一種具有自潤滑性能的納米複合塗層硬質合金刀具的製作方法
2023-04-29 14:02:51 1
本發明公開了一種切削刀具，尤其涉及一種帶自潤滑效應的納米複合塗層切削刀具。
背景技術：
塗層技術發展與應用對刀具性能的改善與切削技術進步起到了關鍵作用，PVD塗層刀具已成為現代切削刀具的重要標誌。早期的塗層刀具材料主要有TiC、TiN、TiCN等。在TiN塗層中加入Al形成TiAlN塗層，不僅在硬度、耐磨性方面優於TiN，且顯著改善塗層耐腐蝕性，提升抗氧化溫度。Al含量高的TiAlN塗層稱為AlTiN塗層，塗層中Al含量提高(1＜Al/Ti＜2/1)，塗層晶粒細化，硬度、抗氧化性與耐磨性也顯著提升，刀具的切削壽命也極大提高。
隨著加工材料的日新月異，性能的不斷提升，對塗層刀具提出了更高要求。塗層多元化與多層複合是塗層技術發展的兩大趨勢。
在現有AlTiN塗層硬質合金刀具中引入Si、Cr等元素，能提高塗層的硬度與抗氧化性，顯著改善對硬化鋼等的切削壽命。鈦合金、高溫合金等難加工航空材料，由於其脆性大，加工過程粘結嚴重、切削力大、切削溫度高等特性，普通AlTiN與超硬AlTiSi(Cr)N硬質合金塗層刀具在切削加工時，塗層與工件摩擦係數高，導致切削力大，切削熱高，切削過程中易出現粘刀、崩刃等問題，急速降低刀具的使用壽命。
普通TiAlN/AlTiN與TiAlN/TiAlSiN納米多層複合塗層能顯著提高塗層的硬度與抗氧化性能，但由於其摩擦係數高，增大了刀具阻力與刀具表面粘屑程度。在對表面質量要求高以及潤滑和排屑要求高的場合存在一定的使用缺陷，最終影響其切削應用。
技術實現要素：
本發明主要是提供一種具有摩擦係數低、耐磨性能高、韌性好的納米複合塗層切削刀具。
為解決上述技術問題，本發明採用技術方案為一種納米複合塗層切削刀具，包括刀具基體和沉積於所述刀具基體上的納米複合塗層，所述納米複合塗層為AlTiN-Ni納米顆粒複合塗層與AlTiN/Ni納米多層複合塗層。所述AlTiN-Ni納米顆粒複合塗層中Ni元素均勻分布於AlTiN之中；所述AlTiN/Ni納米多層複合塗層是以AlTiN層、Ni層為一個循環，按AlTiN層、Ni層、AlTiN層、Ni層……循環分布的複合塗層。
上述AlTiN-Ni納米顆粒複合塗層切削刀具中，AlTiN-Ni納米複合塗層按通式(AlaTibNc)Niz構成；
其中：a+b+c+z＝1；
a取值範圍0.25-0.33；
b取值範圍0.17-0.25；
z取值範圍0-0.07。
上述AlTiN/Ni納米多層塗層切削刀具中，AlTiN層的單層厚度為3～100nm，所述Ni層的單層厚度為3～40nm。
上述AlTiN-Ni納米顆粒複合塗層切削刀具中AlTiN-Ni納米顆粒的晶粒尺寸為6-8nm。
上述AlTiN層中，按摩爾比計，Al：Ti：N＝0.25-0.33：0.17-0.25：0.45-0.58。
上述納米複合塗層切削刀具中，Ni元素的價態為0價。且不與Al、Ti、N中任意一種或幾種元素形成化合物或合金。
上述AlTiN-Ni納米複合塗層中Ni以非晶態存在。
上述納米複合塗層切削刀具中，塗層的總厚度為2.5μm～3.5μm。
所述納米複合塗層在下列條件下使用陰極弧法生成：反應氣體為氮氣；
總壓力為1.0Pa至3.2Pa；
偏壓為-120V至-30V；
沉積溫度為400℃至600℃之間。
與現有技術相比，本發明優點在於：
本發明的納米顆粒Ni引入AlTiN塗層後，塗層組織細密，結構均勻；塗層AlTiN晶粒顯著細化至納米級別；進而顯著改善塗層的抗熱震性能。由於塗層中Ni主要以零價非晶態賦存時，可顯著改善塗層的韌性。同時非氮化物金屬Ni層在切削過程中的自潤滑效應可顯著降低塗層刀具與工件之間的摩擦係數，具有出色的潤滑效果。軟質金屬Ni彌散在整個塗層中，在切削加工的摩擦與高溫作用下逐漸磨損，能夠起到明顯的減磨潤滑效果，直至刀具塗層最終完全失效。
