一种带TiBN涂层的刀具及其制备方法与流程

一种带tibn涂层的刀具及其制备方法
技术领域
1.本发明属于机械加工刀具技术领域，具体为一种带tibn涂层的刀具及其制备方法。


背景技术：

2.tin涂层是较早使用的涂层，随着工业发展，其性能逐渐不能满足加工需求时，在tin涂层中加入其它元素是改善tin涂层性能的一个便捷、有效的途径。其中，利用硼掺杂tin涂层可以改善涂层的硬度、耐磨性、抗氧化性等，但涂层中硼含量不能过高，以免影响tibn涂层中的主体成分和结构-面心立方的tin晶型。且当硼含量高时涂层的成分结构复杂，tibn涂层的性能也急剧下降，导致鲜有高硼含量的tibn涂层的详细研究报道。
3.tib2是六方晶体结构，是硼和钛最稳定的化合物，硼原子与钛原子之间通过共价键相结合，这就决定了tib2是一种化学性质极为稳定的物质，并且具有非常高的硬度和耐磨性，在高温环境中也可以保持稳定，不会发生相变，具有较高的热稳定性。然而，tib2涂层具有韧性差、残余应力大和涂层结合强度低等缺陷，在一定程度上限制了tib2的实际应用范围。


技术实现要素：

4.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带tibn涂层的刀具及其制备方法，保留tib2层的优点，解决了其韧性差、残余应力大和涂层结合强度低等缺陷，同时，所述tibn涂层沿tib2的（110）晶面择优取向生长，提高了涂层的耐磨性。
5.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：
6.一种带tibn涂层的刀具，包括刀具基体和基体上的通过cvd方法制备的厚度为2~20μm的涂层；
7.所述涂层为单层或多层涂层，且至少包含一层tibn涂层，所述tibn涂层包含50~60at.%的硼以及5~15at.%的氮，tibn涂层中的tib2在(110)晶面择优取向生长。
8.作为本发明所述的一种带tibn涂层的刀具的优选方案，其中：所述tibn涂层的物相组成包括密排六方结构hcp-tib2及少量的面心立方结构fcc-tin。
9.作为本发明所述的一种带tibn涂层的刀具的优选方案，其中：所述tibn涂层的厚度为1~6μm，tibn涂层的显微硬度≥40gpa。
10.作为本发明所述的一种带tibn涂层的刀具的优选方案，其中：所述tibn涂层织构系数tc(110)≥2，优选织构系数tc(110)≥4。
11.作为本发明所述的一种带tibn涂层的刀具的优选方案，其中：所述涂层还可以包括含氮和/或含硼元素的其它涂层，所述含氮和/或含硼元素的其它涂层为tin、ticn、tino、ticno、tialcno、tib2、tibno、tialn、ticbn、aln、alcn、alcno、alno涂层的至少一种。
12.作为本发明所述的一种带tibn涂层的刀具的优选方案，其中：所述刀具基体与涂层之间还包括结合层，结合层的厚度为0.1~1.0μm；所述结合层为含氮的硬质涂层，优选为
ti、tin、tic、ticn涂层中的至少一种，进一步优选为tin涂层。
13.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：
14.一种带tibn涂层的刀具的制备方法，所述的tibn涂层采用cvd方法，在750~950℃、4~90mbar条件下，以包括n2、nh3、n2h4中的至少一种、h2、ticl4、bcl3、ar为原料制备得到。
15.本发明的有益效果如下：
16.本发明提供一种带tibn涂层的刀具及其制备方法，所述涂层至少包含一层tibn涂层，所述tibn涂层包含50~60at.%的硼以及5~15at.%的氮，tibn涂层中的tib2在(110)晶面择优取向生长，所述tibn涂层的物相组成包括密排六方结构hcp-tib2及面心立方结构fcc-tin，tibn涂层兼具tib2的高硬度和tin结合力好的特点，尤其是与含n元素和/或含b元素的涂层的结合力更好。本发明能形成综合性能更好的复合涂层，拓宽tibn涂层的使用范围，且本发明的tibn涂层制备方法简单，效果好，易于工业化生产。
具体实施方式
17.下面将结合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的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本发明提供一种带tibn涂层的切削刀具及其制备方法，具有如下优势：
