一種具有增強(qiáng)耐磨性和韌性的納米柱狀晶的刀具涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有增強(qiáng)耐磨性和韌性的納米柱狀晶刀具涂層，通過優(yōu)化晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)來顯著提高耐磨性及抗沖擊性能。該改進(jìn)的涂層包括納米柱狀晶，通過采用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(jié)構(gòu)。優(yōu)選的柱狀晶粒尺寸為50-150nm，長寬比大于10。本發(fā)明既克服了MT-TiCN涂層柱狀晶粒比較粗大時其耐磨性及抗沖擊性不足的弊端，又克服了細(xì)小的MT-TiCN涂層容易形成等軸晶造成耐磨性下降的弊端。本發(fā)明的切削刀具涂層韌性優(yōu)秀、耐磨性好，在鋼、鑄鐵、不銹鋼等材料的切削加工上具有優(yōu)異的切削性能。
【專利說明】一種具有增強(qiáng)耐磨性和韌性的納米柱狀晶的刀具涂層

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及包含涂覆有MT-TiCN納米柱狀晶涂層主體的切削工具，特別是涉及一 種具有增強(qiáng)耐磨性和韌性的納米柱狀晶的刀具涂層。

【背景技術(shù)】
[0002] 在切削工具表面涂覆涂層是提高切削工具性能的重要途徑之一，涂層刀具具有表 面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦系數(shù)小和熱傳導(dǎo)率低等特點(diǎn)，切削時 可比未涂層刀具提高壽命5?10倍以上。切削工具的表面涂層技術(shù)作為市場需求發(fā)展起 來的一項優(yōu)質(zhì)表面改性技術(shù)，由于該項技術(shù)可使切削工具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)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(jī)械加工效率，因此該項技術(shù)成 為切削工具制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] MT-TiCN涂層作為CVD涂層的重要功能層之一，通常是由其晶粒長度接近涂層厚 度的柱狀晶粒構(gòu)成。該涂層是在單一的TiC晶格中，N原子占據(jù)原來C原子在點(diǎn)陣中的位 置而形成的復(fù)雜化合物。由于MT-TiCN涂層具有TiC和TiN的綜合性能，同時可以在涂覆 過程中可通過改變C、N的成分控制MT-TiCN涂層性質(zhì)，因此是一種較理想的刀具涂層材料。 但是采用傳統(tǒng)工藝TiCl 4-CH3CN-N2-H2系統(tǒng)沉積制得的MT-TiCN涂層存在有大柱狀晶粒，刀 具的耐磨性及抗沖擊性受到了一定的影響。
[0004] 細(xì)晶纖維狀結(jié)構(gòu)MT-TiCN涂層裂紋少，降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高涂層韌性，阻止裂 紋的擴(kuò)展，減少刀片崩刃。同時由于晶粒比較細(xì)，耐磨性能更加優(yōu)異。在切削時即使受到反 復(fù)的機(jī)械沖擊及熱沖擊，涂層也不容易產(chǎn)生剝離或破壞，從而改善了刀具在連續(xù)切削條件 下的抗崩刃性能，這對加工不銹鋼，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(shù)（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(jù)材料學(xué)原理，晶粒越細(xì)小，綜合力學(xué)性能越好。細(xì)晶粒組織比較均勻，晶界比 較多，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，所以強(qiáng)度、硬度比較高，而在塑性變形時，由于組織比較均勻， 不會在局部產(chǎn)生過量變形而破壞結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較好的塑性和韌性。所以能否開發(fā)出均勻細(xì) 小的MT-TiCN柱狀晶涂層在刀具化學(xué)涂層工藝開發(fā)中起著重要的作用。
[0007] US20020012818中披露了采用C0摻雜來實現(xiàn)納米晶粒MT-TiCN涂層。US6472060 中公開了一種采用較高流量的C0 (優(yōu)選大約為7-9% )摻雜來實現(xiàn)耐磨晶粒的MT-TiCN涂 層。但是，C0摻雜的納米晶粒MT-TiCN涂層為等軸晶，韌性提高，耐磨性下降。Ruppi等 人在Thin Solid Film402(2002)203已經(jīng)確認(rèn)，在將涂層的晶粒降低至納米晶粒區(qū)域以下 (20-50nm)將降低月牙洼的耐磨性。這些納米晶粒涂層更硬，但是存在晶界滑動，從而導(dǎo)致 在更高溫度下出現(xiàn)塑性變形。CN200410036997. 2中公開了一種通過采用CO、C02、ZrCl4和 A1C13或這些組合進(jìn)行摻雜獲得MT-TiCN納米柱狀晶涂層。
[0008] 從上面可以看出，MT-TiCN柱狀晶涂層一種較理想的刀具涂層材料，但是傳統(tǒng)工藝 制得的涂層晶粒比較粗大。目前公開的超細(xì)MT-TiCN柱狀晶涂層大都通過不同元素的摻雜 獲得，而且細(xì)小的MT-TiCN涂層容易形成等軸晶。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種具有增強(qiáng)耐磨性和韌性的納米 柱狀晶的刀具涂層，通過對MT-TiCN涂層的工藝改進(jìn)，既克服了 MT-TiCN涂層柱狀晶粒比較 粗大時其耐磨性及抗沖擊性不足的弊端，又克服了細(xì)小的MT-TiCN涂層容易形成等軸晶造 成耐磨性下降的弊端。
