刀具涂层的制备方法及刀具

技术领域

本发明涉及涂层领域，具体而言，涉及一种刀具涂层的制备方法及刀具。

背景技术

钛合金因具有强度高、耐蚀性好、密度低等特点而被广泛用于各个领域。比如航空航天、医疗领域；甚至钛合金在今年的消费电子领域也越来越受青睐，比如手机、手表等部分零件都采用了钛合金。钛合金的应用越来越广泛，从而市场对加工钛合金材质刀具涂层的需求也越来越大。

关于加工钛合金材质刀具涂层的研究较多，其中一种涂层方案是在刀具基材上镀电弧涂层，电弧涂层采用AlTiN材料层作为打底层，采用ZrN作为功能层。该涂层结构打底层AlTiN与刀具基材有很好的结合力，且AlTiN在切削过程中由于热量的作用在涂层表面形成一层致密的粘结性强的Al

在该技术中，打底层AlTiN厚度约为0.7μm，功能层ZrN厚度也为0.7μm。在加工过程中当ZrN涂层完全磨损后，AlTiN参与钛合金的切削，AlTiN虽然有优异的抗高温性能。但与钛合金的亲和性强，刀具切削时磨损形式由磨粒磨损转变为粘结磨损。刀具后刀面AlTiN积屑瘤现象严重，大块涂层被积屑瘤带走，涂层未能起到很好地保护基材的目的。涂层磨损后基材参与钛合金的切削，刀具切削刃快速磨损，从而导致崩刃现象发生，刀具寿命仍然有待提升。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种刀具涂层的制备方法及刀具，以解决现有技术中刀具涂层容易失效导致的刀具寿命短的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种刀具涂层的制备方法，包括：选取基体材料；在基体材料上采用PVD工艺镀第一材料层，第一材料层为AlCrN层；在第一材料层的远离基体材料的一侧采用PVD工艺镀第二材料层，第二材料层为ZrN层。

在一个实施方式中，第一材料层包括多个层叠布置的结合层，在基体材料上采用PVD工艺镀第一材料层的方法包括：依次采用PVD工艺镀各结合层，镀单个结合层的方法包括：将AlCr靶材置于分子泵频率为72％、压力为2 .5×10

在一个实施方式中，多个结合层包括第一结合层、第二结合层以及第三结合层，第一结合层镀于基体材料上，镀第一结合层所需的偏置电压为40V，处理时间为40±2min，镀第二结合层所需的偏置电压为80V，处理时间为2min，镀第三结合层所需的偏置电压为1200V，处理时间为30±2min。

