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CN103506640B - 一种具有涂层的切削工具及其制作方法 - Google Patents

一种具有涂层的切削工具及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有涂层的切削工具，包括基底和涂覆在基底上的一个层或者多个层的硬质材料涂层，所述硬质材料涂层至少包括一个通过热CVD法沉积，且厚度至少为0.1μm的TiBCN层，所述的TiBCN层中硼含量为0.5at％至10at％。本发明通过在涂层中设置至少一个TiBCN层的硬质涂覆层，使得该涂层由于硼元素的加入硬度得到显著的提升，同时使该涂层比TiCN具有更加出色的耐磨性，而且涂层经过表面后处理，能够为工具提供优异的改进切削性能。

Description

一种具有涂层的切削工具及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种用于金属加工的涂层切削工具，特别是涉及一种具有高硬度而且耐磨的涂层的切削工具及其制作方法。
背景技术
为提高工具的耐磨性，人们通过气相沉积方法制备涂层，从而在其表面涂覆具有高耐磨性能硬质材料涂层，如TiC、TiN、TiCxNy和Al2O3等，这些涂层的硬度通常为15GPa至40GPa。耐磨性硬质材料涂层通常沉积在耐磨性基底上，基底的耐磨性材料包括硬质合金、金属陶瓷、硬质材料以及工具钢等。
涂层的物理或化学气相沉积能够在合适的基体上制备由碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和氧化物构成的耐磨性硬质材料涂层。物理气相沉积工艺通过对合适的涂覆源进行物理烧蚀并引入反应性气体组分，从而在300℃至500℃间在待涂覆的基材上涂覆所需硬质材料，可以实现硬质材料涂层化学组成成分的广泛选择，但是无法实现厚膜沉积，对复杂的几何形状体施加均匀的涂层比较困难。
化学气相沉积通常是指热CVD法，指在温度范围700℃至1050℃的反应腔体内，在常压或负压下，借助于由反应组分构成的气体混合物(该气体混合物在涂覆温度下发生分解)将相应的硬质材料覆层沉积在基材上。热活化的CVD工艺由于其高沉积温度表现出独特的工艺特征，对IVB族(特别是Ti元素)的氮化物、碳化物、碳氮化物和碳氮氧化物尤其有利，这些硬质材料涂层通常采用单层或多层设计，并且可与氧化铝层配合广泛应用于切削工具。这些采用CVD工艺制备硬质材料涂层的一个重要特征是具有明显的结晶性结构，通常显示为明显的晶面择优，而且其柱状晶结构比PVD更加粗壮，也因此造成了更粗糙的表面，通过适当的表面后处理工艺，如使用氧化铝作为介质的湿喷砂或抛光等可以使这种粗糙的表面光滑化。通过使用含硼元素的硬质涂层材料，可以提高涂层的硬度，从而提高涂层的耐磨性。
公开号为DE2525185的专利申请描述了由硬金属基的主体以及硬质材料覆层构成的耐磨性成型部件，该硬质材料覆层由相互层叠的两个亚层构成，这两个亚层中的外层由氧化铝和/或氧化锆构成，位于内部的亚层由一种或多种硼化物、尤其是元素钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、和钨的二硼化物构成。
公开号为EP0015451的专利申请描述了一种具有多层硬质材料覆层的经涂覆的硬质金属物体，该多层硬质材料覆层的外层为厚度为5μm至20μm的硼化物，该硼化物选自硼化钛、硼化铪、硼化锆和硼化钽。
公开号为DE10222347的专利申请描述了一种通过CVD工艺制得的TiBN层，层中硼的含量大于或等于6重量％。
