本發(fā)明公開了一種切削刀具，尤其涉及一種帶自潤滑效應(yīng)的納米復(fù)合涂層切削刀具。

背景技術(shù)：

涂層技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用對刀具性能的改善與切削技術(shù)進(jìn)步起到了關(guān)鍵作用，PVD涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的重要標(biāo)志。早期的涂層刀具材料主要有TiC、TiN、TiCN等。在TiN涂層中加入Al形成TiAlN涂層，不僅在硬度、耐磨性方面優(yōu)于TiN，且顯著改善涂層耐腐蝕性，提升抗氧化溫度。Al含量高的TiAlN涂層稱為AlTiN涂層，涂層中Al含量提高(1＜Al/Ti＜2/1)，涂層晶粒細(xì)化，硬度、抗氧化性與耐磨性也顯著提升，刀具的切削壽命也極大提高。

隨著加工材料的日新月異，性能的不斷提升，對涂層刀具提出了更高要求。涂層多元化與多層復(fù)合是涂層技術(shù)發(fā)展的兩大趨勢。

在現(xiàn)有AlTiN涂層硬質(zhì)合金刀具中引入Si、Cr等元素，能提高涂層的硬度與抗氧化性，顯著改善對硬化鋼等的切削壽命。鈦合金、高溫合金等難加工航空材料，由于其脆性大，加工過程粘結(jié)嚴(yán)重、切削力大、切削溫度高等特性，普通AlTiN與超硬AlTiSi(Cr)N硬質(zhì)合金涂層刀具在切削加工時，涂層與工件摩擦系數(shù)高，導(dǎo)致切削力大，切削熱高，切削過程中易出現(xiàn)粘刀、崩刃等問題，急速降低刀具的使用壽命。

普通TiAlN/AlTiN與TiAlN/TiAlSiN納米多層復(fù)合涂層能顯著提高涂層的硬度與抗氧化性能，但由于其摩擦系數(shù)高，增大了刀具阻力與刀具表面粘屑程度。在對表面質(zhì)量要求高以及潤滑和排屑要求高的場合存在一定的使用缺陷，最終影響其切削應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要是提供一種具有摩擦系數(shù)低、耐磨性能高、韌性好的納米復(fù)合涂層切削刀具。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用技術(shù)方案為一種納米復(fù)合涂層切削刀具，包括刀具基體和沉積于所述刀具基體上的納米復(fù)合涂層，所述納米復(fù)合涂層為AlTiN-Ni納米顆粒復(fù)合涂層與AlTiN/Ni納米多層復(fù)合涂層。所述AlTiN-Ni納米顆粒復(fù)合涂層中Ni元素均勻分布于AlTiN之中；所述AlTiN/Ni納米多層復(fù)合涂層是以AlTiN層、Ni層為一個循環(huán)，按AlTiN層、Ni層、AlTiN層、Ni層……循環(huán)分布的復(fù)合涂層。

上述AlTiN-Ni納米顆粒復(fù)合涂層切削刀具中，AlTiN-Ni納米復(fù)合涂層按通式(Al_aTi_bN_c)Ni_z構(gòu)成；

其中：a+b+c+z＝1；

a取值范圍0.25-0.33；

b取值范圍0.17-0.25；

z取值范圍0-0.07。

上述AlTiN/Ni納米多層涂層切削刀具中，AlTiN層的單層厚度為3～100nm，所述Ni層的單層厚度為3～40nm。

上述AlTiN-Ni納米顆粒復(fù)合涂層切削刀具中AlTiN-Ni納米顆粒的晶粒尺寸為6-8nm。

上述AlTiN層中，按摩爾比計，Al：Ti：N＝0.25-0.33：0.17-0.25：0.45-0.58。

上述納米復(fù)合涂層切削刀具中，Ni元素的價態(tài)為0價。且不與Al、Ti、N中任意一種或幾種元素形成化合物或合金。

上述AlTiN-Ni納米復(fù)合涂層中Ni以非晶態(tài)存在。

上述納米復(fù)合涂層切削刀具中，涂層的總厚度為2.5μm～3.5μm。

所述納米復(fù)合涂層在下列條件下使用陰極弧法生成：反應(yīng)氣體為氮氣；

總壓力為1.0Pa至3.2Pa；

偏壓為-120V至-30V；

沉積溫度為400℃至600℃之間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點在于：

本發(fā)明的納米顆粒Ni引入AlTiN涂層后，涂層組織細(xì)密，結(jié)構(gòu)均勻；涂層AlTiN晶粒顯著細(xì)化至納米級別；進(jìn)而顯著改善涂層的抗熱震性能。由于涂層中Ni主要以零價非晶態(tài)賦存時，可顯著改善涂層的韌性。同時非氮化物金屬Ni層在切削過程中的自潤滑效應(yīng)可顯著降低涂層刀具與工件之間的摩擦系數(shù)，具有出色的潤滑效果。軟質(zhì)金屬Ni彌散在整個涂層中，在切削加工的摩擦與高溫作用下逐漸磨損，能夠起到明顯的減磨潤滑效果，直至刀具涂層最終完全失效。

