[发明专利]一种具有PVD涂层的钛合金切削刀具材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有PVD涂层的钛合金切削刀具材料及其制备方法，采用物理气相沉积PVD中的阴极电弧蒸镀工艺制备多元涂层，包括：对试样刀具进行抛光清洗；制备TiN粘结底层；制备TiCNO及TiCN多元涂层；制备保护涂层，可为TiAlZr/TiAlZrCr涂层，TiAlZr/CrN涂层，TiAlZr/ZrN涂层，TiAl/CrN涂层或TiAl/TiAlCr涂层。本发明中将多种合金元素加入到刀具涂层中，形成多元涂层体系，提高了涂层的硬度，改善了涂层的耐磨性和韧性，降低了与钛合金的粘结倾向和摩擦系数。同时，刀具具有抗机械冲击和良好的热稳定性，综合性能好，有效延长了钛合金切削刀具的使用寿命。

技术领域

本发明涉及金属切削材料研究领域，特别涉及一种具有PVD涂层的钛合金切削刀具材料及其制备方法。

背景技术

随着机械制造技术的发展，国外制造业已开始大量采用高切削速度、高进给速度和高结构刚性的新型数控机床，例如大批量生产的汽车及飞机工业领域。而这些高性能的机床对于刀具的材料、涂层工艺及刀具结构提出了新的要求。

目前，硬质合金涂层技术主要分为物理气相沉积技术(PVD)与化学气相沉积(CVD)，通过CVD或PVD工艺将单层或多层的由硬质材料制成的耐磨保护性涂层施加至所述主体上。PVD工艺包括磁控溅射、电弧气相沉积(电弧PVD)、离子镀、电子束气相沉积和激光烧蚀。然而，采用PVD制备工艺的产品硬度较由CVD制备工艺的产品低，涂层膜基结合力也较低。此外，切削工具的涂层的性能和其保护性涂层设计相关，目前，高速切削刀具的涂层材料中，应用最广泛的涂层为TiN。据不完全统计，TiN涂层在高速钢刀具上的使用率为50％～70％，而在复杂刀具上的使用率则已超过90％。然而，TiN涂层耐氧化性能差，当使用温度超过500℃时，涂层表面将明显氧化而被烧损；同时TiN涂层硬度较低，无法适应切削高速化对刀具涂层的高要求。TiC涂层刀具具有较好的化学稳定性和抗氧化磨损性。涂层与基体的结合强度高，抗粘、耐用度较高，切削时对刀具的磨损小。然而，TiC涂层与基体之间会产生脱碳层即脆性相，此脱碳层会随着涂层厚度增大而增厚，导致刀片抗弯强度降低，脆性增加，切削时容易崩刀。Al₂O₃涂层具有良好的热稳定性和化学性质，机械强度高。然而，由于Al₂O₃与硬质合金基体的物理、化学性能相差太大，单一的Al₂O₃涂层无法满足高性能、高切削速度刀具对于涂层的要求。

TiCN涂层兼具TiC涂层与TiN涂层的优点，具有TiN的附着强度及TiC的耐磨性，硬度比TiN高，且摩擦系数小，对于黏结性有一定的抑制作用。随着切削速率的提高，在切削过程中刀具表面局部可能会产生大量的热，涂层刀具氧化、硬度下降，瞬时磨损失效等现象严重。且连续高速切削时，刀具长时间暴露于高温条件下，组织和显微结构发生改变，使得性能降低。

此外，在刀具切削领域，钛合金是一种很难切削的金属材料。这是由于钛合金化学活性较高、切削温度高、单位面积切削力大导致钛合金与刀具之间产生咬焊，粘结、扩散和氧化磨损严重。因此，如何设计并制备一种综合性能好并能够高效的实现钛合金切削的涂层刀具，愈渐成为切削刀具领域所迫切需要解决的课题。

专利ZL200510071119.2公开了一种切割工具涂层及其制造方法，该专利公开了一种TiAlCN非金属元素线性变化梯度涂层的制作方法，是采用PVD方法进行涂层处理，该涂层处理过程被分成连续的四个时间段，是在第二个时间段内，同时向炉腔内通入氩气、氮气、乙炔气体，其中氩气Ar流量保持不变，氮气的流量匀速下降或上升，乙炔气体的流量则匀速上升或下降；从而形成一个非金属元素线性变化的TiAlCN梯度层。该专利中的制作方法复杂，需要在反应过程对氩气、氮气、乙炔气体的流量随时保持监测，并相应进行调节，而由于速率变化及气体反应消耗的不确定，容易导致炉内气体分压和比例不均匀，引起气压不足，进而导致生产的刀具材料性能不佳。