通过现有公开技术可以得出这样的结论：在涂层中添加硼元素，可以显著提高硬度。涂层中硼元素含量越高且厚度越厚，涂层的硬度越高，因此越能改善涂层的耐磨性。但是，采用CVD法沉积含硼涂层会使硼扩散至硬质合金基底，形成含硼的脆性相或η相，很大程度降低硬质合金工具的使用寿命。因此，涂层中添加的硼含量以不产生脆性相为限。除了降低硼元素的含量，也可以通过多层涂层的设计，采用不含硼的硬质材料涂层作为扩散阻挡层，可以进一步降低脆化的风险。
过高的硼含量除了有发生脆化的风险外，在切削工具加工产生高温时，还可能导致硼与铁发生反应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种具有涂层的切削工具及其制作方法，通过在涂层中设置至少一个TiBCN层的硬质涂覆层，使得该涂层由于硼元素的加入硬度得到显著的提升，同时使该涂层比TiCN具有更加出色的耐磨性，而且涂层经过表面后处理，能够为工具提供优异的改进切削性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有涂层的切削工具，包括基底和涂覆在基底上的一个层或者多个层的硬质材料涂层，所述硬质材料涂层至少包括一个通过热CVD法沉积，且厚度至少为0.1μm的TiBCN层，所述的TiBCN层中硼含量为0.5at％至10at％。
所述的TiBCN层的晶粒是＜2μm的粒状至柱状构型，优选的TiBCN层的晶粒是＜500nm的细柱状构型。
所述的TiBCN层的厚度为0.1μm至15μm，优选的TiBCN层的厚度为1μm至8μm。
所述的TiBCN层显微维氏硬度达到30Gpa以上。
一种具有涂层的切削工具，由至少部分涂覆有涂层的烧结碳化物、金属陶瓷或陶瓷基底构成，所述涂层总厚度1-25μm，优选3-18μm，该涂层至少包含一层TiBxCyNz层，TiBxCyNz(X＞0)层由MT-CVD工艺沉积而成。
所述的涂层由基底依次向外分布的第一涂层、第二涂层和第三涂层组成；所述第一涂层包括选自氮化钛或碳氮化钛的一个或多个层，第一涂层厚度0.1-3μm,优选厚度是0.2-1.0μm；所述第二涂层为细柱状晶的TiBxCyNz层，第二涂层厚度2μm至10μm，第二涂层的优选厚度是2μm至8μm；所述第三涂层为厚度是0.1-3μm的着色顶层，第三涂层的优选厚度是0.3-1.5μm。
所述第三涂层为TiN，TiC，TiCN，ZrN或HfN涂层，采用CVD或PVD方法沉积而成，优选的是采用CVD方法沉积而成。
一种具有涂层的切削工具的制作方法，是在基底上涂覆一个层或者多个层的硬质材料涂层，硬质材料涂层中至少包括一个采用MT-CVD法制备而成的TiBxCyNz层，其制备温度为800-950℃，并且采用BCl3用作形成该层用的硼源，所述的BCl3占总气流的0.1％-3％，优选的是占总气流的0.3-2％，共中，乙腈用作碳/氮源。
所述制作方法中，使用毛刷对涂层进行后处理刷光，至少在前刀面切屑接触区的粗糙度Ra≤0.5μm。
本发明的有益效果是：
由于其硬质材料涂层中包括一层TiBCN层，其具有改善耐磨性能的特点。这种硬质材料涂层能够经济地生产，避免发生脆化的风险，其中的TiBCN层具有高硬度与细的柱状晶结构，提高了耐磨性，具有更加有利的摩擦性能，而且尽可能地保持了高的韧性和耐化学品性。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种具有涂层的切削工具及其制作方法不局限于实施例。
附图说明
图1是实施例一本发明的涂层表面的扫描电镜图；
图2是实施例一本发明的涂层断面的扫描电镜图；
图3是实施例二本发明的涂层表面的扫描电镜图；