在一个实施方式中，第一材料层的厚度在1.0至1.2μm之间。

在一个实施方式中，在镀第一材料层与镀第二材料层之间，刀具涂层的制备方法还包括：采用PVD工艺镀过渡层，过渡层为AlCrN/ZrN复合层。

在一个实施方式中，采用PVD工艺镀过渡层的方法包括：将AlCr靶材置于分子泵频率为72％、压力为2 .5×10

在一个实施方式中，镀第二材料层的方法包括：将Zr靶材置于分子泵频率为72％、压力为2 .5×10

在一个实施方式中，第二材料层的厚度在1.0至1.2μm之间。

在一个实施方式中，在选取基体材料与镀第一材料层之间，刀具涂层的制备方法还包括：将基体材料放置于真空镀膜设备中，调节设备真空度为8×10

在一个实施方式中，基体材料为硬质合金。

根据本发明的另一个方面还提供了一种刀具，包括：基体材料；涂层，涂层为采用上述的刀具涂层的制备方法所制备出的涂层。

应用本发明的技术方案，采用PVD工艺获得的ZrN层具有以下两个优点：第一、低摩擦系数，摩擦系数低有利于减少刀具与被加工材料之间摩擦产生的热量，因此能够减少扩展到基体材料上的热量；第二、与被加工材质（钛合金）的亲和性低，低亲和性使得刀具切削时磨损形式为磨粒磨损，涂层不容易被磨粒带走。采用PVD工艺获得的AlCrN层具有优异的耐高温性、红硬性以及抗氧化性，使得AlCrN层使用寿命更长。此外，在加工过程中，当ZrN层完全被磨损后，AlCrN层参与钛合金的切削，由于AlCrN层的与钛合金的亲和性低，因此刀具切削时AlCrN层磨损形式仍为磨粒，避免大块涂层被带走，提高了AlCrN层的耐磨性，使得涂层不易失效，进而提升了刀具的寿命。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的刀具涂层的制备方法的实施例所制备出的刀具的剖视的局部放大图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、基体材料；10、第一材料层；11、结合层；20、第二材料层；30、过渡层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，在本发明中，刀具涂层的制备方法包括：选取基体材料1；在基体材料1上采用PVD工艺镀第一材料层10，第一材料层10为AlCrN层；在第一材料层10的远离基体材料1的一侧采用PVD工艺镀第二材料层20，第二材料层20为ZrN层。

应用本发明的技术方案，采用PVD工艺获得的ZrN层具有以下两个优点：第一、低摩擦系数，摩擦系数低有利于减少刀具与被加工材料之间摩擦产生的热量，因此能够减少扩展到基体材料1上的热量；第二、与被加工材质（钛合金）的亲和性低，低亲和性使得刀具切削时磨损形式为磨粒磨损，涂层不容易被磨粒带走。采用PVD工艺获得的AlCrN层具有优异的红硬性以及抗氧化性，使得AlCrN层使用寿命更长。此外，在加工过程中，当ZrN层完全被磨损后，AlCrN层参与钛合金的切削，由于AlCrN层的与钛合金的亲和性低，因此刀具切削时AlCrN层磨损形式仍为磨粒，避免大块涂层被带走，提高了AlCrN层的耐磨性，使得涂层不易失效，进而提升了刀具的寿命。

在本发明中，第一材料层10包括多个层叠布置的结合层11，在基体材料1上采用PVD工艺镀第一材料层10的方法包括：依次采用PVD工艺镀各结合层11，镀单个结合层11的方法包括：将AlCr靶材置于分子泵频率为72％、压力为2 .5×10

在本发明中，多个结合层11包括第一结合层、第二结合层以及第三结合层，第一结合层镀于基体材料1上，第一结合层在镀膜时所需的偏置电压为40V，处理时间为40±2min，第二结合层在镀膜时所需的偏置电压为80V，处理时间为2min，第三结合层在镀膜时所需的偏置电压为120V，处理时间为30±2min。上述制备方法对于第一材料层10的应力、硬度、结合力等有进一步的改善。

在本发明中，第一材料层10的厚度在1.0至1.2μm之间。

如图1所示，在本发明中，在镀第一材料层10与镀第二材料层20之间，刀具涂层的制备方法还包括：采用PVD工艺镀过渡层30，过渡层30为AlCrN/ZrN复合层。上述制备方法使得第一材料层10与第二材料层20之间结合的更好。

在本发明中，采用PVD工艺镀过渡层30的方法包括：将AlCr靶材置于分子泵频率为72％、压力为2 .5×10

在本发明中，采用PVD工艺镀第二材料层20的方法包括：将Zr靶材置于分子泵频率为72％、压力为2 .5×10

在本发明中，第二材料层20的厚度在1.0至1.2μm之间。第二材料层20太厚会影响到摩擦系数变大，太薄又不耐磨损。

在本发明中，在选取基体材料1与镀第一材料层10之间，刀具涂层的制备方法还包括：清洗基体材料1，将基体材料1放置于真空镀膜设备中，调节设备真空度为8×10

需要说明的是，本发明并非是简单的把AlCrN和ZrN结合在一起。本专利申请内容是针对加工钛合金材质开发的刀具涂层。选用的涂层结构和靶材充分考虑钛合金加工特性，且涂层已经过严格的内部测试。具体地，不同靶材（结构）结合的效果受很多因素的影响，比如沉积温度、磁场参数、阴极、偏压、气体流量离子源等等。不同参数产生完全不同的效果。AlCrN和ZrN结合的难度在于以下三点：第一、获得AlCrN、ZrN极佳的结合力，确保刀具切削过程中不出现脱膜现象；第二、通过优化工艺参数，减少电弧沉积AlCrN/ZrN的液滴、降低摩擦系数；第三、控制各层涂层的沉积时间，在确保刀具切削刃不脱膜前提下，得到切削刃锋利度，低摩擦系数和涂层耐磨性的最优组合。