19.（1）异于传统cvd方法制备的tibn涂层b含量低的情况，本发明的tibn涂层b含量为50~60at.%，并且对涂层中的n含量进行限定，n含量在5~15 at.%之间，这样可有效地保持密排六方结构hcp-tib2为涂层的主体结构，保留tib2的高硬度、高温稳定性、自润滑性、化学惰性等优点。同时，n掺杂能在tibn层中形成面心立方结构fcc-tin，这能解决tib2韧性差、残留应力大、涂层结合力差等问题。因此，本发明的tibn涂层具有更高的耐磨性，从而提高使用寿命。
20.（2）本发明的tibn涂层中tib2沿(110)晶面方向上择优取向，使得tibn涂层在使用时表现出更低的磨损率，尤其在抗沟槽磨损和/或后刀面磨损的能力有明显提高。
21.（3）本发明的tibn层，其纳米硬度不低于40 gpa，保障了涂层的耐磨性。
22.（4）本发明提供的tibn涂层兼具tib2的高硬度和tin结合力好的特点，尤其是与含n元素和/或含b元素的涂层的结合力更好。因此，本发明能形成综合性能更好的复合涂层，拓宽tibn涂层的使用范围，且本发明的tibn涂层制备方法简单，效果好，易于工业化生产。
23.根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
24.一种带涂层的刀具，包括刀具基体和基体上的通过cvd方法制备的厚度为2~20μm的涂层；
25.所述涂层为单层或多层涂层，且至少包含一层tibn涂层，所述tibn涂层包含50~60at.%的硼以及5~15at.%的氮，tibn涂层中的tib2在(110)晶面择优取向生长。
26.优选的，所述tibn涂层的物相组成包括密排六方结构hcp-tib2及少量的面心立方结构fcc-tin。n含量高于15at.%时，tibn涂层中面心立方结构fcc-tin占比增加，造成占主导的密排六方结构hcp-tib2晶格畸变过大，涂层硬度降低；n含量低于5at.%时，tibn涂层中仅观察到密排六方结构hcp-tib2晶相，但因氮元素掺入导致了涂层疏松，涂层硬度也急剧
下降。因此，所述tibn涂层中，n含量在5~15at.%之间；所述tibn涂层的xrd图谱中主要显示密排六方结构hcp-tib2的衍射峰，因此，采用密排六方结构hcp-tib2的pdf卡计算织构系数。结果表明，tibn涂层中的密排六方结构hcp-tib2相沿(110)晶面择优取向生长，择优取向生长的程度可由织构系数来表征，织构系数tc由哈里斯公式定义：
[0027][0028]
式中：
[0029]
i(hkl)为通过xrd测量到的（hkl）晶面的反射强度；
[0030]
i0(hkl)为根据pdf卡号35-0741的衍射反射的标准强度；
[0031]
n为计算中所用的反射晶面的数目；
[0032]
所用的(hkl)反射晶面有(001)、(100)、(101)、(110)、(102)、(111)；优选的，具有织构的涂层刀具与其它没有织构的涂层刀具相比，具有更长的使用寿命。对于本发明的tibn涂层，观察到织构系数tc(110)≥2，尤其是织构系数tc(110)≥4择优取向时，涂层具有更好的耐磨性。
[0033]
优选的，所述tibn涂层的厚度为1~6μm，tibn涂层的显微硬度≥40gpa。在切削加工领域中，人们总是在追求硬度高且韧性好的涂层材料，硬度高，刀具才能切开材料（通常选择硬度是待加工材料硬度3倍以上的刀具对材料进行加工），并保证加工精度；韧性好，刀具才能抵抗切削时的高频冲击，并保证涂层-基体和涂层-涂层间的结合强度。但是，硬度和韧性通常难以兼得，如cvd方法制备的tin涂层具有高韧性，但其硬度不足20gpa，使其难以满足需求；cvd方法制备的tib2涂层其硬度高达50gpa以上，是最硬的涂层材料之一，但其韧性差、脆性大，容易涂层剥落，导致难以应用。通常解决的方式是元素掺杂，传统的cvd方法制备ticn涂层就是典型地将n掺杂tic或者将c掺杂tin而获得，使cvd方法制备的ticn涂层兼得tic的高硬度和tin的高韧性，同时，在一定韧性条件下，高硬度能提高涂层的耐磨性，增加刀具使用寿命，这使得cvd方法制备的ticn涂层在涂层领域经久不衰。与其类似，本发明的tibn涂层，是通过cvd方法进行n掺杂tib2而获得，使得tibn涂层具有tin的韧性和tib2的硬度，所述tibn涂层在具有一定韧性情况下，硬度不小于40 gpa，提高了涂层的耐磨性，延长了刀具使用寿命。