图4是实施例二本发明的涂层断面的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具有涂层的切削工具，包括基底和涂覆在基底上的一个层或者多个层的硬质材料涂层，所述硬质材料涂层至少包括一个通过热CVD法沉积，且厚度至少为0.1μm的TiBCN层，所述的TiBCN层中硼含量为0.5at％至10at％。
所述的TiBCN层的晶粒是＜2μm的粒状至柱状构型，优选的TiBCN层的晶粒是＜500nm的细柱状构型。
所述的TiBCN层的厚度为0.1μm至15μm，优选的TiBCN层的厚度为1μm至8μm。
所述的TiBCN层显微维氏硬度达到30Gpa以上。
本发明的一种具有涂层的切削工具，由至少部分涂覆有涂层的烧结碳化物、金属陶瓷或陶瓷基底构成，所述涂层总厚度1-25μm，优选3-18μm，该涂层至少包含一层TiBxCyNz层，TiBxCyNz(X＞0)(x+y+z＝1)层由MT-CVD工艺沉积而成。
所述的涂层由基底依次向外分布的第一涂层、第二涂层和第三涂层组成；所述第一涂层包括选自氮化钛或碳氮化钛的一个或多个层，第一涂层厚度0.1-3μm,优选厚度是0.2-1.0μm；所述第二涂层为细柱状晶的TiBxCyNz层，第二涂层厚度2μm至10μm，第二涂层的优选厚度是2μm至8μm；所述第三涂层为厚度是0.1-3μm的着色顶层，第三涂层的优选厚度是0.3-1.5μm。
所述第三涂层为TiN，TiC，TiCN，ZrN或HfN涂层，采用CVD或PVD方法沉积而成，优选的是采用CVD方法沉积而成。
本发明的一种具有涂层的切削工具的制作方法，是在基底上涂覆一个层或者多个层的硬质材料涂层，硬质材料涂层中至少包括一个采用MT-CVD法制备而成的TiBxCyNz层，其制备温度为800-950℃，并且采用BCl3用作形成该层用的硼源，所述的BCl3占总气流的0.1％-3％，优选的是占总气流的0.3-2％，共中，乙腈用作碳/氮源。
所述制作方法中，使用毛刷对涂层进行后处理刷光，至少在前刀面切屑接触区的粗糙度Ra≤0.5μm。
实施例一
按照本发明所述的那样，通过CVD技术在硬质合金可转位刀片CNMG120408-GM上涂覆2层涂层，硬质合金组分为9wt％的Co、3wt％的立方碳化物(TaC+NbC)以及余量的WC，这两层厚度约为10μm，由TiN(与硬质合金相邻)和TiBCN构成。
采用MT-CVD技术制备TiBCN层，在700℃至900℃，100mbar压力下，使用由2.5at％至50at％的氢气、0.1at％至1at％的TiCl4、0.1at％至0.5at％的CH3CN，0.5at％至2at％的BCl3、以及余量的惰性气体构成的气体混合物。
通过已知的CVD方法沉积其它层。
图1和图2示出了实施例一本发明的涂层的表面及断面形貌，测得TiBCN层中硼含量为8at％。
实施例二
按照本发明所述的那样，通过CVD技术在硬质合金可转位刀片WNMG80408上涂覆4层涂层，硬质合金组分为9wt％的Co、3wt％的立方碳化物(TaC+NbC)以及余量的WC，涂层由1μmTiN及TiCN(与硬质合金相邻)、5μmTiBCN和1μmTiN构成。
采用MT-CVD技术制备TiBCN层，在700℃至900℃，50mbar压力下，使用由2.5at％至50at％的氢气、0.2at％至1at％的TiCl4、0.2at％至0.5at％的CH3CN，0.2at％至1at％的BCl3、以及余量的惰性气体构成的气体混合物。
通过已知的CVD方法沉积其它层。
图3和图4示出了实施例二本发明的涂层的表面及断面形貌，测得TiBCN层中硼含量为3at％。
迄今为止，一般认为由于CVD技术具有高沉积温度，因此无法通过CVD技术制备出纳米结构的涂层。但是通过本发明惊奇的发现，可以通过CVD技术制备纳米结构的涂层。本发明的TiBCN涂层，当硼含量高于3at％，会形成非常精细的结晶性层结构，表面晶粒尺寸可达到50nm以下,这种结晶性层结构产生非常光滑、闪亮的表面，该层优选在(311)方向上有择优取向。如实施例二，另外参见图3和图4。