在本发明中，基体材料1为硬质合金。具体地，本发明的基体材料1用于硬质合金、高速钢材质刀具，包括刀片、铣刀、钻头、铰刀等。

下面以具体实施例进行说明：

实施例一的刀具涂层的制备方法包括：

1、选取并清洗基体材料1，首先将基体材料1放置于真空镀膜设备中，调节设备真空度为8×10

2、采用PVD工艺镀第一结合层：将AlCr靶材置于分子泵频率为72％、压力为2 .5×10

3、采用PVD工艺镀第二结合层：将AlCr靶材置于分子泵频率为72％、压力为2 .5×10

4、采用PVD工艺镀第三结合层：将AlCr靶材置于分子泵频率为72％、压力为2 .5×10

5、采用PVD工艺镀过渡层30：将AlCr靶材置于分子泵频率为72％、压力为2 .5×10

6、采用PVD工艺镀第二材料层20：将Zr靶材置于分子泵频率为72％、压力为2 .5×10

实施例二的刀具涂层的制备方法与实施例一的区别仅在于：镀第一结合层时，在温度为480℃的氮气环境中处理38min。

实施例三的刀具涂层的制备方法与实施例一的区别仅在于：镀第一结合层时，在温度为480℃的氮气环境中处理42min。

实施例四的刀具涂层的制备方法与实施例一的区别仅在于：镀第三结合层时，在温度为480℃的氮气环境中处理28min。

实施例五的刀具涂层的制备方法与实施例一的区别仅在于：镀第三结合层时，在温度为480℃的氮气环境中处理32min。

实施例六的刀具涂层的制备方法与实施例一的区别仅在于：第一材料层10的总厚度为1.0μm。

实施例七的刀具涂层的制备方法与实施例一的区别仅在于：第一材料层10的总厚度为1.2μm。

实施例八的刀具涂层的制备方法与实施例一的区别仅在于：第二材料层20的总厚度为1.0μm。

实施例九的刀具涂层的制备方法与实施例一的区别仅在于：第二材料层20的总厚度为1.2μm。

实施例一至实施例九的实验结果如下：

实施例一、在S6000、F600、Ap=2.5mm、ae:0.8mm、侧铣，加工时间：70min、刀具：D4×H11×d6×50L的条件下，本实施例的后刀面磨损量：30.46μm，现有技术中的后刀面磨损量：58.87μm。后刀面磨损量显著下降，因而使用寿命增加。其中，S6000指的是主轴转速为6000r/min；F600指的是进给量为600 mm/r。Ap指的是切深度，ae指的是切削宽度。D4指的是刃径；H11指的是刃长；d6指的是顶径；50L指的是总长。D4、H11、d6及50L的单位均为mm。需要说明的是，本实验中所使用的现有技术中的刀具包括基材以及设置在基材上的涂层，涂层包括靠近于基材的第一材料层以及远离基材的第二材料层，第一材料层为AlTiN层、第二材料层为ZrN层，第一材料层和第二材料层的厚度均为1.1μm。

实施例二、在S4777、F477、Ap=2.5mm、ae:0.8mm、侧铣，加工时间：70min、刀具：D4×H11×d6×50L的条件下，本实施例的后刀面磨损量：33.63μm，现有技术中的后刀面磨损量：64.35μm。后刀面磨损量显著下降，因而使用寿命增加。本实施例及下述实施例中所记载的加工条件的字母的意义与实施例一中的相同，不再赘述。本实验中所使用的现有技术中的刀具与实施例一的实验所使用的刀具参数相同。

