一种在刀具上涂覆涂层的制备方法，涉及一种刀具。将数控刀片放入反应室内抽真空，通入TiCl4、N2和H2气体混合物，在刀具表面上沉积TiN层；通入TiCl4、N2、CH3CN和H2气体混合物，在TiN层表面沉积MT-TiCN层；关闭气源，通入TiCl4、AlCl3，CO、CO2、CH4、N2和H2气体混合物，沉积粘结相AlTiCNO层；在TiCl4、CO、CO2、CH4、N2和H2气体混合物中，沉积TiCO层；在CO2、AlCl3、HCl和H2气体混合物中，沉积氧化铝成核层；通入AlCl3、CO、CO2、HCl，H2S和H2气体混合物中，沉积氧化铝涂层。涂层表面光洁度较高、晶粒均匀较细密。
1.一种在刀具上涂覆涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
3)通过加热罩将反应室加热、加压下，通入TiCl4、N2和H2的气体混合物，在刀具表面上沉积TiN层；
4)沉积完TiN层后，将反应室温度稳定在850～950℃，并且在50～500mbar的压强下，通入TiCl4、N2、CH3CN和H2的气体混合物，在TiN层表面上沉积MT-TiCN层；
5)关闭气源，然后通入TiCl4、AlCl3，CO、CO2、CH4、N2和H2的气体混合物，在温度为900～
1020℃和在压强为50～200mbar下，沉积粘结相AlTiCNO层；所述TiCl4、AlCl3，CO、CO2、CH4、N2和H2的气体混合物中按质量百分比TiCl4为0.2％～10％，AlCl3为0.2％～8％，CO为0.3％～9％，CO2为0.1％～5％，CH4为0.2％～7％，N2为0～15％，N2不为0，余为H2；所述粘结相AlTiCNO层的厚度为0.1～1.5μm，沉积的时间为0.2～1h；
6)在TiCl4、CO、CO2、CH4、N2和H2的气体混合物中，在温度为900～1020℃和压强为
50～200mbar下，沉积TiCO层；所述TiCl4、CO、CO2、CH4、N2和H2的气体混合物中按质量百分比TiCl4为2％～6％，CO为3％～9％，CO2为1.5％～10％，CH4为0.2％～7％，N2为
0～15％，余为H2；所述TiCO层的厚度为0.1～0.3μm，沉积的时间为1～30min；
7)在CO2、AlCl3、HCl和H2的气体混合物中，在温度为900～1020℃和压强为50～
8)在AlCl3、CO、CO2、HCl，H2S和H2的气体混合物中，在温度为900～1020℃和压强为
50～200mbar下，沉积氧化铝涂层，得在刀具表面涂覆有涂层的刀具；所述AlCl3、CO、CO2、HCl，H2S和H2的气体混合物中按质量百分比AlCl3为0.1％～10％，CO为0～10％，CO不为0，CO2为0～5％，CO2不为0，HCl为0～15％，HCl不为0，H2S为0.01％～1％，余为H2；
所述氧化铝涂层的厚度为3～10μm，沉积的时间为4～15h。
2.如权利要求1所述的一种在刀具上涂覆涂层的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述抽真空的真空度为10mbar以下。
3.如权利要求1所述的一种在刀具上涂覆涂层的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述加热的温度为900～950℃，所述加压的压力为50～500mbar；所述TiCl4、N2和H2的气体混合物中按质量百分比TiCl4为0.2％～10％，N2为2％～50％，余为H2；所述TiN层的厚度为0.5μm～1μm，沉积时间为0.5～1h。
4.如权利要求1所述的一种在刀具上涂覆涂层的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述TiCl4、N2、CH3CN和H2的气体混合物中按质量百分比TiCl4为0.2％～10％，N2为2％～