本發明的納米多層塗層切削刀具中的多層複合塗層綜合了兩種成分塗層的特點與優點，其中非氮化物金屬Ni層在切削過程中的自潤滑效應可顯著降低塗層刀具與工件之間的摩擦係數，具有出色的潤滑效果。在微觀結構中交替沉積AlTiN層與非氮化物金屬Ni層，使得金屬Ni在宏觀上貫穿於整個塗層厚度區間，在切削加工的摩擦與高溫作用下逐漸磨損，軟質金屬Ni元素能夠起到明顯的減磨潤滑效果，直至刀具塗層最終完全失效。
本發明的多層塗層通過對塗層結構和組分設計，克服了傳統AlTiN塗層摩擦係數差，與韌性差的缺點。本發明的多層塗層切削刀具實現了高潤滑性能，高耐磨損性能，且塗層具有較好的韌性，適用於硬質合金可轉位刀片和硬質合金銑刀、鑽頭等。
附圖說明
圖1為本發明製備的沉積在硬質合金基體上實施例1的AlTiN-Ni納米複合塗層的截面掃描電鏡圖。
圖2為本發明製備的沉積在硬質合金基體上實施例1的AlTiN-Ni納米複合塗層XRD圖。
圖3為本發明製備的實施例1的AlTiN-Ni納米複合塗層中Ni的XPS能譜圖。
從圖1可以看出納米顆粒Ni引入AlTiN塗層後，塗層組織細密，結構均勻。
根據圖2所得XRD圖，採用謝樂公式計算得到AlTiN晶粒尺寸為7.107nm。由此可知，塗層的晶粒得到顯著細化，同時XRD未檢測到Ni；結合圖3可知此時的Ni是以非晶態賦存的。
從圖3中可以看出塗層中Ni主要以金屬態形式存在，也就是說AlTiN-Ni納米複合塗層中Ni以非氮化物態形式存在於AlTiN塗層中。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發明作進一步的說明，但發明的保護內容不局限於以下實施例。
本發明實施例和對比例中，依據刀具的要求使用AlTiNi、AlTi靶與Ni靶，塗層製備均採用普通PVD陰極弧沉積方法製備。
實施例1
一種納米顆粒複合塗層刀具，複合塗層的組成為Al0.63Ti0.34N-Ni0.03，複合塗層的厚度為3.1μm。刀具基體為硬質合金VNEG160408-NF刀片。
一種本實施例納米顆粒複合塗層切削刀具製備方法，包括以下步驟：
(1)利用現有硬質合金VNEG160408-NF刀片；對刀具基體進行刃口處理、表面處理；(2)利用常規PVD工藝在刀具基體上沉積上述Al0.63Ti0.34N-Ni0.03納米顆粒複合塗層，刀具塗層的總厚度為3.2μm。依據刀具的要求使用AlTiNi靶用於功能複合塗層製備作為塗層源，採用PVD陰極弧沉積塗層方式。
實施例2
一種納米顆粒複合塗層刀具，複合塗層的組成為Al0.52Ti0.43N-Ni0.05，複合塗層的厚度為3.5μm。刀具基體為硬質合金VNEG160408-NF刀片。塗層製備方法與實施例1相同。
實施例3
一種本發明多層塗層切削刀具，由內向外依次由刀具基體和複合塗層組成，塗層總厚度為3.2μm。複合塗層包括由內向外設置的周期性相互交替沉積的AlTiN層與Ni層，且最內層的AlTiN層設於基體上；AlTiN按原子比組成為Al0.65Ti0.35N，Al0.65Ti0.35N的單層厚度為10nm，Ni層的單層厚度為4nm，複合塗層的厚度為3.2μm。刀具基體1為硬質合金VNEG160408-NF刀片。
具體操作如下：
