[发明专利]一种高速钢刀具可控渗氮-PVD复合涂层制备方法

说明书

本发明公开一种高性能的高速钢气体低氮势精密可控渗氮与PVD复合涂层刀具，所述的刀具基体为高速钢基体，组织为回火马氏体组织；所述的低氮势精密可控渗氮层主要由含氮不饱和的马氏体组织、合金氮化物、合金氮碳化合物和合金碳化物组成，不含有化合物层和晶界组织或脉状组织；所述的渗氮层所述的PVD涂层为常见的AlCrN、涂层。

技术领域

本发明涉及一种高性能的高速钢低氮势精密可控渗氮-PVD复合涂层，尤其涉及低氮势精密可控渗氮-PVD复合涂层刀具及其制备方法。

背景技术

随着现代制造业的快速发展，越来越多的产品需要切削、铣削、钻削等机加工。我国每年各种刀具消耗在200亿元以上，刀具性能直接影响产品的质量和刀具的寿命。目前，高速钢刀具加工过程中，刀具面临高的切削力和切削振动，刀具尖端刃口与被加工工件之间存在剧烈摩擦磨损和热冲击作用，刀具尖端刃口加工温度可达800℃以上，导致高速钢基体软化，加速刀具粘附磨损和化学磨损，显著降低产品加工质量和刀具寿命。因此，对高速钢刀具刃口出提出高的红硬性、热稳定性、韧性等性能要求。

物理气相沉积(PVD)涂层具有高的表面硬度、良好的热稳定性和耐磨性，显著提高了高速钢刀具的使用寿命，降低生产成本和保证加工产品的质量。但高速钢PVD涂层刀具加工过程中不可避免也会产生高温，导致高速钢基体软化，造成PVD涂层与基体界面应力集中，使得涂层刀具难以承受剧烈的热冲击作用，加速涂层刀具磨损。因此，需要在高速钢基体与PVD硬质涂层之间引入耐高温的中间硬化层。而渗氮层就是具前景的耐高温中间硬化层之一。

虽然公开国家发明专利(CN102352845A)“一种经复合表面改性的20CrMnTi压缩机叶片”及(ZL201410850674.0)“一种渗氮PVD复合涂层及其制备方法”。这些发明专利中的渗氮工艺属于常规的工艺，即：渗氮温度介于510℃~580℃，渗氮时间长达6h~48h，渗氮层横截面组织分为化合物层和扩散层组成，渗氮层厚度介于100μm~500μm之间。这些常规渗氮工艺难以满足高速钢刀具对渗氮工艺提出苛刻要求：首先，化合物层和含氮过饱和的扩散层组织硬度高、脆性大，且渗氮层厚，因此，高速钢刀具刃口脆性增大，韧性降低；其次，高速钢含有大量的合金元素W、Cr等合金元素，这些合金元素属于强氮元素，渗氮过程中高速钢浅表层易形成晶界组织，晶界组织为M7C3等类型合金碳化物，脆的碳化物在外界载荷冲击作用下异形成裂纹，导致渗氮层韧性和疲劳强度显著降低；再次，常规氮化工艺，常采用氨气或氮气进行辉光加热，势必对刀具进行预渗氮处理，导致高速钢刀具渗氮工艺难以控制，或者采用氩气辉光加热，高能氩离子在外界高压电场作用下，对刀具刃口起钝化作用；最后，常规渗氮工艺氮势较高，使得渗氮层中氮含量高，影响刃口韧性。基于上述原因，需要对高速钢刀具渗氮工艺、组织结构、成分和厚度进行精密控制。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种高性能的高速钢低氮势精密可控渗氮-PVD复合涂层刀具及其制备方法，具有较高的热稳定性、韧性和抗冲击能力和耐磨性。所述的低氮势精密可控渗氮层主要由含氮退火组织、合金氮化物、合金氮碳化合物物和碳化物组成，不含化合物层和晶界组织，渗氮层厚度介于7μm-20μm之间；所述的渗氮工艺中渗氮温度：350℃~450℃、炉内氮势≤0.35、氮化时间≤20min和辉光加热氩气/氢气比例介于0.2~0.33；所述PVD硬质膜层的内部组织主要为fcc-AlCrN相，还包括少量的氮化物相。

作为本发明的优选方式之一，所述的高速钢渗氮层由含氮的马氏体组织、颗粒状的合金氮化物、合金氮碳化合物和合金碳化物组成，不含化合物层和晶界组织。

作为本发明的优选方式之一，所述渗氮层的厚度为7～20μm。

作为本发明的优选方式之一，所述的渗氮温度350℃~450℃。

作为本发明的优选方式之一，所述的炉内氮势≤0.35。

作为本发明的优选方式之一，所述的氮化时间≤20min。