[0010] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種具有增強(qiáng)耐磨性和韌性的納米 柱狀晶刀具涂層，包括采用化學(xué)氣相沉積方式沉積在刀片基體上的一層或多層的涂層；所 述涂層中至少含有一層MT-TiCN層；所述MT-TiCN層具有均勻超細(xì)晶粒的柱狀晶粒，柱狀晶 粒直徑尺寸為50?200nm，長寬比大于10,優(yōu)選的是大于20, MT-TiCN層的厚度尺寸為1? 20 μ m，且該MT-TiCN層是在反應(yīng)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(yōu)選為80?150nm。
[0012] 所述MT-TiCN層的厚度尺寸優(yōu)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(yōu)選的是三種或三種以上氣體組合。
[0014] 所述碳氮源氣體為，占混合氣體的體積1 %?20%的N2、占混合氣體的體積 0. 2 %?5 %的CH3CN、占混合氣體的體積0 %?6 %的C2H4、占混合氣體的體積0 %?10 %的 CH4、占混合氣體的體積0%?6%的C2H6。
[0015] 所述的MT-TiCN層是在反應(yīng)室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，并且在溫度為 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(yīng)室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，并且在溫度優(yōu) 選為850?930°C，壓力優(yōu)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(shù)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(yōu)選為0· 5 μ m?1 μ m，沉積溫度優(yōu)選為890-915°C。
[0019] 所述涂層中還包括在所述MT-TiCN層上面涂覆的A1203、HT-TiCN、TiN、TiO、ZrCN 的單一層或多層組合的復(fù)合層，所增加的涂層總厚度為1?20 μ m。
[0020] 本發(fā)明的一種具有增強(qiáng)耐磨性和韌性的納米柱狀晶的刀具涂層，通過優(yōu)化晶粒尺 寸和微觀結(jié)構(gòu)來顯著提高現(xiàn)有技術(shù)的MT-TiCN涂層的耐磨性及抗沖擊性能。該改進(jìn)的涂層 由納米柱狀晶構(gòu)成?？梢酝ㄟ^采用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(jié)構(gòu)。 優(yōu)選的柱狀晶粒尺寸應(yīng)該在其晶粒寬度為50?150nm的區(qū)域中，長寬比應(yīng)該大于10,優(yōu)選 大于20。本發(fā)明的切削刀具涂層韌性優(yōu)秀、耐磨性好，在鋼、鑄鐵、不銹鋼等材料的切削加工 上具有優(yōu)異的切削性能。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果是：
[0022] 本發(fā)明沒有像現(xiàn)有技術(shù)一樣通過采用通過其他元素組合摻雜（CO、C02、ZrCl 4和 A1C13)來獲得MT-TiCN納米柱狀晶涂層，而是通過調(diào)節(jié)MT-TiCN涂層中的碳氮源比例及組 合（CH 4, C2H6, C2H4, C2H2、N2, CH3CN)，來控制MT-TiCN涂層對晶粒尺寸、形狀及成分性質(zhì)的影 響，這不僅進(jìn)一步提高了 MT-TiCN涂層的均勻性、硬度、耐磨損性能及韌性，而且避免了因 晶粒尺寸過小出現(xiàn)的一種反向的Hall-Petch現(xiàn)象，導(dǎo)致的硬度和耐磨損性能的下降。
[0023] 本發(fā)明的MT-TiCN涂層在TiN涂層生長，通過對底層TiN工藝參數(shù)及膜厚的有效 控制，為MT-TiCN涂層提供了良好的成核條件，避免MT-TiCN涂層晶粒的粗大和異常長大， 從而得到細(xì)小均勻的MT-TiCN涂層。
[0024] 本發(fā)明的涂層為切削刀具的主要功能層之一，所設(shè)計的具有超細(xì)柱狀晶MT-TiCN 涂層，MT-TiCN涂層由具有均勻細(xì)晶粒的柱狀晶粒組成，晶粒直徑為50?200nm，優(yōu)選為 80?150nm ;MT-TiCN涂層厚度為1?15 μ m，優(yōu)選3?10 μ m ;通過改善后的超細(xì)柱狀晶 MT-TiCN涂層與其它涂層相配合，這使得本發(fā)明的切削刀具具有非常優(yōu)異的耐磨性能和抗 沖擊性能。
[0025] 以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明；但本發(fā)明的一種具有增強(qiáng)耐 磨性和韌性的納米柱狀晶的刀具涂層不局限于實施例。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明超細(xì)柱狀晶MT-TiCN涂層的表面電鏡照片；
[0027] 圖2是含有本發(fā)明超細(xì)柱狀晶MT-TiCN的涂層a斷面電鏡照片；
[0028] 圖3是現(xiàn)有技術(shù)MT-TiCN涂層的表面電鏡照片；
[0029] 圖4是含有現(xiàn)有技術(shù)MT-TiCN的涂層b斷面電鏡照片。

【具體實施方式】
[0030] 實施例
[0031] 本發(fā)明的一種具有增強(qiáng)耐磨性和韌性的納米柱狀晶刀具涂層，包括采用化學(xué)氣相 沉積方式沉積在刀片基體上的一層或多層的涂層；所述涂層中至少含有一層MT-TiCN層； 所述MT-TiCN層具有均勻超細(xì)晶粒的柱狀晶粒，柱狀晶粒直徑尺寸為50?200nm，長寬比 大于10,優(yōu)選的是大于20, MT-TiCN層的厚度尺寸為1?20 μ m，且該MT-TiCN層是在反應(yīng) 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(yōu)選為80?150nm。
