一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具技术

本发明专利技术提供一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具。本发明专利技术提供的耐高温硬质复合涂层以CrN为过渡层，增强基体与纳米复合层之间的结合力，交替设置的AlCrSiN层和MeN层具有自适应性能，W、Nb、Hf等金属元素的掺入可以在切削摩擦的高温条件下(大于800℃)快速形成具有润滑作用的W‑O、Nb‑O及Hf‑O摩擦氧化物，这些氧化物在刀具表面形成的同时对涂层内部起到保护的作用，因此在高温条件下依然保持良好的硬度、低摩擦系数、抗摩擦磨损等物理机械性能。

A high temperature resistant hard composite coating and its preparation method and coating tool

The invention provides a high temperature resistant hard composite coating, a preparation method and a coating tool. The invention provides a high temperature resistant hard composite coating with CrN as transition layer, improve the bonding strength between the substrate and the nano composite layer, arranged alternately AlCrSiN layer and MeN layer with adaptive performance, W, Nb, Hf and other metal elements in high temperature conditions can be incorporated into the cutting friction (greater than 800 DEG C) fast with lubrication W O, Nb O and Hf O friction oxides, these oxides formed in the surface of the tool to protect the internal coating, therefore still maintain good hardness, under the condition of high temperature and low coefficient of friction and abrasion resistance of mechanical properties such as friction.