[0034]
优选的，所述涂层还可以包括含氮和/或含硼元素的其它涂层，所述含氮和/或含硼元素的其它涂层为tin、ticn、tino、ticno、tialcno、tib2、tibno、tialn、ticbn、aln、alcn、alcno、alno涂层的至少一种。
[0035]
优选的，所述刀具基体与涂层之间还包括结合层，结合层的厚度为0.1~1.0μm；所述结合层为含氮的硬质涂层，优选为ti、tin、tic、ticn涂层中的至少一种，进一步优选为tin涂层。
[0036]
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
[0037]
一种带tibn涂层的刀具的制备方法，所述的tibn涂层采用cvd方法，在750~950℃、4~90mbar条件下，以包括n2、nh3、n2h4中的至少一种、h2、ticl4、bcl3、ar为原料制备得到。其中，tibn涂层中的n元素来自n2、nh3、n2h4中的至少一种，优选n2。
[0038]
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
[0039]
实施例1
[0040]
一种带tibn涂层的刀具的制备方法，包括硬质合金刀具基体和基体上的通过cvd方法制备的至少包含一层tibn涂层的涂层；硬质合金成分为6.0wt%co，1.0wt%的立方碳化物以及余量的wc，刀具几何形状为cnma 120408e-kd5。实施例1的涂层由结合层tin（约0.5μm）和tibn（约3μm）构成，涂层制备的工艺参数如表1。
[0041]
表1
[0042][0043]
对比例1-3
[0044]
与实施例1的不同之处在于，
[0045]
tibn涂层制备的工艺参数不同，如表2所示。
[0046]
表2
[0047][0048]
对比例4
[0049]
与实施例1的不同之处在于，
[0050]
对比例4的涂层由结合层tin（约0.5μm）和tib2（约3μm）构成，涂层制备的工艺参数如表3所示。
[0051]
表3
[0052][0053]
对实施例1和对比例1-4的tibn涂层或tib2涂层进行成分、纳米硬度和结合强度测试。成分采用波长色散x射线光谱（wds）和能量色散x射线光谱（eds）结合测试，轻元素b和n采用wds测试，ti元素采用eds测试。涂层纳米硬度采用纳米压痕仪测试；结合强度采用划痕测试仪测试。测试结果见表4。
[0054]
表4
[0055][0056]
从表4可以看出，实施例1和对比例1的结合强度都超过100n，远高于对比例2-4。对比例4中，元素原子比ti:b=1:2，符合tib2的化学计量式；对比例1中，元素原子比ti:(b+n)=1:1，与tin中的原子比ti:n=1:1类似，表明主体是面心立方结构fcc-tin，有少量立方相中的n原子被b原子取代；实施例1及对比例2-3中，元素原子比ti:(b+n)=1:2，与tib2中的原子比ti:b=1:2类似，表明主体是密排六方结构hcp-tib2，有少量六方相中的b原子被n原子取代。另外，实施例1中的tibn层的纳米硬度为46 gpa，相较于对比例4中tib2层的硬度48 gpa略有降低，对比例1中tibn层硬度32 gpa与实施例1比较相差明显。从对比例2-3的数据可看到，当n含量大于15 at.%或小于5 at.%，tibn层硬度和结合强度都大幅降低。综合来看，本发明的tibn层具有高的硬度和结合强度。
[0057]
实施例1和对比例4的涂层以及标准强度卡片中各峰的强度如表5所示。
[0058]
表5
[0059][0060]
经过计算，实施例1和对比例4的各个衍射峰的织构系数（tc）如表6所示。
[0061]
表6
[0062]
[0063]
从表6中可以看出，实施例1中，tibn层的tib2相沿(110)晶面方向取向，其织构系数为tc=5.298，具有明显的强织构；对比例4中的tib2层织构系数小，没有明显大的tc值，表明没有明显择优取向。
[0064]
以下对实施例1和对比例1-4的带涂层切削刀具的切削性能进行试验：
[0065]
其中，试验条件如下：
[0066]
刀具：wc-co硬质合金车刀（cnma 120408e-kd5）
[0067]