在耐磨性方面，以下通过不锈钢车削，对实施例二的刀片和该应用领域有关的竞争级(现有技术)进行比较测试。
操作：外圆车削；
工件：柱形杆；
材料：304不锈钢
刀片类型：WNMG080408
切削速度：150m/分钟
进给：0.26mm/转
切削深度：2mm
注：干车削
切削6分钟、14分钟和18分钟后的磨损量VB(单位mm)测量结果示于下表1中。
表1切削6、14和18分钟后的磨损量
根据本发明的等级大大提高了耐磨性并且可以观察到更加平滑的磨损。
在合金钢的高速车削操作中，以下是测试实施例二的刀片和该应用领域有关的竞争级(现有技术)的寿命。
操作：外圆车削
工件：柱形杆
材料：4150(中碳合金钢)
刀片类型：WNMG080408
切削速度：376.8m/分钟
进给：0.25mm/转
切削深度：1.5mm
注：冷却液
实施例二的刀片与竞争级Y在上述加工条件的寿命示于下表2中
表2工具寿命
样品 工具寿命(加工工件数量)
实例2(本发明) 45个
竞争级Y(现有技术) 30个
对于这两个等级，在相同最大后刀面磨损时停止测试。相比现有技术，根据本发明的等级使用寿命大大提高
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种具有涂层的切削工具及其制作方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有涂层的切削工具，其特征在于：包括基底和涂覆在基底上的一个层或者多个层的硬质材料涂层，所述硬质材料涂层至少包括一个通过热CVD法沉积，且厚度至少为0.1μm的TiBCN层，所述的TiBCN层中硼含量为0.5at％至10at％。
2.根据权利要求1所述的具有涂层的切削工具，其特征在于：所述的TiBCN层的晶粒是＜2μm的粒状至柱状构型。
3.根据权利要求2所述的具有涂层的切削工具，其特征在于：所述的TiBCN层的晶粒是＜500nm的细柱状构型。
4.根据权利要求1或2或3所述的具有涂层的切削工具，其特征在于：所述的TiBCN层的厚度为0.1μm至15μm。
5.根据权利要求4所述的具有涂层的切削工具，其特征在于：所述的TiBCN层显微维氏硬度达到30Gpa以上。
6.一种具有涂层的切削工具，其特征在于：由至少部分涂覆有涂层的烧结碳化物、金属陶瓷或陶瓷基底构成，所述涂层总厚度1-25μm，该涂层至少包含一层TiBxCyNz层，TiBxCyNz(X＞0)层由MT-CVD工艺沉积而成；
所述的涂层由基底依次向外分布的第一涂层、第二涂层和第三涂层组成；所述第一涂层包括选自氮化钛或碳氮化钛的一个或多个层，第一涂层厚度0.1-3μm；所述第二涂层为细柱状晶的TiBxCyNz层，第二涂层厚度2μm至10μm；所述第三涂层为厚度是0.1-3μm的着色顶层。
7.根据权利要求6所述的具有涂层的切削工具，其特征在于：所述第三涂层为TiN，TiC，TiCN，ZrN或HfN涂层，采用CVD或PVD方法沉积而成。
8.一种具有涂层的切削工具的制作方法，其特征在于：是在基底上涂覆一个层或者多个层的硬质材料涂层，硬质材料涂层中至少包括一个采用MT-CVD法制备而成的TiBxCyNz层，其制备温度为800-950℃，并且采用BCl3用作形成该层用的硼源，所述的BCl3占总气流的0.1％-3％，共中，乙腈用作碳/氮源。
9.根据权利要求8所述的具有涂层的切削工具的制作方法，其特征在于：所述制作方法中，使用毛刷对涂层进行后处理刷光，至少在前刀面切屑接触区的粗糙度Ra≤0.5μm。
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