一种CVD涂层切削刀具及其制备方法与流程

本发明属于机械加工刀具，具体为一种cvd涂层切削刀具及其制备方法。

背景技术：

1、现代制造业正在向高效、环保方向发展，高速、干式切削加工所占比例越来越高，刀具在干式切削过程中，刀尖局部温度可达上千度，极大的加剧刀具的磨损。此外新型材料如钛合金、镍基高温合金、耐热不锈钢等，由于材料强度高，切削加工时刀具表面易生成积屑瘤，刀具粘结磨损严重，普通硬质合金刀具已经不能满足现代制造业的发展趋势。

2、近十几年，超硬的tialn涂层材质有了快速的发展，很好的耐磨损、抗高温氧化性使其成功的应用到硬质合金刀具上。如何进一步提升其性能，通常在采用物理气相沉积（pvd）方法沉积tialn涂层过程中，掺入至少一种合金元素（si、b、cr等），形成ti-al-x-n类型的多元过渡金属氮化物可显著的提升原有tialn涂层的耐磨性和抗高温氧化性。

3、随着工业技术的发展，原本只能在pvd（物理气相沉积）上制备的tialsin涂层已经可以用cvd涂层技术实现。专利cn110318039b提供了一种带涂覆层的切削工具，该切削工具采用的cvd方法制备tialsin层。

4、专利cn114672786a提供了一种耐高温氧化性的tialsion涂层的制作方法。在tialn涂层的基础上，采用cvd方法掺入si元素可有效提升涂层硬度，同时随着o元素的掺入，可阻碍刀具在切削过程中氧的扩散，从而提高涂层抗高温氧化性。

5、专利cn114196940a公开了一种通过cvd方法制得的tialbn复合涂层，其中tialn层中掺入b元素可降低涂层摩擦系数。

6、研究表明：cvd方法制备的tialn涂层，铝含量可高于70%，高铝抑制了六方相的altin生成，而pvd方法制备的tialn涂层铝含量不能超过60%，严重限制了涂层抗氧化性能的提高。在cvd tialn涂层基础上掺入si元素，可改变原有涂层柱状晶的结构从而起到细化晶粒提高涂层硬度的作用， tialsin涂层，在耐磨性和抗高温氧化性方面都有进一步的提高。硼元素添加到tialn后，可提高锐钛矿结构a-tio2亚稳相向金红石结构r-tio2稳定相的转变温度，促进a-al2o3的生成，因此，tialbn涂层也能显著提升tialn涂层的抗氧化性。同时b元素对有色金属的亲和性低，可有效阻碍涂层原子向材料的扩散，提供更好的自润滑性。但过高的硼含量容易导致涂层发生脆化影响使用寿命。

7、由此，目前需要有一种方案来解决现有技术中存在的技术问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种cvd涂层切削刀具及其制备方法，通过cvd方法制备得到切削刀具具有高硬度、自润滑、能耐高温氧化的良好性能，能够满足现代制造业的发展趋势。

2、为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

3、一种cvd涂层切削刀具，其中，包括刀具基体，以及在所述刀具基体上通过cvd方法沉积的涂覆层，所述涂覆层为单层或多层涂层，单层或多层涂层中至少包括一层ti1-a-b-calasibbcn涂层，其中0.6≤a≤0.9，0<b≤0.1，0<c≤0.05；

4、所述ti1-a-b-calasibbcn涂层结构为呈面心立方fcc的纳米晶tialbn和非晶态sixny，其中非晶态sixny的体积分数为5-10%，两者以非晶态包裹纳米晶的形态共存，所述纳米晶tialbn的晶粒尺寸≤50nm，非晶态的sixny厚度达到0.1-10nm。

5、作为本发明所述的一种cvd涂层切削刀具的优选方案，其中：所述ti1-a-b-calasibbcn涂层中，b原子含量不高于6%，优选b原子含量为2~4%。

6、作为本发明所述的一种cvd涂层切削刀具的优选方案，其中：所述ti1-a-b-calasibbcn涂层为粒状至柱状结构，其中晶粒尺寸为10-500nm，优选晶粒尺寸小于40nm的粒状结构。

