[发明专利]一种具有增强耐磨性和韧性的纳米柱状晶的刀具涂层

说明书

技术领域

本发明涉及包含涂覆有MT-TiCN纳米柱状晶涂层主体的切削工具，特别是涉及一种具有增强耐磨性和韧性的纳米柱状晶的刀具涂层。

背景技术

在切削工具表面涂覆涂层是提高切削工具性能的重要途径之一，涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热传导率低等特点，切削时可比未涂层刀具提高寿命5～10倍以上。切削工具的表面涂层技术作为市场需求发展起来的一项优质表面改性技术，由于该项技术可使切削工具获得优良的综合机械性能，不仅可有效地提高切削工具使用寿命，而且还能大幅度地提高机械加工效率，因此该项技术成为切削工具制造的关键技术之一。

MT-TiCN涂层作为CVD涂层的重要功能层之一，通常是由其晶粒长度接近涂层厚度的柱状晶粒构成。该涂层是在单一的TiC晶格中，N原子占据原来C原子在点阵中的位置而形成的复杂化合物。由于MT-TiCN涂层具有TiC和TiN的综合性能，同时可以在涂覆过程中可通过改变C、N的成分控制MT-TiCN涂层性质，因此是一种较理想的刀具涂层材料。但是采用传统工艺TiCl₄-CH₃CN-N₂-H₂系统沉积制得的MT-TiCN涂层存在有大柱状晶粒，刀具的耐磨性及抗冲击性受到了一定的影响。

细晶纤维状结构MT-TiCN涂层裂纹少，降低涂层的内应力，提高涂层韧性，阻止裂纹的扩展，减少刀片崩刃。同时由于晶粒比较细，耐磨性能更加优异。在切削时即使受到反复的机械冲击及热冲击，涂层也不容易产生剥离或破坏，从而改善了刀具在连续切削条件下的抗崩刃性能，这对加工不锈钢，合金钢，球墨铸铁等十分有利。

众所周知，多晶材料的硬度通常遵照Hall-Petch公式：其中H为多晶材料的硬度，H°为单晶的硬度，C为材料常数(C>0)，而d为晶粒尺寸。从该公式看出，可以通过减小晶粒尺寸来提高材料的硬度。

根据材料学原理，晶粒越细小，综合力学性能越好。细晶粒组织比较均匀，晶界比较多，起到细晶强化的作用，所以强度、硬度比较高，而在塑性变形时，由于组织比较均匀，不会在局部产生过量变形而破坏结构，表现出较好的塑性和韧性。所以能否开发出均匀细小的MT-TiCN柱状晶涂层在刀具化学涂层工艺开发中起着重要的作用。

US20020012818中披露了采用CO掺杂来实现纳米晶粒MT-TiCN涂层。US6472060中公开了一种采用较高流量的CO(优选大约为7-9％)掺杂来实现耐磨晶粒的MT-TiCN涂层。但是,CO掺杂的纳米晶粒MT-TiCN涂层为等轴晶，韧性提高，耐磨性下降。Ruppi等人在Thin Solid Film402(2002)203已经确认，在将涂层的晶粒降低至纳米晶粒区域以下(20-50nm)将降低月牙洼的耐磨性。这些纳米晶粒涂层更硬，但是存在晶界滑动，从而导致在更高温度下出现塑性变形。CN200410036997.2中公开了一种通过采用CO、CO₂、ZrCl₄和AlCl₃或这些组合进行掺杂获得MT-TiCN纳米柱状晶涂层。

从上面可以看出，MT-TiCN柱状晶涂层一种较理想的刀具涂层材料，但是传统工艺制得的涂层晶粒比较粗大。目前公开的超细MT-TiCN柱状晶涂层大都通过不同元素的掺杂获得，而且细小的MT-TiCN涂层容易形成等轴晶。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种具有增强耐磨性和韧性的纳米柱状晶的刀具涂层，通过对MT-TiCN涂层的工艺改进，既克服了MT-TiCN涂层柱状晶粒比较粗大时其耐磨性及抗冲击性不足的弊端，又克服了细小的MT-TiCN涂层容易形成等轴晶造成耐磨性下降的弊端。