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具
本专利技术涉及硬质涂层
，特别涉及一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具。
技术介绍
硬质涂层是进行材料表面强化、发挥材料潜力、提高生产效率的有效途径，它是表面涂层的一种，是指通过物理或化学方法在基地的表面沉积的显微硬度大于某一特定值的表面涂层。硬质涂层已经被广泛应用于切削业、模具工业、地质钻探、纺织工业、机械制造以及航空航天领域，并发挥着越来越重要的作用。其中，硬质涂层在切削业的应用，不仅可以加工普通切削工具如刀具、钻头等难以加工的材料，而且可以提高切削的精准度，发挥出超硬、强韧、耐磨、自润滑等优势，被认为是切削史上的一次革命。其中，纳米多层复合涂层在刀具行业使用较为广泛。早期的硬质保护涂层，如简单二元TiN、TiC涂层因具有较高的抗机械磨损、低摩擦系数和抗磨料磨损，所以在很多领域上广泛使用，但上述涂层的高温抗氧化性能较差，所以涂层在高速切割领域上不符合使用要求。虽然众多研究者们在简单涂层的基础上掺杂入Al、Cr等元素来提高涂层的抗氧化效果，但这些涂层在高温条件下的硬度、耐摩擦磨损性能依然较差，导致刀具的使用寿命短，仍不能满足现代高速加工刀具的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具。本专利技术提供的耐高温硬质复合涂层在高温条件下仍保持良好的硬度、低摩擦系数和抗摩擦磨损性能，用于刀具表面时寿命长。本专利技术提供了一种耐高温硬质复合涂层，包括在基体表面依次设置的CrN过渡层和纳米复合层，所述纳米复合层包括在CrN过渡层表面依次交替设置的AlCrSiN层和MeN层，所述Me包括W、Nb或Hf。优选的，每层AlCrSiN层的厚度独立地为10～15nm。优选的，所述AlCrSiN层按原子百分比计，包括：Al34～42at.％，Cr13～20at.％，Si5～9at.％和N33～47at.％。优选的，所述AlCrSiN层为包括纳米晶CrN、非晶Si3N4和非晶AlN的纳米复合结构。优选的，每层MeN层的厚度独立地为4～10nm。优选的，所述MeN层按原子百分比计，包括：Me48～60at.％和N52～40at.％。优选的，所述纳米复合层的厚度为2～5μm。优选的，所述CrN过渡层的厚度为50～200nm。本专利技术提供了一种上述技术方案所述耐高温硬质复合涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)在基体表面沉积CrN过渡层；(2)在所述步骤(1)中的CrN过渡层的表面依次交替沉积AlCrSiN层和MeN层，所述Me包括W、Nb或Hf，得到耐高温硬质复合涂层。本专利技术还提供了一种涂层刀具，包括刀具基体和设置在所述刀具基体表面的涂层，所述涂层为上述技术方案所述的耐高温硬质复合涂层或按照上述技术方案所述制备方法制备的耐高温硬质复合涂层。本专利技术提供的耐高温硬质复合涂层，包括在基体表面依次设置的CrN过渡层和纳米复合层，所述纳米复合层包括在CrN过渡层表面依次交替设置的AlCrSiN层和MeN层，所述Me包括W、Nb或Hf。本专利技术提供的耐高温硬质复合涂层以CrN为过渡层，增强基体与纳米复合层之间的结合力，交替设置的AlCrSiN层和MeN层具有自适应性能，W、Nb、Hf等金属元素的掺入可以在切削摩擦的高温条件下(大于800℃)快速形成具有润滑作用的W-O、Nb-O及Hf-O摩擦氧化物，这些氧化物在刀具表面形成的同时对涂层内部起到保护的作用，因此在高温条件下依然保持良好的硬度、低摩擦系数、抗摩擦磨损等物理机械性能。实验结果表明，本专利技术提供的耐高温硬质复合涂层在如下切削条件下：切削速度为350m/min，工件材料为H13(HRC55-57)，进给率为0.06mm/flute，深度为0.3mm，侧铣，平均寿命为162.0m，与AlCrSiN涂层的刀具在相同条件下的平均寿命48.0m相比，寿命显著提高。附图说明图1为本专利技术耐高温硬质复合涂层结构示意图；其中，1为基体，2为CrN为过渡层，3为纳米复合层，4为AlCrSiN层，5为MeN层；图2为本专利技术实施例1耐高温硬质复合涂层中纳米复合层的XRD图谱。具体实施方式本专利技术提供了一种耐高温硬质复合涂层，如图1所示，本专利技术提供的耐高温硬质复合涂层包括在基体1表面依次设置的CrN过渡层2和纳米复合层3，所述纳米复合层3包括在CrN过渡层2表面依次交替设置的AlCrSiN层4和MeN层5。本专利技术提供的耐高温硬质复合涂层包括设置于基体表面的CrN过渡层。在本专利技术中，所述CrN过渡层的厚度优选为50～200nm，更优选为100～150nm，最优选为120～130nm。在本专利技术中，所述的CrN过渡层按原子百分比计，优选包括：Cr45～64at.％和N55～36at.％，更优选包括Cr48～55at.％和N52～45at.％。在本专利技术中，所述CrN过渡层设置于基体与纳米复合层之间，与基体与纳米复合层晶格匹配，并且增强二者之间的结合力，并且减少涂层疲劳和内应力。本专利技术提供的耐高温硬质复合涂层包括设置于CrN过渡层表面的纳米复合层，所述纳米复合层包括在CrN过渡层表面依次交替设置的AlCrSiN层和MeN层，所述Me包括W、Nb或Hf。在本专利技术中，所述耐高温硬质复合涂层的最外层优选为MeN层。在本专利技术中，每层AlCrSiN层的厚度独立地优选为10～15nm，更优选为12～13nm。在本专利技术中，所述MeN层的厚度独立地优选为4～10nm，更优选为6～8nm。在本专利技术中，所述纳米复合层的厚度优选为2～5μm，更优选为3～4μm。在本专利技术中，所述AlCrSiN层按原子百分比计，优选包括：Al34～42at.％，Cr13～20at.％，Si5～9at.％和N33～47at.％，更优选包括：Al36～40at.％，Cr15～18at.％，Si6～8at.％和N38～42at.％。在本专利技术中，所述AlCrSiN层优选为包括纳米晶CrN、非晶Si3N4和非晶AlN的纳米复合结构。在本专利技术中，所述纳米晶CrN的晶粒度优选为2～10nm，更优选为3～5nm。在本专利技术中，所述AlCrSiN层具有高硬度及抗氧化特性，同时具有纳米复合结构，可以促进高速切削状态下元素间的扩散，提升总体涂层的切削性能。在本专利技术中，所述MeN层按原子百分比计，优选包括：Me48～60at.％和N52～40at.％，更优选包括：Me50～55at.％和N55～50at.％。在本专利技术中，所述MeN层优选包括WN、NbN和HfN的纳米晶中的一种。在本专利技术中，所述MeN层的晶粒度优选为3～8nm，更优选为4～5nm。在本专利技术中，所述MeN层的金属元素中的W、Nb或Hf可以在高温条件下(大于800℃)快速形成具有润滑作用的W-O、Nb-O及Hf-O摩擦氧化物，这些氧化物在刀具表面形成的同时对涂层内部起到保护的作用，因此在高温条件下依然保持良好的硬度、低摩擦系数、抗摩擦磨损等物理机械性能。在本专利技术中，所述AlCrSiN层和MeN层交替周期排列，具有自适应性能，在切削摩擦摩擦时可以生成摩擦氧化物，从而减少切削磨损，提高刀具寿命。本专利技术还提供了上述技术方案所述耐高温硬质复合涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)在基体表面沉积CrN过渡层；(2)在所述步骤(1)中的CrN过渡层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐高温硬质复合涂层，包括在基体表面依次设置的CrN过渡层和纳米复合层，所述纳米复合层包括在CrN过渡层表面依次交替设置的AlCrSiN层和MeN层，所述Me包括W、Nb或Hf。

【技术特征摘要】
1.一种耐高温硬质复合涂层，包括在基体表面依次设置的CrN过渡层和纳米复合层，所述纳米复合层包括在CrN过渡层表面依次交替设置的AlCrSiN层和MeN层，所述Me包括W、Nb或Hf。2.根据权利要求1所述的耐高温硬质复合涂层，其特征在于，每层AlCrSiN层的厚度独立地为10～15nm。3.根据权利要求1或2所述的耐高温硬质复合涂层，其特征在于，所述AlCrSiN层按原子百分比计，包括：Al34～42at.％，Cr13～20at.％，Si5～9at.％和N33～47at.％。4.根据权利要求3所述的耐高温硬质复合涂层，其特征在于，所述AlCrSiN层为包括纳米晶CrN、非晶Si3N4和非晶AlN的纳米复合结构。5.根据权利要求1所述的耐高温硬质复合涂层，其特征在于，每层MeN层的厚度独立地为4～10nm。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹长伟，陈诗敏，王泽松，
申请(专利权)人：岭南师范学院，
类型：发明
国别省市：广东,44