(1)利用現有硬質合金VNEG160408-NF刀片；對刀具基體進行刃口處理、表面處理；(2)利用常規PVD工藝在基體上沉積沉積上述的Al0.65Ti0.35N層；(3)利用常規PVD工藝在前一個步驟的Al0.65Ti0.35N層上沉積Ni層；(4)利用常規PVD工藝在前一個步驟的Ni層上沉積Al0.65Ti0.35N層；(5)重複步驟(3)與步驟(4)，以內層Al0.65Ti0.35N層與第二內層Ni層作為第一周期，直至得到共230個周期，刀具塗層的總厚度為3.2μm。依據刀具的要求使用AlTi靶用於過渡層製備，AlTi靶與Ni靶用於功能複合塗層製備作為塗層源，均採用PVD陰極弧沉積塗層方式。
對比試驗
對比例1
對照刀具為與上述實施例1的納米複合塗層切削刀具具有相同形狀和相同刀具基體組分的株洲鑽石切削集團生產的VNEG160408-NF刀片，對比例1的塗層為與實施例1具有相同陰極弧沉積方法製備的Al0.65Ti0.35N塗層(靶材選用粉末冶金Al0.66Ti0.34靶)，塗層厚度3μm。
將上述實施例1的納米複合塗層切削刀具、對比例1所得試樣刀具在低速下對鈦合金進行切削加工，切削加工條件如下：
加工材料為TC4鈦合金；
加工方式為車削；
切削速度Vc＝60m/min；
切削深度ap＝1mm；
每轉進給量f＝0.2mm/r；
冷卻方式：水性冷卻液。
產品壽命判定標準為刀具後刀面平均磨損量Vb達到0.3mm，或後刀面溝槽磨損量Vbmax＝0.6mm。結果顯示，本實施例的納米複合塗層加工36min後，後刀面磨損量達到0.3mm，正常磨損失效；對照刀具加工28min後，後刀面平均磨損量達到0.3mm。本實施例的納米複合塗層切削刀具壽命較對照刀具提高28％以上。
對比例2
對照刀具為與上述實施例2的納米複合塗層切削刀具具有相同形狀和相同刀具基體組分的株洲鑽石切削集團生產的VNEG160408-NF刀片，對比例2的塗層為與實施例1具有相同陰極弧沉積方法製備的Al0.65Ti0.35N塗層(靶材選用粉末冶金Al0.66Ti0.34靶)，塗層厚度為3μm。
將上述實施例2的納米複合塗層切削刀具、對比例2所得試樣刀具在高速下對鈦合金進行切削加工，切削加工條件如下：
加工材料為TC4鈦合金；
加工方式為車削；
切削速度Vc＝80m/min；
切削深度ap＝1mm；
每轉進給量f＝0.2mm/r；
冷卻方式：水性冷卻液。
產品壽命判定標準為刀具後刀面平均磨損量Vb達到0.3mm，或後刀面溝槽磨損量Vbmax＝0.6mm。結果顯示，本實施例的納米複合塗層加工12min後，後刀面磨損量達到0.3mm，正常磨損失效；對照刀具加工9min後，後刀面平均磨損量達到0.3mm。本實施例的納米複合塗層切削刀具壽命較對比例所得試樣刀具提高33％以上。
對比例3
對照刀具為與上述實施例3的納米複合多層塗層切削刀具具有相同形狀和相同刀具基體組分的株洲鑽石切削集團生產的VNEG160408-NF刀片，對比例3塗層為與實施例1具有相同陰極弧沉積方法製備的Al0.65Ti0.35N塗層(靶材選用粉末冶金Al0.66Ti0.34靶)，塗層厚度為3μm。
將上述本實施例3的納米複合塗層切削刀具、對比例3所得試樣刀具在高速下對GH4169高溫合金進行切削加工，切削加工條件如下：
加工材料為GH4169高溫合金；
加工方式為車削；
切削速度Vc＝40m/min；
切削深度ap＝1mm；
每轉進給量f＝0.2mm/r；
冷卻方式：水性冷卻液。
產品壽命判定標準為刀具後刀面平均磨損量Vb達到0.3mm，或後刀面溝槽磨損量Vbmax＝0.6mm。結果顯示，本實施例的納米複合塗層加工15min後，後刀面磨損量達到0.3mm，正常磨損失效；對照刀具加工11min後，後刀面平均磨損量達到0.3mm。本實施例的納米複合塗層切削刀具壽命較對比例3所得試樣刀具提高了36％以上。
該測試結果表明，與商業級普通AlTiN切削刀具相比，本發明的塗層刀具對鈦合金與高溫合金均表現出優異的切削性能。