50％，CH3CN为0.2％～10％，余为H2；所述MT-TiCN层的厚度为2～14μm，沉积的时间为
5.如权利要求1所述的一种在刀具上涂覆涂层的制备方法，其特征在于在步骤7)中，所述CO2、AlCl3、HCl和H2的气体混合物中按质量百分比CO2为1％～5％，AlCl3为2％～
10％，HCl为1％～15％，余为H2；所述氧化铝成核层的厚度为0.1～0.8μm，沉积的时间为0.2～1h。
6.如权利要求1所述的一种在刀具上涂覆涂层的制备方法，其特征在于所述涂层包括至少一层α-Al2O3层，α-Al2O3层由具有平均颗粒小于1μm的柱状晶粒组成，柱状晶粒的长宽比为3～13，氧化铝涂层厚度为1～10μm。
7.如权利要求6所述的一种在刀具上涂覆涂层的制备方法，其特征在于所述柱状晶粒的长宽比为4～10，氧化铝涂层厚度为4～9μm。
8.如权利要求7所述的一种在刀具上涂覆涂层的制备方法，其特征在于所述柱状晶粒的长宽比为6～8。
一种在刀具上涂覆涂层的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种刀具，尤其是涉及一种在刀具上涂覆涂层的制备方法。
背景技术
[0002] 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。
[0003] Al2O3涂层具有很高的化学稳定性和优良的热障特性，是高速切削刀具理想的涂层材料。此外，需要强调的是，目前，CVD仍然是能够经济生产高质量的Al2O3涂层的唯一技术手段。可以通过CVD工艺沉积Al2O3涂层可以获得三种不同的相，分别是α-Al2O3，k-Al2O3和γ-Al2O3，其中α-Al2O3是唯一稳定的Al2O3相。亚稳定的κ相和γ相将通过如沉积中的热处理、沉积后的热处理以及切削加工中产生的热量而转化为稳定的α相。在相变时发生的体积收缩将降低并最终破坏κ-Al2O3涂层的粘附性，如美国专利US5700569。因此，考虑到涂层的沉积效果和耐磨损性能(尤其在高速切削时)，α-Al2O3相应该是最佳和最安全的选择，如美国专利US5137774。但是，α-Al2O3具有晶粒易长大的特点，这对于切削十分不利，容易造成崩刃，降低刀具寿命。采用传统涂层工艺时，当α-Al2O3涂层厚度为7μm时，晶粒已很粗大，平均晶粒度达4μm以上，很难获得稳定不易脱落的α-Al2O3厚膜涂层，而且粗大的氧化铝经常含有孔洞和晶体缺陷。为了获得高质量、细颗粒的α-Al2O3涂层，通常采用多层分步沉积的方法。如美国专利US6713172公开的氧化铝采用分层多次沉积的方法，层与层之间通过极薄的钛氧化物来间隔，可以获得表面平均颗粒约0.5μm的α-Al2O3涂层。美国专利US 6673393采用相类似的方法，获得小于0.5μm的k-Al2O3涂层。美国专利US5071696通过控制成核条件及利用κ-Al2O3亚稳定相转化为α-Al2O3相，获得细颗粒的氧化铝涂层，颗粒大小在0.5～2μm之间。
发明内容
[0004] 本发明的目的是克服现有技术中氧化铝晶粒粗大、晶粒不均匀等技术不足，提供一种适用于切削工具，所形成的涂层具有表面光洁度较高、晶粒均匀较细密等特点的在刀具上涂覆涂层的制备方法。
[0005] 本发明包括以下步骤：
[0006] 1)将数控刀片放入反应室内；
[0007] 2)将反应室抽成真空状态；
[0008] 在步骤2)中，所述抽真空的真空度可为10mbar以下。
[0009] 3)通过加热罩将反应室加热、加压下，通入TiCl4、N2和H2的气体混合物，在刀具表面上沉积TiN层；
[0010] 在步骤3)中，所述加热的温度可为900～950℃，所述加压的压力可为50～500mbar；所述TiCl4、N2和H2的气体混合物中按质量百分比TiCl4为0.2％～10％，N2为
