一种含TiB2涂层的刀具及其制备方法与流程

本发明属于涂层刀具，更具体地，涉及一种含tib2涂层的刀具及其制备方法。

背景技术：

1、随着工业的不断进步，对于钛合金、铝合金等有色金属材料的加工需求越来越多，精度要求也越来越高。由于切削钛合金、铝合金等材料时，刀具与被加工材料之间易发生粘结和扩散，在刀具前刀面产生积屑瘤以及冷焊，影响工件的表面质量和刀具的寿命。目前，传统的刀具涂层材料已不能满足现代切削加工高效、高速、高精度的要求，因此迫切发展更加先进的刀具涂层。

2、tib2是c32型六方晶体结构，是硼和钛最稳定的化合物，由于晶体结构中b原子面与ti原子面相互交替出现，形成二维网络结构，硼原子与钛原子之间通过共价键相结合，因此tib2是一种化学性质极为稳定的物质，表现出高的硬度、良好的导热性和导电性、高熔点(～3100℃)、高的耐磨性及强耐腐蚀性等一系列优异的物化性能。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，在钛合金等难加工材料的高效加工等工具负荷大的严酷的使用环境下，tib2涂层应力大、膜基结合强度差、耐磨性不够或耐热性能低等现象仍会导致刀具过早地失效，造成tib2涂层刀具的实际切削寿命存在显著波动性，甚至会出现tib2涂层刀具实际效果并不优于无涂层刀具。在cn202210259400.9一种含梯度复合结构的硬质涂层刀具及其制备方法公开硬质涂层包括梯度复合结构多层涂层和设于多层涂层表面的功能层tib2，多层涂层包括交替沉积的ti1-xalxn层和tibn层，ti1-xalxn层的厚度随着相对刀具基体距离的增大而降低，tibn层的厚度随着相对刀具基体距离的增大而增加。该专利通过交替沉积ti1-xalxn层和tibn层，再沉积功能层，向最外层功能层(tib2耐磨层)靠近的方向，tialn层厚度逐渐减薄，tibn层厚度逐渐增厚，向刀具基体或支撑层(tialn)靠近的方向，tialn层厚度逐渐变厚，tibn层厚度逐渐减薄，缓解了最外层功能层以及支撑层与多层梯度结构层之间的组织和性能突变，发挥tib2功能层的高耐磨性和优异的化学稳定性，提高了功能层与氮化物层之间的结合强度。但该专利中ti1-xalxn层和tibn层交替形成的梯度复合结构的多层涂层并未考虑ti1-xalxn层和tibn层之间的结构和性能差异也会影响各ti1-xalxn层和tibn子层之间的结合问题。而且该专利中梯度复合结构涂层沉积时需频繁交替开启和关闭tial靶和tib2靶材，容易在ti1-xalxn层和tibn层的交替界面引入杂质，降低二者之间的结合强度。此外，该方法操作较为复杂对工艺控制要求极为严苛，不利于工业化应用。

技术实现思路

1、本发明为克服现有tib2涂层刀具在钛合金、铝合金等因应力大、膜基结合强度差而导致刀具过早失效的问题，提供了一种含tib2涂层的刀具及制备方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种含tib2涂层的刀具，包括刀具基体表面的tin结合层、附着在tin结合层上的tibn过渡层和表面的tib2功能层，所述tibn过渡层包括多个层叠的tibn层，所述tibn层包括tin相和tib2相，自tin结合层至tib2功能层方向，tibn过渡层中tib2相的比例逐渐增加，tin相的比例逐渐降低。

4、进一步地，所述tin结合层的物相结构为单相面心立方结构；所述tibn过渡层的物相结构为非晶bn包裹纳米尺寸的面心立方结构tin晶粒和纳米尺寸的密排六方结构tib2晶粒的复合结构；所述tib2功能层的物相结构为密排六方结构。

5、进一步地，与tin结合层贴合的tibn层中tin相/(tin相+tib2相)的含量比例为50～70％，相邻tibn层中的tin相/(tin相+tib2相)的比例变化幅度为10～30％。

6、进一步地，所述tin结合层中各元素的原子百分含量为：ti为40at.％～60at.％，n为40at.％～60at.％；所述tibn过渡层中各元素的原子百分含量为：ti为20at.％～35at.％，b为30at.％～65at.％，n为5at.％～40at.％；所述tib2功能层中各元素的原子百分含量为：ti为30at.％～40at.％，b为60at.％～70at.％。

7、进一步地，所述tin结合层的厚度为0.5μm～2.0μm，所述tibn过渡层的厚度为0.5μm～2.0μm，所述tib2功能层的厚度为0.5μm～2.0μm。

8、进一步地，所述tibn过渡层中单个tibn层的厚度为0.1μm～2μm。

9、进一步地，所述刀具基体材料包括硬质合金、金属陶瓷和立方氮化硼中的一种或多种，可用于车削、铣削、钻销等切削加工中的至少一种，对钛合金、铝合金以及钛铝合金中等材料进行切削加工。