实施例三、在S5000、F520、Ap=2.5mm、ae:0.8mm、侧铣，加工时间：70min、刀具：D4×H11×d6×50L的条件下，本实施例的后刀面磨损量：26.15μm，现有技术中的后刀面磨损量：49.09μm。后刀面磨损量显著下降，因而使用寿命增加。本实验中所使用的现有技术中的刀具与实施例一的实验所使用的刀具参数相同。

实施例四、在S4777、F477、Ap=2.5mm 、ae:0.8mm 、侧铣，加工时间：70min、刀具：D4×H11×d6×50L的条件下，本实施例的后刀面磨损量：34.32μm，现有技术中的后刀面磨损量：64.35μm。后刀面磨损量显著下降，因而使用寿命增加。本实验中所使用的现有技术中的刀具与实施例一的实验所使用的刀具参数相同。

实施例五、在S8000、F800、Ap=2.5mm 、ae:0.8mm 、侧铣，加工时间：70min、刀具：D4×H11×d6×50L的条件下，本实施例的后刀面磨损量：40.23μm，现有技术中的后刀面磨损量：76.09μm。后刀面磨损量显著下降，因而使用寿命增加。本实验中所使用的现有技术中的刀具与实施例一的实验所使用的刀具参数相同。

实施例六、在S9000、F900、Ap=2.5mm、ae:0.8mm、侧铣，加工时间：70min、刀具：D4×H11×d6×50L的条件下，本实施例的后刀面磨损量：43.98μm，现有技术中的后刀面磨损量：85.04μm。后刀面磨损量显著下降，因而使用寿命增加。本实验中所使用的现有技术中的刀具与实施例一的实验所使用的刀具的区别在于第一材料层的总厚度为1.0μm。

实施例七、在S11000、F1200、Ap=1.5mm 、ae:0.8mm 、侧铣，加工时间：70min、刀具：D4×H11×d6×50L的条件下，本实施例的后刀面磨损量：39.49μm，现有技术中的后刀面磨损量：80.87μm。后刀面磨损量显著下降，因而使用寿命增加。本实验中所使用的现有技术中的刀具与实施例一的实验所使用的刀具的区别在于第一材料层的总厚度为1.2μm。

实施例八、在S4777、F477、Ap=2.5mm 、ae:0.8mm 、侧铣，加工时间：70min、刀具：D4×H11×d6×50L的条件下，本实施例的后刀面磨损量：21.92μm，现有技术中的后刀面磨损量：40.35μm。后刀面磨损量显著下降，因而使用寿命增加。本实验中所使用的现有技术中的刀具与实施例一的实验所使用的刀具的区别在于第二材料层的总厚度为1.0μm。

实施例九、在S4777、F477、Ap=2mm 、ae:1.2mm、侧铣，加工时间：70min、刀具：D4×H11×d6×50L的条件下，本实施例的后刀面磨损量：26.83μm，现有技术中的后刀面磨损量：50.65μm。后刀面磨损量显著下降，因而使用寿命增加。本实验中所使用的现有技术中的刀具与实施例一的实验所使用的刀具的区别在于第二材料层的总厚度为1.2μm。

应用上述实施例的技术方案所制得的刀具的使用寿命是现有技术中的刀具的使用寿命的1.8至2.0倍。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请的涂层是针对加工钛合金的刀具设计的，该涂层的结构是：打底AlCrN，功能层ZrN。当ZrN磨损后，AlCrN涂层硬度高、红硬性好，在加工钛合金时始终保持很好的硬度，且AlCrN与被加工材质亲和性比AlTiN更差，积屑瘤现象更轻微，AlCrN不易被积屑瘤带走，涂层能起到可持续的隔绝热量，保护基材的效果。

本发明还提供了一种刀具，根据本发明的刀具的实施例包括：基体材料1以及涂层。其中，涂层为采用上述的刀具涂层的制备方法所制备出的涂层。本发明的刀具的切削寿命长。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。