2％～50％，余为H2；所述TiN层的厚度可为0.5μm～1μm，沉积时间可为0.5～1h。
[0011] 4)沉积完TiN层后，将反应室温度稳定在850～950℃，并且在50～500mbar的压强下，通入TiCl4、N2、CH3CN和H2的气体混合物，在TiN层表面上沉积MT-TiCN层；
[0012] 在步骤4)中，所述TiCl4、N2、CH3CN和H2的气体混合物中按质量百分比TiCl4为0.2％～10％，N2为2％～50％，CH3CN为0.2％～10％，余为H2；所述MT-TiCN层的厚度可为2～14μm，沉积的时间可为1.5～7h。
[0013] 5)关闭气源，然后通入TiCl4、AlCl3，CO、CO2、CH4、N2和H2的气体混合物，在温度为900～1020℃和在压强为50～200mbar下，沉积粘结相AlTiCNO层；
[0014] 在步骤5)中，所述TiCl4、AlCl3，CO、CO2、CH4、N2和H2的气体混合物中按质量百分比TiCl4为0.2％～10％，AlCl3为0.2％～8％，CO为0.3％～9％，CO2为0.1％～5％，CH4为0.2％～7％，N2为0～15％，余为H2；所述粘结相AlTiCNO层的厚度可为0.1～1.5μm，沉积的时间可为0.2～1h。
[0015] 6)在TiCl4、CO、CO2、CH4、N2和H2的气体混合物中，在温度为900～1020℃和压强为50～200mbar下，沉积TiCO层；
[0016] 在步骤6)中，所述TiCl4、CO、CO2、CH4、N2和H2的气体混合物中按质量百分比TiCl4为2％～6％，CO为3％～9％，CO2为1.5％～10％，CH4为0.2％～7％，N2为0～15％，余为H2；所述TiCO层的厚度可为0.1～0.3μm，沉积的时间可为1～30min。
[0017] 7)在CO2、AlCl3、HCl和H2的气体混合物中，在温度为900～1020℃和压强为50～200mbar下，沉积氧化铝成核层；
[0018] 在步骤7)中，所述CO2、AlCl3、HCl和H2的气体混合物中按质量百分比CO2为1％～5％，AlCl3为2％～10％，HCl为1％～15％，余为H2；所述氧化铝成核层的厚度可为0.1～
0.8μm，沉积的时间可为0.2～1h。
[0019] 8)通入AlCl3、CO、CO2、HCl，H2S和H2的气体混合物中，在温度为900～1020℃和压强为50～200mbar下，沉积氧化铝涂层，得在刀具表面涂覆有涂层的刀具。
[0020] 在步骤8)中，所述AlCl3、CO、CO2、HCl，H2S和H2的气体混合物中按质量百分比AlCl3为0.1％～10％，CO为0～10％，CO2为0～5％，HCl为0～15％，H2S为0.01％～1％，余为H2；所述氧化铝涂层的厚度可为3～10μm，沉积的时间可为4～15h。
[0021] 本发明所制备的涂层包括至少一层α-Al2O3层，α-Al2O3层由具有均匀细颗粒(平均颗粒小于1μm)的柱状晶粒组成，柱状晶粒的长宽比为3～13，优选4～10，最佳为6～8，氧化铝涂层厚度为1～10μm，优选4～9μm。通过扫描电镜观察分析，颗粒大小非常均匀，颗粒分布非常狭窄，90％的颗粒大小在0.75-1.25μm之间。
[0022] 氧化铝涂层在结合层(Ti，Al)CNO上，在该层上生长受控氧含量的TiCNO层，通过调节优化层CO2与CO之间的比例来控制氧化气氛，使α-Al2O3在形核时产生大量的细核，从而细化氧化铝的晶粒，并在氧化铝成长过程中，采用CO\HCl气体有效的抑制氧化铝颗粒的粗大，使氧化铝均匀的成长。
[0023] 获得均匀细颗粒的氧化铝涂层的关键之一是在成核过程中控制CO与CO2的比例，来控制氧化气氛，这个比例应该是0.1～10，优选是1～5。另一个关键是在氧化铝成长过程中，采用CO\HCl气体有效的抑制氧化铝颗粒，这个比例应该是0～15，优选为3～6。
