一種在切削刀片上制備涂層的方法
【專利摘要】一種在切削刀片上制備涂層的方法，涉及一種切削刀片。1）選擇切削刀片基體；2）在切削刀片基體上涂覆TiN層；3）涂覆TiCxNy層，其中x≥0，y≥0，x+y=1；4）沉積M1M2CxNyOz過渡層，其中x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z=1，M1為鈦、鋁、鋯、鉿、硼、硅等中的一種，M2為鈦、鋁、鋯、鉿、硼、硅等中的一種；5）沉積α-Al2O3層；6）沉積ZrN層；7）在頂部沉積TiN層；8）去除刀片前刀面外部覆蓋層。所制備的涂層是用于切削刀片的具有裝飾和指示功能的涂層，所述涂層通過CVD方法能夠相對簡單和低廉地生產(chǎn)。
【專利說明】一種在切削刀片上制備涂層的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種切削刀片，尤其是涉及一種在切削刀片上制備涂層的方法。
【背景技術】
[0002]刀片通常涂覆有耐磨涂層，主要有兩種涂覆技術:物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)。PVD涂層不僅提高了耐磨性，而且提高了韌性。與PVD涂層相比，CVD涂層顯示出較高的耐磨性，但是較差的韌性。因此，CVD涂層刀片最常用于耐磨性有高要求的操作中，而PVD涂層刀片最常用于對韌性有高要求的操作中。所述涂層旨在改進所述工具對于給定應用的切削性能和降低工具磨損。所述涂層可以起到特別的磨蝕防護的作用，而且還具有裝飾和指不的功能。
[0003]在現(xiàn)有技術中已知通常包括具有裝飾或指示功能的外部頂涂層的切削工具的涂層。
[0004]專利EP1762638公開了一種切削刀片，其包括硬質(zhì)合金基體、用于磨蝕防護的多層硬質(zhì)材料涂層以及ZrN最外層，首先借助于PVD以〈I μ m厚度施加，然后通過刷光或噴砂處理將其從前刀面和切削刃再次除去。所述外部涂層的磨料磨損指示了工具是否已經(jīng)被使用以及已經(jīng)被使用的程度。專利DE102004010285和DE10048899也公開了具有指示覆蓋層的切削工具，所述指示覆蓋層得自金棕色TiN或者得自TiC、HfC或HfN，其與在下的磨蝕防護顏色不同，并且使得可以使用裸眼區(qū)分已經(jīng)被使用過的工具和未使用過的工具。專利US5861210中，其目的例如在獲得光滑的切削刃，在前刀面將Al2O3作為頂層暴露出來，并且在間隙面保留TiN的層以用作磨損檢測層。由此獲得具有較高的抗剝落性的涂層。
[0005]將表面例如涂覆表面暴露于機械沖擊如濕噴砂或干噴砂的各種處理技術對于表面修整以及涂層的應力狀態(tài)(α )有一定影響。強烈的噴丸沖擊可降低CVD圖層中的拉應力，但是通常其代價在于，由于沿著冷卻裂紋形成小溝而喪失表面光潔度，或者甚至會導致涂層的脫層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種在切削刀片上制備涂層的方法，所制備的涂層是用于切削刀片的具有裝飾和指示功能的涂層，所述涂層通過CVD方法能夠相對簡單和低廉地生產(chǎn)。
[0007]本發(fā)明包括以下步驟:
[0008]I)選擇切削刀片基體；
[0009]2)在切削刀片基體上涂覆TiN層；
[0010]3)涂覆 TiCxNy 層，其中 X ≥ O, y ≥ O, x+y=l ；
[0011]4)沉積M1M2CxNyOz過渡層,其中x≥O, y≥O, z≥O, x+y+z=l, M1為鈦、招、錯、鉿、硼、硅等中的一種，M2為鈦、鋁、鋯、鉿、硼、硅等中的一種；
[0012]5)沉積 a -Al2O3 層；[0013]6)沉積 ZrN 層；
[0014]7)在頂部沉積TiN層；
[0015]8)去除刀片前刀面外部覆蓋層。
[0016]在步驟I)中，所述切削刀片基體可采用硬質(zhì)合金切削刀片基體。
[0017]在步驟2)中，所述涂覆TiN層的方法可采用常規(guī)CVD方法，所述涂覆TiN層的方法的工藝氣體為TiCl4、H2和N2,按質(zhì)量百分比可為TiCl4l%~2%、N225%~40%、余量為H2,所述常規(guī)CVD方法的工藝條件可為:壓力50~150mbar，溫度800~1000°C，時間40~80min ；所述TiN層的厚度可為0.1~1.0 μ m。