7、作为本发明所述的一种cvd涂层切削刀具的优选方案，其中：所述ti1-a-b-calasibbcn涂层的厚度为1-20μm。

8、作为本发明所述的一种cvd涂层切削刀具的优选方案，其中：所述ti1-a-b-calasibbcn涂层的显微硬度35gpa以上。

9、作为本发明所述的一种cvd涂层切削刀具的优选方案，其中：所述刀具基体表面涂覆单层涂层，单层涂层的厚度为1-25μm；或者所述刀具基体涂覆多层涂层，多层涂层的总厚度为1-25μm。

10、作为本发明所述的一种cvd涂层切削刀具的优选方案，其中：所述涂覆层还包括与所述刀具基体表面相邻的打底层以及最外侧的着色层，所述打底层以及着色层分别由ti、tin、tic、ticn中的一层或多层构成，所述打底层的厚度为0.1-1.0μm，所述着色层的厚度为0.1-2μm。

11、作为本发明所述的一种cvd涂层切削刀具的优选方案，其中：所述刀具基体材质选自烧结碳化物、陶瓷、金属陶瓷或硬质合金。

12、为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：

13、一种根据上述的cvd涂层切削刀具的制备方法，其中，在所述刀具基体上涂覆一层或多层涂层，其中至少包括一个采用化学气相沉积技术制备而成的ti1-a-b-calasibbcn层，所述ti1-a-b-calasibbcn涂层的沉积原料为h2、ticl4、sicl4、bcl3、alcl3、nh3，其中alcl3提供铝源，所述alcl3占总气体流量的0.2-0.9%，sicl4提供硅源，所述sicl4占总气体流量的0.01-0.5%，bcl3提供硼源，所述bcl3占总气体流量的0.01-0.3%；沉积温度为700~900℃，压力为6~20mbar。

14、作为本发明所述的一种cvd涂层切削刀具的制备方法的优选方案，其中：所述制备方法中还包括对涂层表面进行湿喷砂后处理，湿喷砂后处理之后涂层的粗糙度为ra≤0.3μm。

15、本发明的有益效果如下：

16、1、本发明提供的一种cvd涂层切削刀具，切削刀具表面涂覆的ti1-a-b-calasibbcn涂层包含有更高的铝含量，al原子含量不低于60%，最高可达到90%，采用cvd方法制备的ti1-a-b-calasibbcn涂层比通过pvd方法制备的涂层含有更少的hcp-aln相，从而使涂层具备更高的硬度。

17、2、本发明提供的切削刀具表面涂层包含有含钛打底层，打底层的设置能通过限制基体中co的扩散，增强涂层与基体间的结合力，防止钴与涂层中的si元素形成钴-硅化合物，从而造成涂层硬度下降，能够缓解涂层材料间因材料性质不同而引起的较大残余应力。

18、3、本发明提供的切削刀具表面涂层，在现有技术中cvd 沉积的tialn的基础上掺杂si元素，使涂层的晶体结构由立方的b1-nacl型逐渐转变为六角的a1b2型结构，从而细化了涂层晶粒并产生较小的晶粒尺寸分布，使涂层的结合强度和断裂韧性均获得提高。

19、4、本发明提供的切削刀具表面涂层，在现有技术中cvd 沉积的tialsin的基础上掺杂b元素，由于硼元素的掺入导致的晶格畸变，同时产生的钉扎效应，可抑制涂层中的其他元素，如al元素等与材料的亲和性，有效阻碍涂层向材料中的扩散，增加涂层的自润滑效果，减少刀具表面积屑瘤。通过将涂层中硼元素b原子含量设置为不高于6%，使涂层均有更好的硬度以及抗高温氧化的性能，同时避免发生脆化风险。