[0033] 所述MT-TiCN層的厚度尺寸優(yōu)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(yōu)選的是三種或三種以上氣體組合。
[0035] 所述碳氮源氣體為，占混合氣體的體積1 %?20%的N2、占混合氣體的體積 0. 2 %?5 %的CH3CN、占混合氣體的體積0 %?6 %的C2H4、占混合氣體的體積0 %?10 %的 CH4、占混合氣體的體積0%?6%的C2H6。
[0036] 所述的MT-TiCN層是在反應(yīng)室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，并且在溫度為 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(yīng)室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，并且在溫度優(yōu) 選為850?930°C，壓力優(yōu)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(shù)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(yōu)選為0. 5 μ m?1 μ m，沉積溫度優(yōu)選為890-915°C。
[0040] 所述涂層中還包括在所述MT-TiCN層上面涂覆的A1203、HT-TiCN、TiN、TiO、ZrCN 的單一層或多層組合的復(fù)合層，所增加的涂層總厚度為1?20 μ m。
[0041] 以下通過具體的實例及實驗比較，來說明本發(fā)明的抗沖擊性和耐磨性。
[0042] 在保持柱狀晶結(jié)構(gòu)的同時降低MT-TiCN涂層晶粒尺寸，在鋼材和鑄鐵中比現(xiàn)有技 術(shù)MT-TiCN涂層在耐磨性方面和韌性上得到明顯的提高。根據(jù)本發(fā)明的涂層與TiN、A1 203 涂層結(jié)合可以定制各種不同用途的刀具涂層。采用現(xiàn)代CVD反應(yīng)器在800-920°C以受控的 方式進(jìn)行該工藝。
[0043] 具體實例：組分為6% (質(zhì)量百分比）Co,余量為WC的硬質(zhì)合金切削刀片，其表面 涂覆有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(xì)的MT-TiCN層即a層工藝參數(shù)如表1所示。
[0044] 表 1
[0045]

【權(quán)利要求】
1. 一種具有增強(qiáng)耐磨性和韌性的納米柱狀晶刀具涂層，包括采用化學(xué)氣相沉積方式沉 積在刀片基體上的一層或多層的涂層；所述涂層中至少含有一層MT-TiCN層；其特征在于： 所述MT-TiCN層具有均勻超細(xì)晶粒的柱狀晶粒，柱狀晶粒直徑尺寸為50?200nm，長寬比大 于10，MT-TiCN層的厚度尺寸為1?20 μ m，且該MT-TiCN層是在反應(yīng)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(jù)權(quán)利要求1所述的納米柱狀晶刀具涂層，其特征在于：所述柱狀晶粒直徑尺寸 為 80 ?150nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米柱狀晶刀具涂層，其特征在于：所述MT-TiCN層的厚度 尺寸為3?10 μ m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米柱狀晶刀具涂層，其特征在于：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(jù)權(quán)利要求4所述的納米柱狀晶刀具涂層，其特征在于：所述碳氮源氣體為，占混 合氣體的體積1 %?20 %的N2、占混合氣體的體積0. 2 %?5 %的CH3CN、占混合氣體的體積 0 %?6 %的C2H4、占混合氣體的體積0 %?10 %的CH4、占混合氣體的體積0 %?6 %的C2H6。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米柱狀晶刀具涂層，其特征在于：所述的MT-TiCN層是 在反應(yīng)室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，并且在溫度為800?950°C，壓力為50? 500mbar的條件下沉積而成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米柱狀晶刀具涂層，其特征在于：所述的MT-TiCN層是 在反應(yīng)室中通入含有碳氮源氣體的混合氣體，并且在溫度為850?930°C，壓力為60? 150mbar的條件下沉積而成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米柱狀晶刀具涂層，其特征在于：所述MT-TiCN層是在TiN 層上方生長，通過對TiN層的TiN工藝參數(shù)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(jù)權(quán)利要求8所述的納米柱狀晶刀具涂層，其特征在于：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(jù)權(quán)利要求1所述的納米柱狀晶刀具涂層，其特征在于：所述涂層中還包括在所 述MT-TiCN層上面涂覆的Al20 3、HT-TiCN、TiN、TiO、ZrCN的單一層或多層組合的復(fù)合層，所 增加的涂層總厚度為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(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】鄭清平, 陳藝聰, 吳學(xué)林, 盧志紅, 張守全 申請人:廈門金鷺特種合金有限公司