[0024] 本发明通过调节优化层CO2与CO之间的比例来控制氧化气氛使α-Al2O3形成大量的细核，从而细化氧化铝的晶粒，并在氧化铝成长过程中，采用HCl与CO气体有效的抑制氧化铝颗粒的粗大，使氧化铝均匀的成长。
附图说明
[0025] 图1为本发明涂层a氧化铝涂层的断面电镜照片。氧化铝涂层厚度约为7μm，采用抑制的办法使α氧化铝形成柱状晶结构。
[0026] 图2为本发明涂层a氧化铝涂层表面1k倍的电镜照片。从图2可以看出，氧化铝涂层表面颗粒分布均匀，颗粒比较细。
[0027] 图3为本发明涂层a氧化铝涂层表面5k倍的电镜照片。从图3可以看出，氧化铝大小非常均匀，分布非常集中，颗粒大小在0.75～1.25μm之间。
[0028] 图4为现有技术涂层b氧化铝涂层表面1k倍的电镜照片
[0029] 图5为现有技术涂层b氧化铝涂层表面5k倍的电镜照片
具体实施方式
[0030] 以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
[0031] 实施例1
[0032] 组分为6％Co，余量为WC的硬质合金切削刀片，其表面涂覆有TiN层、MT-TiCN层，厚度分别为0.5～1μm、7μm。该层上面还涂覆有一厚度约为8μm的α-Al2O3层，详细的工艺参数如表1所示。
[0033] 表1
[0034]步骤 1 2 3 4 5 6
TiN TiCN AlTiCNO TiNCO Al2O3成核 Al2O3
TiCl4(％) 1.7 1.6 4.0 2.1
N2(％) 38 35 4.0 6.0
CO2(％) 1.8 3.0 2 3
CO(％) 4.0 6.0 6.0
CH4(％) 1.0 1.0
AlCl3(％) 3.0 2.8 3.2
H2S(％) 0.3
HCl(％) 2 2
H2(％) 余量 余量 余量 余量 余量 余量
CH3CN(％) 0.9
压力(mbar) 100 70 150 150 100 70
温度(℃) 930 885 1000 1000 1000 1000
时间(min) 60 320 20 20 30 500
[0035] 实施例2
[0036] 作为参考，根据现有技术粗颗粒的氧化铝结构，沉积涂层b，并采用与涂层a同样的刀片基体，同样的涂层厚度及同样的刀片型号。利用电子扫描显微镜对氧化铝涂层表面进行分析。确定涂层a和b的氧化铝颗粒大小，如表2所示。
[0037] 表2
[0038]
[0039] 实施例3
[0040] 对涂层a及涂层b进行抗冲击实验比较，参见表3。
[0041] 工件：带4个断槽的圆柱棒；
[0042] 材料：45#钢；
[0043] 刀片型号：WNMG080412；
[0044] 切削参数：V＝200r/min，ap＝2mm，F＝0.20mm/r。
[0045] 表3
[0046]序号 牌号 时间(min) 冲击次数(次) 备注
1 涂层a(本发明) 5 4000 刀尖完好
2 涂层a(本发明) 5 4000 刀尖完好
3 涂层a(本发明) 5 4000 刀尖完好
4 涂层b现有技术 0.2 160 崩掉
5 涂层b现有技术 1 800 崩掉
6 涂层b现有技术 1.5 1200 崩掉
[0047] 从表3可以看出，本发明涂层a的韧性比现有技术涂层b好。
[0048] 实施例4
[0049] 对涂层a及涂层b进行耐磨实验。
[0050] 工件：圆柱棒
[0051] 材料：HT250铸铁
[0052] 刀片型号：WNMG080412
[0053] 切削参数：V＝250m/min，ap＝1mm，F＝0.20mm/r
[0054] 采用切削8min后，测量刀尖的磨损量，记录数值；然后再切削3min，测量刀尖的磨损量，并记录刀尖磨损的数值，如表4所示。
[0055] 表4
[0056]
[0057] 从表4可以看出，本发明涂层a的耐磨性能必现有技术涂层b好。