[0018]在步驟3)中，所述涂覆TiCxNy層的方法可采用MTCVD方法，所述涂覆TiCxNy層的方法的工藝氣體為TiCl4、H2、NjP CH3CN,按質(zhì)量百分比可為TiCl4l%~3%、CH3CN0.1%~1%、N22%~7%、余量為H2，所述MTCVD方法的工藝條件可為:壓力100~200mbar、溫度800~1000°C、時間100~400min ;所述TiCxNy層的厚度可為2~16 μ m，優(yōu)選6~13 μ m。
[0019]在步驟4)中，所述沉積的工藝氣體為TiCl4、H2、N2、CO2、AlCl3和CH3CN,按質(zhì)量百分比可為 TiCl4l% ~2%、CH3CN0.1% ~1%、CO20.5% ~2%、N22% ~7%、AlCl30.5% ~2%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件可為:壓力50~150mbar、溫度900~110CTC、時間40~80min ；所述M1M2CxNyOz過渡層的厚度可為0.01~3 μ m，優(yōu)選為0.5~1.5 μ m ;所述M1優(yōu)選鋁，M2優(yōu)選鈦。
[0020]在步驟5)中，所述沉積的工藝氣體為A1C13、H2S、HC1、H2、C02和CO，按質(zhì)量百分比可為 C00.1% ~1%、CO20.5% ~2%、A1C131% ~5%、HC11% ~5%, H2S0.1% ~1%、余量為 H2 ;所述沉積的工藝條件可為:壓力50~150mbar、溫度900~110CTC、時間300~520min ;所述a -Al2O3層的厚度可為I~13 μ m,優(yōu)選3~9 μ m。
[0021]在步驟6)中，所述沉積的工藝氣體為N2、ZrCl4和H2，按質(zhì)量百分比可為N23%~8%,ZrCl40.5%~3%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件可為:壓力100~300mbar、溫度900~1100。。、時間 50 ~150min。
[0022]在步驟7)中， 所述沉積的工藝氣體為N2、ZrCl4和H2，按質(zhì)量百分比可為N23%~8%,ZrCl40.5%~3%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件可為:壓力100~300mbar、溫度900~1100°C、時間50~150min ;所述TiN層的厚度可為0.5~2 μ m。
[0023]在步驟8)中，所述去除刀片前刀面外部覆蓋層可通過機械磨蝕工藝或刷光去除刀片前刀面覆蓋層；所述機械磨蝕工藝可采用微粒噴砂劑的噴砂處理，包括濕噴砂或干噴砂，所述噴砂劑可采用氧化鋁微粒等；所述外部覆蓋層具有第一組合層以及布置于第一組合層上的第二組合層，一般只除去第二組合層，剩余第一組合層作為裝飾或指示作用。
[0024]本發(fā)明所制備的涂層是用于切削刀片的具有裝飾和指示功能的涂層，所述涂層通過CVD方法能夠相對簡單和低廉地生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明實施例所制備的切削刀片涂層截面不意圖。在圖1中，將后刀面涂層及前刀面涂層放置在一起比較，并且該圖被極大地不成比例放大。涂層10被施加到切削刀片的后刀面上，涂層20被施加到切削刀片的前刀面上。【具體實施方式】
[0026]以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0027]參見圖1，根據(jù)本發(fā)明，所述目的通過如下用于切削刀片的涂層實現(xiàn)，所述涂層包括多個互相疊置的層，特征在于所述切削刀片的后刀面涂層10與前刀面涂層20具有不同的外部頂涂層，后刀面外部頂涂層I具有第一組合層3和布置在所述第一組合層3上的第二組合層2，前刀面外部頂涂層只有第一組合層3，所述第一組合層部分3得自鈦、鋁、鋯、鉿、硼或硅等其中一種化合物，和所述第二組合層部分2得自鈦、鋯、鉿、硼或硅等其中一種化合物，所述的外部涂層之下的涂層11優(yōu)選a-Al2O3層，所述的外部涂層之下的涂層12優(yōu)選 TiCxNy 層，其中 X ≥ O, y ≥ O, x+y=l。
[0028]步驟一:切削刀片涂層的制備方法。
[0029]涂層制備實施例一
[0030]I)選擇切削刀片基體，所述切削刀片基體可采用硬質(zhì)合金； [0031]2)在切削刀片基體上涂覆TiN層；所述涂覆TiN層的方法采用常規(guī)CVD方法，所述方法的工藝氣體為TiCl4、H2和N2，按質(zhì)量百分比為TiCl4L 5%、N238%、余量為H2，所述常規(guī)CVD方法的工藝條件為:壓力lOOmbar，溫度940°C，時間60min ;所述TiN層的厚度為
