[發明專利]超硬TiN-TiSiN-CN多層交替復合梯度涂層硬質合金刀片及制備方法

有效

• 申請號: 201310061588.7
• 申請日: 2013-02-27
• 公開（公告）號: CN103084600A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 楊兵;陳燕鳴;王如意;劉輝東
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: B23B27/14
• 分類號: B23B27/14;C23C14/32;C23C14/06;C23C14/16;C23C14/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明涉及薄膜材料技術領域，特別涉及一種超硬TiN-TiSiN-CN多層交替復合梯度涂層硬質合金刀片及制備方法。

背景技術

數控加工中心是由機械設備與數控系統組成的適用于加工復雜零件的高效率自動化機床。數控加工中心是目前世界上產量最高、應用最廣泛的數控機床之一。它把銑削、鏜削、鉆削、攻螺紋和切削螺紋等功能集中在一臺設備上，使其具有多種工藝手段。它的綜合加工能力較強，工件一次裝夾后能完成較多的加工內容，加工精度較高，就中等加工難度的批量工件，其效率是普通設備的5～10倍，特別是它能完成許多普通設備不能完成的加工，對形狀較復雜，精度要求高的單件加工或中小批量多品種生產更為適用。加工中心設置有刀庫，刀庫中存放著不同數量的各種刀具或檢具，在加工過程中由程序自動選用和更換。這是它與數控銑床、數控鏜床的主要區別。特別是對于必需采用工裝和專機設備來保證產品質量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工裝和專機。這會為新產品的研制和改型換代節省大量的時間和費用，從而使企業具有較強的競爭能力。硬質合金刀片是數控加工中心廣泛使用的切削刀具，硬質合金刀片高速銑削鋼件時，由于它在高溫下受到交變熱負荷的作用，刀具的最終破損表現為以下多種型式：(1)刀具脆性剝落；(2)在刀具前后面上產生與切削刃大致相互垂直的熱震梳狀裂紋；(3)刀具后隙面磨損；(4)刀刃產生大塊崩刃。

涂層硬質合金刀具的出現是刀具發展史上的一個重要里程碑。它是在強度和韌性較好的硬質合金基體上，利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物而形成。涂層作為一個化學屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，從而減少了月牙洼磨損。涂層具有很高的硬度和耐熱性，并降低了刀具與工件間的摩擦系數，因此涂層刀具比未涂層刀具可顯著地提高使用壽命，通常涂層刀具的壽命可比未涂層刀具高2-5倍。據日本住友公司調查，經涂層后的刀具壽命延長2-3倍的?占36%，3倍?以?上的?占30%，提高加工效率（包括切削速度和進給速度）的占19%。此外它的通用性廣，一種牌號的涂層硬質合金刀具常可勝任幾個等級未涂層刀片的切削工作，從而可簡化刀具管理。據統計，在一些工業發達國家，涂層刀具的使用量已占到刀具總數的?60-70%。美國在數控機床上使用的刀具都是涂層刀具。

TiN是最先被廣泛使用的硬質涂層材料。早在20世紀初，TiN就可以被精確控制成分進行人工合成，從六十年代末開始，己經廣泛地應用在刀具涂層，表面裝飾保護，模具耐磨耐蝕涂層。70年代以來，用物理氣相沉積PVD技術制備的TiN涂層已廣泛應用于刀模具和各種耐磨零件及裝飾涂層上。進入80年代，氮化鈦幾乎是唯一的商業化的硬質層材料。當今工業發達國家TiN涂層高速鋼刀具的使用率已占高速鋼刀具的50-70%，少數不可重磨的復雜刀具的涂層所占比率己超過90%。人們對TiN涂層的研究也越來越多。由于TiN涂層性能優越，工藝過程又符合“綠色制造業”理念，可以預期在21世紀前期仍有較大的發展空間。TiN耐溫有限，當使用溫度超過500℃時涂層開始失效。隨著技術的進步，人們對涂層的綜合性能要求越來越高，并且對不同服役條件的產品，其主要失效抗力指標要求不盡相同，應該有不同性能特點的涂層與之相適應，以增加涂層多樣性的選擇。因此在單一TiN涂層的基礎上，近年來已發展起不少新的先進TiN基復合氮化物涂層，即TiN涂層的多元合金化。

1995年，德國的?Veprek?等人在Appl.?Phys.?Lett上發表文章稱首次發現了一種新型的超硬的材料Ti-Si-N。Vickers硬度在50GPa，彈性模量達到500GPa，在空氣中的抗氧化性大于800℃。2000年，S.Veprek制備出維氏硬度達到?80-105GPa?的Ti-Si-N材料。材料的主要結構也是nc-TiN/a-?Si₃N₄的結構。耐溫達到1100?℃。并且發現TiN晶粒間的氮化硅物質對整個材料的硬度起著至關重要的作用。由于Ti-Si-N材料的高硬度和高耐溫特性，使其成為近10年來國內外超硬刀具涂層研究的熱點課題。