表面改性涂层切削刀片及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属切削加工领域，尤其涉及一种表面改性涂层切削刀片及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 现代CVD(化学气相沉积）涂层切削刀片的表面一般均含有两个主要的耐磨层 MT-TiCN涂层W及A12化涂层，W提供涂层切削刀片足够的抗后刀面磨损及抗月牙注磨损， 同时保证一定的耐热性能。而CVD涂层切削刀片在钢材就削应用中，特别是就削加工不镑 钢一类粘性大的工件材料时，刀片刃口受到断续冲击，切削温度持续变化，W及粘性切屑材 料在刀片表面粘附，容易发生刀片崩刃W及表面涂层的剥落的现象。
[000引众所周知，相对于AI2O3组合应用的MT-TiCN涂层来说，AI2O3涂层具有极好的热 稳定性，但是脆性较大，当应用于高速断续切削时，刃口要承受极短周期下的重复热冲击作 用，极易发生崩刃，A12化涂层强度不足的因素缩短了涂层刀片的使用寿命。
[0004] 同时，MT-TiCN涂层作为抗后刀面磨损的耐磨层，在与Alz化涂层的组合应用中，具 有较好的强度，并且能够与基体及Al2〇3涂层安全有效地粘附。但是MT-TiCN涂层与Al2〇3 涂层耐热性能的明显差异，也导致涂层刀片在高速断续切削过程中极易发生热塑性变形， 并伴随大量热的作用而造成后刀面不均匀磨损，从而对切削刀尖失去有效支撑，最终造成 崩刃。因此，提高MT-TiCN涂层的抗氧化性能，能有效延缓涂层刀片切削刃口的后刀面磨损 过程，提高涂层切削刀片的耐崩刃性能。
[0005] 针对Al2〇3涂层脆性较大的问题，韩国专利文献KR20120040163 (A)采用降低Al2〇3 涂层的沉积温度，降温幅度达到20 %~38%;并与MT-TiCN层或PVD (或PCVD)初性基底层 组合，从而达到提高涂层初性的目的。美国专利文献US5698314、US6139921、US5516588公 开了一种采用PVD及PCVD方法在低温条件下沉积纳米晶Al2〇3涂层。W上技术由于沉积过 程中大幅度降低温度，不仅会导致Al2〇3涂层与底层组合涂层的结合强度下降，而且在沉积 工艺过程中使得Al2〇3涂层的沉积速率下降趋势更加明显，送些因素均不利于生产制备含 较厚Al2〇3涂层的切削刀片，从而在不镑钢等难加工材料的就削加工过程中由于涂层结合 力降低，W及高温，使得涂层耐磨性明显降低。
[0006] 而针对涂层切削刀片中另一个主要耐磨层MT-TiCN涂层的技术问题，日本专利文 献JP2001025904(A)中有涉及到，该专利采用含有灯i-Zr)CN复合沉积涂层经过后续热分 解处理，形成颗粒状晶体结构的混合层，满足Ti/Ti+Zr原子配比0. 05~0. 3,该混合层沉 积温度达到92(TC~93(TC，并且后续经过一个更高温度的气氛热处理过程，与后续沉积的 颗粒状结构Al2〇3涂层组合应用于硬质合金刀片表面。该专利技术沉积获得的TiZrCN涂 层，沉积温度更高，而且还需要增加一个后续的高温气氛热处理过程，并且最终形成了颗粒 状涂层组织结构，在就削应用的断续加工冲击作用下，送种颗粒状组织结构的涂层刀具的 抗崩刃性能明显不足。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有优异的耐热性 能、抗崩刃性能和抗粘附性能的表面改性涂层切削刀片及其制备方法。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种表面改性涂层切削刀片，所 述涂层包含MT-TiZrCN涂层和具有刚玉结构的A1 Gr) 2〇3改性涂层，所述A1 Gr) 2〇3改性涂 层位于所述涂层的最外层；所述AUZr)2化改性涂层具有（300)晶面强织构取向，取向晶面 的强度比值 1(300)/1(110) = 0.5 ~2. 5。
[0009] 上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述AUZr)2〇3改性涂层是在沉积工艺 的AlCV^-HCl-HzS-Hz沉积气氛体系中加入ZrC!4气氛制备得到（即在α -A!203中渗入 了 Zr元素），其中Zr元素是W Zr〇2微晶形式存在于α-Al2〇3晶粒的晶界上；所述A1 Gr)2〇3 改性涂层中Zr含量为0. lat%~0. 8at%。
[0010] 上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述AUZr)2化改性涂层的纵向面为 柱状晶结构，所述柱状晶结构的顶部为四棱锥形，柱状晶的长径比> 2(优选2《长径比 《20)。
[0011] 上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述AUZr)2〇3改性涂层的厚度为 2. 5 μ m~6. 0 μ m。更优选的，所述A1 Gr) 2化改性涂层的厚度为3. 0 μ m~4. 5 μ m。
[0012] 上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述MT-TiZrCN涂层是在沉积工艺的 TiCl4-CH3CN-HCl-N2-H2沉积气氛体系中加入ZrCl4气氛制备得到（即在MT-TiCN中渗入了 Zr元素）；所述MT-TiZrCN涂层中Zr含量为0. lat%~0.5at%。