0.6 μ rn。
[0032]3)涂覆TiCxNy層，其中X≥0，y≥0,x+y=l ;所述涂覆TiCxNy層的方法采用MTCVD方法，所述方法的工藝氣體為TiCl4、H2、N2和CH3CN,按質(zhì)量百分比為TiCl4L 5%,CH3CN0.5%、N25%、余量為H2，所述MTCVD方法的工藝條件為:壓力150mbar、溫度900°C、時間300min ;所述TiCxNy層的厚度為10 μ m。
[0033]4)沉積 M1M2CxNyOz 過渡層，其中 x ^ O, y ^ O, z ^ O, x+y+z=l, M1 和 M2 為鈦、鋁、鋯、鉿、硼或硅等中的一種，M1優(yōu)選為鋁，M2優(yōu)選為鈦；所述沉積的工藝氣體為TiCl4、H2、N2、CO2,AlCl3 和 CH3CN,按質(zhì)量百分比為 TiCl4L 5%,CH3CN0.5%、C021%、N25%、A1C131%、余量為 H2 ；所述沉積的工藝條件為:壓力lOOmbar、溫度1000°C、時間62min ;所述M1M2CxNyOz過渡層的厚度為0.6 μ m。
[0034]5)沉積a -Al2O3層；所述沉積的工藝氣體為A1C13、H2S、HCl、H2、CO2和CO，按質(zhì)量百分比為C00.5%, CO2L 2%、A1C133%、HC13%、H2S0.2%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件為:壓力90mbar、溫度1000。。、時間420min ;所述a -Al2O3層的厚度為8 μ m。
[0035]6)沉積ZrN層；所述沉積的工藝氣體為N2、ZrCl4和H2,按質(zhì)量百分比為N25%、ZrCl4L 5%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件為:壓力200mbar、溫度1000°C、時間IOOmin ;所述ZrN層的厚度為1.5 μ m。
[0036]7)在頂部沉積TiN層，所述沉積的工藝氣體為N2、TiCl4和H2，按質(zhì)量百分比為N25%、TiCl4L 5%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件為:壓力200mbar、溫度1000°C、時間IOOmin ;所述TiN層的厚度為1.5 μ m。
[0037]涂層制備實施例二
[0038]I)選擇切削刀片基體，所述切削刀片基體可采用硬質(zhì)合金；
[0039]2)在切削刀片基體上涂覆TiN層；所述涂覆TiN層的方法采用常規(guī)CVD方法，所述方法的工藝氣體為TiCl4、H2和N2,按質(zhì)量百分比為TiCl4L 0%、N226%、余量為H2，所述常規(guī)CVD方法的工藝條件為:壓力60mbar，溫度850°C，時間45min ;所述TiN層的厚度為0.3 μ m。[0040]3)涂覆TiCxNy層，其中X≥0，y≥0,x+y=l ;所述涂覆TiCxNy層的方法采用MTCVD方法，所述方法的工藝氣體為TiCl4、H2、N2和CH3CN,按質(zhì)量百分比為TiCl4L 0%,CH3CN0.2%、N22%、余量為H2，所述MTCVD方法的工藝條件為:壓力lOOmbar、溫度850°C、時間150min ;所述TiCxNy層的厚度為6 μ m。
[0041]4)沉積 M1M2CxNyOz 過渡層，其中 x ^ O, y ^ O, z ^ O, x+y+z=l, M1 和 M2 為鈦、鋁、鋯、鉿、硼或硅等中的一種，M1優(yōu)選為鋁，M2優(yōu)選為鈦；所述沉積的工藝氣體為TiCl4、H2、N2、CO2, AlCl3 和 CH3CN,按質(zhì)量百分比為 TiCl4l%、CH3CN0.3%、CO21%, N25%、A1C131%、余量為 H2 ；所述沉積的工藝條件為:壓力lOOmbar、溫度1000°C、時間50min ;所述M1M2CxNyOz過渡層的厚度為0.4μ m。
[0042]5)沉積a -Al2O3層；所述沉積的工藝氣體為A1C13、H2S、HCl、H2、CO2和CO，按質(zhì)量百分比為CO0.2%, CO20.8%、A1C131%、HC12%、H2S0.2%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件為:壓力60mbar、溫度1000。。、時間350min ;所述Ct-Al2O3層的厚度為5 μ m。