本發(fā)明的納米多層涂層切削刀具中的多層復(fù)合涂層綜合了兩種成分涂層的特點與優(yōu)點，其中非氮化物金屬Ni層在切削過程中的自潤滑效應(yīng)可顯著降低涂層刀具與工件之間的摩擦系數(shù)，具有出色的潤滑效果。在微觀結(jié)構(gòu)中交替沉積AlTiN層與非氮化物金屬Ni層，使得金屬Ni在宏觀上貫穿于整個涂層厚度區(qū)間，在切削加工的摩擦與高溫作用下逐漸磨損，軟質(zhì)金屬Ni元素能夠起到明顯的減磨潤滑效果，直至刀具涂層最終完全失效。

本發(fā)明的多層涂層通過對涂層結(jié)構(gòu)和組分設(shè)計，克服了傳統(tǒng)AlTiN涂層摩擦系數(shù)差，與韌性差的缺點。本發(fā)明的多層涂層切削刀具實現(xiàn)了高潤滑性能，高耐磨損性能，且涂層具有較好的韌性，適用于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片和硬質(zhì)合金銑刀、鉆頭等。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備的沉積在硬質(zhì)合金基體上實施例1的AlTiN-Ni納米復(fù)合涂層的截面掃描電鏡圖。

圖2為本發(fā)明制備的沉積在硬質(zhì)合金基體上實施例1的AlTiN-Ni納米復(fù)合涂層XRD圖。

圖3為本發(fā)明制備的實施例1的AlTiN-Ni納米復(fù)合涂層中Ni的XPS能譜圖。

從圖1可以看出納米顆粒Ni引入AlTiN涂層后，涂層組織細(xì)密，結(jié)構(gòu)均勻。

根據(jù)圖2所得XRD圖，采用謝樂公式計算得到AlTiN晶粒尺寸為7.107nm。由此可知，涂層的晶粒得到顯著細(xì)化，同時XRD未檢測到Ni；結(jié)合圖3可知此時的Ni是以非晶態(tài)賦存的。

從圖3中可以看出涂層中Ni主要以金屬態(tài)形式存在，也就是說AlTiN-Ni納米復(fù)合涂層中Ni以非氮化物態(tài)形式存在于AlTiN涂層中。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容不局限于以下實施例。

本發(fā)明實施例和對比例中，依據(jù)刀具的要求使用AlTiNi、AlTi靶與Ni靶，涂層制備均采用普通PVD陰極弧沉積方法制備。

實施例1

一種納米顆粒復(fù)合涂層刀具，復(fù)合涂層的組成為Al_0.63Ti_0.34N-Ni_0.03，復(fù)合涂層的厚度為3.1μm。刀具基體為硬質(zhì)合金VNEG160408-NF刀片。

一種本實施例納米顆粒復(fù)合涂層切削刀具制備方法，包括以下步驟：

(1)利用現(xiàn)有硬質(zhì)合金VNEG160408-NF刀片；對刀具基體進(jìn)行刃口處理、表面處理；(2)利用常規(guī)PVD工藝在刀具基體上沉積上述Al_0.63Ti_0.34N-Ni_0.03納米顆粒復(fù)合涂層，刀具涂層的總厚度為3.2μm。依據(jù)刀具的要求使用AlTiNi靶用于功能復(fù)合涂層制備作為涂層源，采用PVD陰極弧沉積涂層方式。

實施例2

一種納米顆粒復(fù)合涂層刀具，復(fù)合涂層的組成為Al_0.52Ti_0.43N-Ni_0.05，復(fù)合涂層的厚度為3.5μm。刀具基體為硬質(zhì)合金VNEG160408-NF刀片。涂層制備方法與實施例1相同。

實施例3

一種本發(fā)明多層涂層切削刀具，由內(nèi)向外依次由刀具基體和復(fù)合涂層組成，涂層總厚度為3.2μm。復(fù)合涂層包括由內(nèi)向外設(shè)置的周期性相互交替沉積的AlTiN層與Ni層，且最內(nèi)層的AlTiN層設(shè)于基體上；AlTiN按原子比組成為Al_0.65Ti_0.35N，Al_0.65Ti_0.35N的單層厚度為10nm，Ni層的單層厚度為4nm，復(fù)合涂層的厚度為3.2μm。刀具基體1為硬質(zhì)合金VNEG160408-NF刀片。

