. 根據權利要求4所述的納米柱狀晶刀具塗層，其特徵在於：所述碳氮源氣體為，佔混 合氣體的體積1 %?20 %的N2、佔混合氣體的體積0. 2 %?5 %的CH3CN、佔混合氣體的體積 0 %?6 %的C2H4、佔混合氣體的體積0 %?10 %的CH4、佔混合氣體的體積0 %?6 %的C2H6。
6. 根據權利要求1所述的納米柱狀晶刀具塗層，其特徵在於：所述的MT-TiCN層是 在反應室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，並且在溫度為800?950°C，壓力為50? 500mbar的條件下沉積而成。
7. 根據權利要求6所述的納米柱狀晶刀具塗層，其特徵在於：所述的MT-TiCN層是 在反應室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，並且在溫度為850?930°C，壓力為60? 150mbar的條件下沉積而成。
8. 根據權利要求1所述的納米柱狀晶刀具塗層，其特徵在於：所述MT-TiCN層是在TiN 層上方生長，通過對TiN層的TiN工藝參數及膜厚的有效控制能夠為MT-TiCN層提供良好 的成核條件；該TiN層的膜厚為0. 5 μ m?2 μ m，沉積溫度為850?950°C。
9. 根據權利要求8所述的納米柱狀晶刀具塗層，其特徵在於：所述TiN層的膜厚為 0· 5 μ m ?1 μ m,沉積溫度為 890-915。。。
10. 根據權利要求1所述的納米柱狀晶刀具塗層，其特徵在於：所述塗層中還包括在所 述MT-TiCN層上面塗覆的Al20 3、HT-TiCN、TiN、TiO、ZrCN的單一層或多層組合的複合層，所 增加的塗層總厚度為1?20 μ m。
【文檔編號】C30B25/16GK104099580SQ201410232242
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年5月28日 優先權日:2014年5月28日
【發明者】鄭清平, 陳藝聰, 吳學林, 盧志紅, 張守全 申請人:廈門金鷺特種合金有限公司