10、一种含tib2涂层的刀具的制备方法，步骤包括：

11、s1.对刀具基体表面进行预处理；

12、s2.采用磁控溅射法在刀具基体表面依次沉积形成tin结合层、tibn过渡层和tib2功能层；

13、其中，所述tin结合层在ar和n2混合气氛下，采用ti靶材进行溅射，所述ti靶材的平均溅射功率密度为5～30w/cm2；

14、所述tibn过渡层在ar和n2混合气氛下，采用tib2靶材进行溅射，所述tib2靶材的平均溅射功率密度为5～30w/cm2，n2和ar的压力比例逐渐降低；

15、所述tib2功能层在ar气氛下，采用tib2靶材进行溅射，所述tib2靶材的平均溅射功率密度为5～30w/cm2。

16、进一步地，所述tibn过渡层中，n2和ar的压力比例从80％逐渐降低至20％。

17、进一步地，所述磁控溅射法包括直流磁控溅射和高功率脉冲磁控溅射。

18、进一步地，所述所述沉积的偏压为-60～-150v，沉积气压为0.3～1.5pa。

19、与现有技术相比，有益效果是：

20、本发明在刀具基体表面依次设置tin结合层、tibn层作为过渡层、tib2作为功能层，通过调控tibn过渡层中tin和tib2的物相比例，所述tin结合层至tib2层的方向上，tibn过渡层中tib2相的比例逐渐增加，tin相的比例逐渐降低，使其在各层间界面处形成一定数量的共格或半共格界面，可减少各层之间的性能差异，调控层间应力分布，提高各层之间结合强度。并且tin结合层与tib2功能层之间微观结构差异逐层递减，并且可以偏转和分裂涂层内部的裂纹，从而抑制裂纹的扩展，提高涂层的韧性。

技术特征：

1.一种含tib2涂层的刀具，其特征在于，包括刀具基体表面的tin结合层、附着在tin结合层上的tibn过渡层和表面的tib2功能层，所述tibn过渡层包括1个或多个层叠的tibn层，所述tibn层包括tin相和tib2相，自tin结合层至tib2功能层方向，tibn过渡层中tib2相的比例逐渐增加，tin相的比例逐渐降低。

2.根据权利要求1所述含tib2涂层的刀具，其特征在于，所述tin结合层的物相结构为单相面心立方结构；所述tibn过渡层的物相结构为非晶bn包裹纳米尺寸的面心立方结构的tin晶粒和纳米尺寸的密排六方结构的tib2晶粒的复合结构；所述tib2功能层的物相结构为密排六方结构。

3.根据权利要求1所述含tib2涂层的刀具，其特征在于，与tin结合层贴合的tibn层中tin相/(tin相+tib2相)的含量比例为50～70％，相邻tibn层中的tin相/(tin相+tib2相)的比例变化幅度为10～30％。

4.根据权利要求1所述含tib2涂层的刀具，其特征在于，所述tin结合层中各元素的原子百分含量为：ti为40at.％～60at.％，n为40％at.％～60at.％；所述tibn过渡层中各元素的原子百分含量为：ti为20at.％～35at.％，b为30at.％～65at.％，n为5at.％～40at.％；所述tib2功能层中各元素的原子百分含量为：ti为30at.％～40at.％，b为60at.％～70at.％。

5.根据权利要求1所述含tib2涂层的刀具，其特征在于，所述tin结合层的厚度为0.5μm～2.0μm，所述tibn过渡层的厚度为0.5μm～2.0μm，所述tib2功能层的厚度为0.5μm～2.0μm。

6.根据权利要求1所述含tib2涂层的刀具，其特征在于，所述tibn过渡层中单个tibn层的厚度为0.1μm～2μm。

7.根据权利要求1所述含tib2涂层的刀具，其特征在于，所述刀具基体材料包括硬质合金、金属陶瓷和立方氮化硼中的一种或多种。

8.一种含tib2涂层的刀具的制备方法，其特征在于，步骤包括：

9.根据权利要求7所述含tib2涂层的刀具的制备方法，其特征在于，所述tibn过渡层中，n2和ar的压力比例从80％逐渐降低至20％。

10.根据权利要求7所述含tib2涂层的刀具的制备方法，其特征在于，所述沉积的偏压为-60～-150v，沉积气压为0.3～1.5pa。

技术总结本发明公开了一种含TiB<subgt;2</subgt;涂层的刀具及其制备方法，该涂层刀具包括TiN结合层、TiBN层作为过渡层、TiB<subgt;2</subgt;作为功能层，在TiN结合层至TiB<subgt;2</subgt;层的方向上，TiBN过渡层中TiB<subgt;2</subgt;相的比例逐渐增加，TiN相的比例逐渐降低。本发明通过调控TiBN过渡层中TiN和TiB<subgt;2</subgt;的物相比例，在层间界面处形成一定数量的共格或半共格界面，减少各层之间的性能差异，调控层间应力分布，提高各层之间结合强度；且TiBN层中N原子易与B原子结合生成软质的BN相，可降低涂层的残余应力。此外，TiBN过渡层中存在的多个梯度子层，可以偏转和分裂涂层内部的裂纹，从而抑制裂纹的扩展，提高涂层的韧性，解决了TiB<subgt;2</subgt;涂层应力大、膜基结合强度差的技术问题。技术研发人员：佘俊杰,耿东森,贺鹏,梁杨梦甜,欧香,袁美和,谭文清受保护的技术使用者：株洲欧科亿数控精密刀具股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5