[0043]6)沉積ZrN層；所述沉積的工藝氣體為N2、ZrCl4和H2,按質(zhì)量百分比為N24%、ZrCl4L 0%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件為:壓力200mbar、溫度1000°C、時間80min ;所述ZrN層的厚度為1.0 μ m。
[0044]7)在頂部沉積TiN層，所述沉積的工藝氣體為N2、TiCl4和H2，按質(zhì)量百分比為N24%、TiCl4L 0%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件為:壓力200mbar、溫度1000°C、時間800min ;所述TiN層的厚度為LOym0
[0045]涂層制備實施 例三
[0046]I)選擇切削刀片基體，所述切削刀片基體可采用硬質(zhì)合金；
[0047]2)在切削刀片基體上涂覆TiN層；所述涂覆TiN層的方法采用常規(guī)CVD方法，所述方法的工藝氣體為TiCl4、H2和N2，按質(zhì)量百分比為TiCl42.0%、N238%、余量為H2，所述常規(guī)CVD方法的工藝條件為:壓力150mbar，溫度1000°C，時間70min ;所述TiN層的厚度為
0.9 μ m0
[0048]3)涂覆TiCxNy層，其中X≥0，y≥0,x+y=l ;所述涂覆TiCxNy層的方法采用MTCVD方法，所述方法的工藝氣體為TiCl4、H2、N2和CH3CN,按質(zhì)量百分比為TiCl43.0%,CH3CNl.0%、N27%、余量為H2，所述MTCVD方法的工藝條件為:壓力200mbar、溫度1000°C、時間350min ;所述TiCxNy層的厚度為14 μ m。
[0049]4)沉積 M1M2CxNyOz 過渡層，其中 x ^ O, y ^ O, z ^ O, x+y+z=l, M1 和 M2 為鈦、鋁、鋯、鉿、硼或硅等中的一種，M1優(yōu)選為鋁，M2優(yōu)選為鈦；所述沉積的工藝氣體為TiCl4、H2、N2、CO2, AlCl3 和 CH3CN,按質(zhì)量百分比為 TiCl4l%、CH3CN0.3%、CO21%, N25%、A1C131%、余量為 H2 ；所述沉積的工藝條件為:壓力lOOmbar、溫度1000°C、時間62min ;所述M1M2CxNyOz過渡層的厚度為0.6 μ m。
[0050]5)沉積a -Al2O3層；所述沉積的工藝氣體為A1C13、H2S、HCl、H2、CO2和CO，按質(zhì)量百分比為C01.0%、C021.8%、A1C131%、HC14.0%, H2S0.5%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件為:壓力140mbar、溫度1100。。、時間500min ;所述a-Al2O3層的厚度為IOym0
[0051]6)沉積ZrN層；所述沉積的工藝氣體為N2、ZrCl4和H2,按質(zhì)量百分比為Ν28%、ZrCl43.0%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件為:壓力300mbar、溫度1100°C、時間150min ;所述ZrN層的厚度為2 μ m。[0052]7)在頂部沉積TiN層，所述沉積的工藝氣體為N2、TiCl4和H2，按質(zhì)量百分比為N25%、TiCl4L 5%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件為:壓力200mbar、溫度1000°C、時間IOOmin ;所述TiN層的厚度為1.5 μ m。
[0053]步驟二:涂層刀片前刀面覆蓋層的去除方法。
[0054]來自步驟一的實施例一的涂層刀片在不同的條件下用前述濕噴砂方法進行后處理。使用350目的Al2O3砂粒，在不同的噴砂壓力即1.5、1.8、2.0和2.2bar下噴砂來后處理所述的涂層刀片。
[0055]用金相顯微鏡研究切削刀片以發(fā)現(xiàn)前刀面表面上的任何TiN殘余物，并進一步用掃描電子顯微鏡來檢測ZrN殘余物。
[0056]表1
[0057]
【權利要求】
1.一種在切削刀片上制備涂層的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)選擇切削刀片基體； 2)在切削刀片基體上涂覆TiN層； 3)涂覆TiCxNy層，其中X≥O,y≥O, x+y=l ； 4)沉積M1M2CxNyOz過渡層，其中X≥0，y≥0，z≥0，x+y+z=l,M1為鈦、鋁、鋯、鉿、硼、娃中的一種，M2為鈦、招、錯、鉿、硼、娃中的一種； 5)沉積a -Al2O3 層； 6)沉積ZrN層； 7)在頂部沉積TiN層； 8)去除刀片前刀面外部覆蓋層。