具體操作如下：

(1)利用現(xiàn)有硬質(zhì)合金VNEG160408-NF刀片；對刀具基體進(jìn)行刃口處理、表面處理；(2)利用常規(guī)PVD工藝在基體上沉積沉積上述的Al_0.65Ti_0.35N層；(3)利用常規(guī)PVD工藝在前一個步驟的Al_0.65Ti_0.35N層上沉積Ni層；(4)利用常規(guī)PVD工藝在前一個步驟的Ni層上沉積Al_0.65Ti_0.35N層；(5)重復(fù)步驟(3)與步驟(4)，以內(nèi)層Al_0.65Ti_0.35N層與第二內(nèi)層Ni層作為第一周期，直至得到共230個周期，刀具涂層的總厚度為3.2μm。依據(jù)刀具的要求使用AlTi靶用于過渡層制備，AlTi靶與Ni靶用于功能復(fù)合涂層制備作為涂層源，均采用PVD陰極弧沉積涂層方式。

對比試驗

對比例1

對照刀具為與上述實施例1的納米復(fù)合涂層切削刀具具有相同形狀和相同刀具基體組分的株洲鉆石切削集團(tuán)生產(chǎn)的VNEG160408-NF刀片，對比例1的涂層為與實施例1具有相同陰極弧沉積方法制備的Al_0.65Ti_0.35N涂層(靶材選用粉末冶金Al_0.66Ti_0.34靶)，涂層厚度3μm。

將上述實施例1的納米復(fù)合涂層切削刀具、對比例1所得試樣刀具在低速下對鈦合金進(jìn)行切削加工，切削加工條件如下：

加工材料為TC4鈦合金；

加工方式為車削；

切削速度Vc＝60m/min；

切削深度ap＝1mm；

每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f＝0.2mm/r；

冷卻方式：水性冷卻液。

產(chǎn)品壽命判定標(biāo)準(zhǔn)為刀具后刀面平均磨損量Vb達(dá)到0.3mm，或后刀面溝槽磨損量Vbmax＝0.6mm。結(jié)果顯示，本實施例的納米復(fù)合涂層加工36min后，后刀面磨損量達(dá)到0.3mm，正常磨損失效；對照刀具加工28min后，后刀面平均磨損量達(dá)到0.3mm。本實施例的納米復(fù)合涂層切削刀具壽命較對照刀具提高28％以上。

對比例2

對照刀具為與上述實施例2的納米復(fù)合涂層切削刀具具有相同形狀和相同刀具基體組分的株洲鉆石切削集團(tuán)生產(chǎn)的VNEG160408-NF刀片，對比例2的涂層為與實施例1具有相同陰極弧沉積方法制備的Al_0.65Ti_0.35N涂層(靶材選用粉末冶金Al_0.66Ti_0.34靶)，涂層厚度為3μm。

將上述實施例2的納米復(fù)合涂層切削刀具、對比例2所得試樣刀具在高速下對鈦合金進(jìn)行切削加工，切削加工條件如下：

加工材料為TC4鈦合金；

加工方式為車削；

切削速度Vc＝80m/min；

切削深度ap＝1mm；

每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f＝0.2mm/r；

冷卻方式：水性冷卻液。

產(chǎn)品壽命判定標(biāo)準(zhǔn)為刀具后刀面平均磨損量Vb達(dá)到0.3mm，或后刀面溝槽磨損量Vbmax＝0.6mm。結(jié)果顯示，本實施例的納米復(fù)合涂層加工12min后，后刀面磨損量達(dá)到0.3mm，正常磨損失效；對照刀具加工9min后，后刀面平均磨損量達(dá)到0.3mm。本實施例的納米復(fù)合涂層切削刀具壽命較對比例所得試樣刀具提高33％以上。

對比例3

對照刀具為與上述實施例3的納米復(fù)合多層涂層切削刀具具有相同形狀和相同刀具基體組分的株洲鉆石切削集團(tuán)生產(chǎn)的VNEG160408-NF刀片，對比例3涂層為與實施例1具有相同陰極弧沉積方法制備的Al_0.65Ti_0.35N涂層(靶材選用粉末冶金Al_0.66Ti_0.34靶)，涂層厚度為3μm。

將上述本實施例3的納米復(fù)合涂層切削刀具、對比例3所得試樣刀具在高速下對GH4169高溫合金進(jìn)行切削加工，切削加工條件如下：

加工材料為GH4169高溫合金；

加工方式為車削；

切削速度Vc＝40m/min；

切削深度ap＝1mm；

每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f＝0.2mm/r；

冷卻方式：水性冷卻液。

產(chǎn)品壽命判定標(biāo)準(zhǔn)為刀具后刀面平均磨損量Vb達(dá)到0.3mm，或后刀面溝槽磨損量Vbmax＝0.6mm。結(jié)果顯示，本實施例的納米復(fù)合涂層加工15min后，后刀面磨損量達(dá)到0.3mm，正常磨損失效；對照刀具加工11min后，后刀面平均磨損量達(dá)到0.3mm。本實施例的納米復(fù)合涂層切削刀具壽命較對比例3所得試樣刀具提高了36％以上。

該測試結(jié)果表明，與商業(yè)級普通AlTiN切削刀具相比，本發(fā)明的涂層刀具對鈦合金與高溫合金均表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。