[0013] 上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述MT-TiZrCN涂层纵向面为柱状晶 结构，柱状晶的长径比> 3 (优选3《长径比《30)。
[0014] 上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述MT-TiZrCN涂层的厚度为 2. 0 μ m~10. 0 μ m。更优选的，所述MT-TiZrCN涂层的厚度为4. 0 μ m~8. 0 μ m。
[0015] 上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述涂层中还包含有TiN层、α-Α?2〇3 层、TiCxNyOz层中的至少一层；所述TiCxNyOz层中，x+y+z = 1且Ζ > 0 (优选x+y+z = 1 且X、y、Z均大于0)。
[0016] 上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述涂层由内到外依次包含有所述的 TiN 层、MT-TiZrCN 涂层、TiCxNyOz 层、α -AI2O3 层和 A1 Gr)2〇3 改性涂层。
[0017] 上述的表面改性涂层切削刀片中，优选的，所述TiN层的厚度为0. lum~0.5um， 所述MT-TiZrCN涂层的厚度为2. 0 μ m~10. 0 μ m，所述TiCxNyOz层的厚度为0. 1 μ m~ 1. 0 μ m，所述α -Al2〇3层的厚度为0. 1 μ m~2. 0 μ m，所述A1 Gr)2〇3改性涂层的厚度为 2. 5 μ m ~6. 0 μ m。
[001引作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的表面改性涂层切削刀片的制备 方法，包括W下步骤：
[0019] (1)制备刀片基体；
[0020] (2)采用CVD工艺在所述刀片基体上沉积最内层的TiN层；
[0021] (3)采用MT-CVD工艺在所述TiN层上沉积TiZrCN涂层，即MT-TiZrCN涂层，具体工 艺条件为：在TiCVCHsCN-肥I-N2-H2沉积气氛体系中加入ZrC!4气氛，沉积温度为87(TC~ 90(TC，沉积压力50mbar~90mbar，调整ZrCl4与TiCl4气氛浓度比在0. 1~0. 3之间，控 制所述沉积气氛体系中TiCl4的气氛浓度为1. 7vol%~2. 5vol%，CHsCN的气氛浓度为 1. Ovol%~1. 5vol%，肥1的气氛浓度为0. 8vol%~1. 8vo1%，N2的气氛浓度为lOvol%~ 14vol%，其余为
[0022] (4)采用CVD工艺在所述MT-TiZrCN层上沉积TiCxNyOz层；
[0023] (5)采用CVD工艺在所述TiCxNyOz层上沉积α -Al2〇3层；
[0024] (6)采用CVD工艺在所述α -A!203层上沉积A1 Gr)2〇3改性涂层，具体工艺条件 为：在A1C!3-C02-肥I-H2S-H2沉积气氛体系中加入ZrC!4气氛，沉积温度为98(TC~1020。 沉积压力为50mbar~70mbar，调整所述沉积气氛体系中C〇2与肥1的气氛浓度比为0. 7~ 0. 8, ZrCl4与AICI3的气氛浓度比为0. 10~0. 12,所述沉积气氛体系中C〇2的气氛浓度为 2.8vol%~3.4vol%，AlCl3的气氛浓度为1.4vol%~1.8vol%，同时控制所述沉积气氛 体系中的气氛浓度为0. 12vol%~0. 15vol%，其余为&气体；完成沉积A1 Gr)2〇3改 性涂层后不进行涂层表面的后处理工艺，直接得到表面改性涂层切削刀片。
[00巧]本发明中，A1 Gr)2〇3改性涂层的残余应力值《ISOMPa。
[0026] 本发明中，MT-TiZrCN涂层是指中温化学气相沉积（MT-CVD)工艺制备的TiZrCN涂 层，MT-TiZrCN涂层为抗氧化增强的耐磨层。
[0027] 本发明中，取向晶面的强度比值是指取向晶面的XRD衍射峰强度的数值比。
[002引本发明中，A1 Gr)203改性涂层的柱状晶长径比> 2，MT-TiZrCN涂层的柱状晶长径 比> 3。从工艺技术角度来说，涂层的柱状晶长径比只会有一个最低值才是合理的，其表征 了涂层柱状体型的最低限制程度。低于送个值，涂层晶粒体型趋于等轴晶（长径比等于1) 或类似等轴晶结构（长径比在1左右浮动）；而长径比值越大，只是说明涂层的晶粒体型越 细长，但均称为柱状晶结构。在实际沉积制备的涂层中，通过一定技术控制工艺获得的柱状 晶涂层结构，其晶粒的生长过程都是非理想状态的，柱状晶体型也不可能有一个具体统一 的长径比值，而是只能检测及定义到呈现出的最大体型的柱状晶也即长径比最低的晶粒情 况。
[0029] 本发明中，TiCxNy化层的下标X、y、Z表示原子百分数，而现有技术的表示方法 中，也有仅用原子百分数的分子作为下标的（例如TiCwNwOj，但其实质与本发明（例如 T i 0). 4〇Νη. 3〇〇〇. 30)相问。
[0030] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0031] 1.本发明的表面改性涂层切削刀片，采用了初性与耐磨性兼具的刀具基体，结合 抗氧化性增强的内层（MT-TiZrCN涂层）W及初性改善的光滑表面涂层（AUZr)2〇3改性涂 层），有效延缓切削刃口的后刀面磨损过程，提高了涂层刀具的耐崩刃性能和抗粘附性能， 使得涂层刀具能够应用于有较高初性要求又具有足够使用寿命的切削加工，能适用于钢及 不镑钢的通用就削加工等方面，具有优异的