加工材料：不锈钢316l
[0068]
切削参数：
[0069]
切削速度：vc=250m/min
[0070]
进给：fz=0.25mm/z
[0071]
切深：ap=1.0mm
[0072]
切削方式：连续湿切
[0073]
切削不同时间后，刀片后刀面的磨损量vb(单位mm)测量结果见表7，当vb≥0.30mm时代表刀片失效，停止切削。刀片后刀面磨损量采用带刻度标尺的olympus sz61光学超景深显微镜测量。
[0074]
表7
[0075][0076]
对比例4刚开始使用，涂层就产生剥落，说明tib2层的膜-基结合力不好。从表7对比来看，实施例1涂层在耐磨性和刀具使用寿命上具有明显优势，实验过程中观察到具有强织构tib2相的tibn涂层可以有效抵抗刀具在切削过程中产生的热裂纹，有利于提高刀具的使用寿命；比传统的tibn层有更好的抗沟槽磨损和/或抗后刀面磨损的能力。
[0077]
本发明刀具的涂层至少包含一层tibn涂层，所述tibn涂层包含50~60at.%的硼以及5~15at.%的氮，tibn涂层中的tib2在(110)晶面择优取向生长，所述tibn涂层的物相组成包括密排六方结构hcp-tib2及面心立方结构fcc-tin，tibn涂层兼具tib2的高硬度和tin结合力好的特点，尤其是与含n元素和/或含b元素的涂层的结合力更好。本发明能形成综合性能更好的复合涂层，拓宽tibn涂层的使用范围，且本发明的tibn涂层制备方法简单，效果好，易于工业化生产。
[0078]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种带tibn涂层的刀具，其特征在于，包括刀具基体和基体上的通过cvd方法制备的厚度为2~20μm的涂层；所述涂层为单层或多层涂层，且至少包含一层tibn涂层，所述tibn涂层包含50~60at.%的硼以及5~15at.%的氮，tibn涂层中的tib2在(110)晶面择优取向生长。2.根据权利要求1所述的带tibn涂层的刀具，其特征在于，所述tibn涂层的物相组成包括密排六方结构hcp-tib2及少量的面心立方结构fcc-tin。3.根据权利要求1所述的带tibn涂层的刀具，其特征在于，所述tibn涂层的厚度为1~6μm，tibn涂层的显微硬度≥40gpa。4.根据权利要求1所述的带tibn涂层的刀具，其特征在于，所述tibn涂层的织构系数tc(110)≥2。5.根据权利要求1所述的带tibn涂层的刀具，其特征在于，所述tibn涂层的织构系数tc(110)≥4。6.根据权利要求1所述的带tibn涂层的刀具，其特征在于，所述涂层还可以包括含氮和/或含硼元素的其它涂层，所述含氮和/或含硼元素的其它涂层为tin、ticn、tino、ticno、tialcno、tib2、tibno、tialn、ticbn、aln、alcn、alcno、alno涂层的至少一种。7.根据权利要求1所述的带tibn涂层的刀具，其特征在于，所述刀具基体与涂层之间还包括结合层，结合层的厚度为0.1~1.0μm；所述结合层为含氮的硬质涂层。8.根据权利要求7所述的带tibn涂层的刀具，其特征在于，所述含氮的硬质涂层为ti、tin、tic、ticn涂层中的至少一种。9.一种权利要求1-8任一项所述的带tibn涂层的刀具的制备方法，其特征在于，所述的tibn涂层采用cvd方法，在750~950℃、4~90mbar条件下，以包括n2、nh3、n2h4中的至少一种、h2、ticl4、bcl3、ar为原料制备得到。

技术总结
本发明属于机械加工刀具技术领域，具体涉及一种带TiBN涂层的刀具及其制备方法，所述涂层至少包含一层TiBN涂层，所述TiBN涂层包含50~60at.%的硼以及5~15at.%的氮，TiBN涂层中的TiB2在(110)晶面择优取向生长，所述TiBN涂层的物相组成包括密排六方结构HCP-TiB2及面心立方结构FCC-TiN，TiBN涂层兼具TiB2的高硬度和TiN结合力好的特点，尤其是与含N元素和/或含B元素的涂层的结合力更好。本发明能形成综合性能更好的复合涂层，拓宽TiBN涂层的使用范围，且本发明的TiBN涂层制备方法简单，效果好，易于工业化生产。易于工业化生产。


技术研发人员：成伟 邱联昌 廖星文 朱骥飞 谭卓鹏 殷磊 高阳
受保护的技术使用者：赣州澳克泰工具技术有限公司
技术研发日：2023.08.31
技术公布日：2023/10/7