2.如權利要求1所述一種在切削刀片上制備涂層的方法，其特征在于在步驟I)中，所述切削刀片基體采用硬質(zhì)合金切削刀片基體。
3.如權利要求1所述一種在切削刀片上制備涂層的方法，其特征在于在步驟2)中，所述涂覆TiN層的方法采用CVD方法，所述涂覆TiN層的方法的工藝氣體為TiCl4、H2和N2,按質(zhì)量百分比為TiCl4l%~2%、N225%~40%、余量為H2，所述CVD方法的工藝條件可為:壓力50~150mbar，溫度800~1000°C，時間40~80min ;所述TiN層的厚度可為0.1~1.0 μ m。
4.如權利要求1所述一種在切削刀片上制備涂層的方法，其特征在于在步驟3)中，所述涂覆TiCxNy層的方法采用MTCVD方法，所述涂覆TiCxNy層的方法的工藝氣體為TiCl4、H2, N2和CH3CN,按質(zhì)量百分比為TiCl4l%~3%, CH3CN0.1%~1%、N22%~7%、余量為H2，所述MTCVD方法的工藝條件可為:壓力100~200mbar、溫度800~1000°C、時間100~400min ；所述TiCxNy層的厚度可為2~16 μ m，優(yōu)選6~13 μ m。
5.如權利要求1所述一種在切削刀片上制備涂層的方法，其特征在于在步驟4)中，所述沉積的工藝氣體為TiCl4、H2, N2, CO2, AlCl3和CH3CN,按質(zhì)量百分比為TiCl4l%~2%、CH3CN0.1%~1%、CO20.5%~2%、N22%~7%、AlCl30.5%~2%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件可為:壓力50~150mbar、溫度900~1100。。、時間40~80min ;所述M1M2CxNyOz過渡層的厚度可為0.01~3 μ m，優(yōu)選為0.5~1.5 μ m ;所述M1優(yōu)選鋁，M2優(yōu)選鈦。
6.如權利要求1所述一種在切削刀片上制備涂層的方法，其特征在于在步驟5)中，所述沉積的工藝氣體為么1(:13、45、!1(:1、!12、0)2和CO，按質(zhì)量百分比為C00.1%~1%、C020.5%~2%、A1C131%~5%、HCl 1%~5%、H2S0.1%~1%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件可為:壓力50~150mbar、溫度900~1100°C、時間300~520min ;所述a -Al2O3層的厚度可為I~13 μ m,優(yōu)選 3 ~9 μ rn。
7.如權利要求1所述一種在切削刀片上制備涂層的方法，其特征在于在步驟6)中，所述沉積的工藝氣體為N2、ZrCl4和H2,按質(zhì)量百分比為N23%~8%、ZrCl40.5%~3%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件可為:壓力100~300mbar、溫度900~110CTC、時間50~150min。
8.如權利要求1所述一種在切削刀片上制備涂層的方法，其特征在于在步驟7)中，所述沉積的工藝氣體為N2、ZrCl4和H2,按質(zhì)量百分比為N23%~8%、ZrCl40.5%~3%、余量為H2 ;所述沉積的工藝條件可為:壓力100~300mbar、溫度900~110CTC、時間50~150min ；所述TiN層的厚度可為0.5~2 μ m。
9.如權利要求1所述一種在切削刀片上制備涂層的方法，其特征在于在步驟8)中，所述去除刀片前刀面外部覆蓋層是通過機械磨蝕工藝或刷光去除刀片前刀面覆蓋層；所述機械磨蝕工藝可采用微粒噴砂劑的噴砂處理，包括濕噴砂或干噴砂，所述噴砂劑可采用氧化鋁微粒。
10.如權利要求1所述一種在切削刀片上制備涂層的方法，其特征在于在步驟8)中，所 述外部覆蓋層具有第一組合層以及布置于第一組合層上的第二組合層，一般只除去第二組合層，剩余第一組合層作為裝飾或指示作用。
【文檔編號】C23C16/30GK103668105SQ201310751172
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權日:2013年12月31日
【發(fā)明者】盧志紅, 陳亞奮, 陳藝聰, 張守全 申請人:廈門金鷺特種合金有限公司