一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法，所述刀具包括基体和沉积在所述刀具表面的涂层，所述涂层包含依次层叠的第一层、第二层和第三层，其中，所述第一层与所述基体至少一侧表面相连接，所述第一层为Al

【技术实现步骤摘要】
一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法


[0001]本专利技术涉及刀具涂层技术，尤其是一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法。

技术介绍

[0002]切削工具通常具有利用物理气相沉积(PVD)或者化学气相沉积(CVD)沉积的涂层，通过涂层以增加工具的寿命，一般地，切削工具采用的涂层是Ti、Al、Cr的氮化物。
[0003]其中，TiAlN涂层具有高硬度和热稳定性好等优良性能，是目前应用最为普遍的切削刀具涂层材料之一。但TiAlN涂层的抗氧化温度较低，不能满足目前高速切削技术发展的需求。
[0004]为了进一步改善涂层的高温性能，TiAlN涂层的多元合金化是改善切削刀具用涂层性能的有效途径。例如，在TiAlN涂层中添加Si元素，可显著提升涂层的高温抗氧化性能和热稳定性，受到广泛关注，并逐步在刀具涂层上取得应用。
[0005]具体的，TiSiN纳米复合涂层通过在传统的TiN单相涂层中加入一定含量的Si元素，发生热力学上的调幅分解，生成由1
‑
2各地非晶原子层(Si3N4)包覆纳米晶过渡金属氮化物的骨架式纳米复合结构，由于纳米晶体的强化效应及非晶层限制晶粒的滑移和转动对纳米晶晶界的强化作用。涂层表现出传统硬质涂层难以达到的高硬度，而且涂层高温下的组织稳定性、热硬性和抗氧化性等性能也大幅度提高。
[0006]然而，Si的加入使涂层的应力急剧增加，降低了涂层与基体的结合强度，显著影响其使用性能。它们还可能是脆性的，当被沉积到具有高韧度的基材上以及被沉积到具有锐利几何形状的基材上时，这可能引起问题，例如剥落。如果所述涂层还具有高的残留压缩应力，则所述剥落将更严重，特别是在钻具上的刃口、拐角等周围处。
[0007]为适应于高速切削条件下对涂层性能的苛刻要求，有必要设计并制备一种具有更高硬度和耐磨性的多层纳米复合涂层刀具。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种含有周期性涂层的刀具，从刀具基体往外，第一层为Al
a
Ti1‑
a
N层，第二层为包含Al
a
Ti1‑
a
N层、Al
a
Ti1‑
a
N/Ti
b
Si1‑
b
N纳米叠层、Ti
b
Si1‑
b
N纳米涂层组成一个周期的多周期复合功能层，第三层为Al
a
Ti1‑
a
N、Ti
b
Si1‑
b
N之间的一种或两种组成的染色层。
[0009]专利技术人认为，两种材料以纳米量级交替沉积形成的纳米多层涂层中，存在着硬度异常升高的超硬效应。此类涂层由两种剪切模量不同的材料组成，借助于界面对位错移动及裂纹扩展的阻滞作用，可使涂层的硬度、弹性模量和断裂强度等力学性能显著提高。
[0010]其中多层涂层是由两种或两种以上成分或结构不同的材料在垂直于涂层表面方向上相互交替生长而形成的二维多层材料，对于两种不同结构或组成的多层涂层，每相邻两层形成一个基本单元，其厚度称为调制周期。
[0011]本专利技术中，第二层是一个功能层，通过“A层到B层到C层”循环形成为一个多周期涂
层。其中，A层Al
a
Ti1‑
a
N层具有高达800
°
的使用温度和高韧性，在高温下可以形成阻止进一步氧化的氧化铝薄膜。B层Al
a
Ti1‑
a
N*n/Ti
b
Si1‑
b
N纳米叠层不仅可以使多层结构的纳米复合刀具涂层具有良好的抗裂纹扩展性，还可以使多层结构的纳米复合刀具涂层在高温下保持较高的硬度和高的抗氧化性。C层Ti
b
Si1‑
b
N容易形成非晶Si3N4包裹TiN纳米晶的纳米复合结构涂层使涂层保持高硬度、优异的高温抗氧化能力及高温稳定性能。“A层到B层到C层”多周期涂层可通过其层间界面释放涂层的生长应力，进而改善复合涂层与刀具基体的结合强度。
[0012]本专利技术还提供一种含有周期性涂层的刀具的制备方法，是采用硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面预处理，然后采用物理气相沉积方式，按照设计结构，以Ti1‑
a
Al
a
、Ti
b
Si1‑
b
为靶材在基体表面沉积相应涂层。
[0013]最后，本专利技术还保护所述周期性涂层的刀具在高速切削领域的应用。
[0014]具体方案如下：
[0015]一种含有周期性涂层的刀具，所述刀具包括基体和沉积在所述刀具表面的涂层，所述涂层包含依次层叠的第一层、第二层和第三层，
[0016]其中，所述第一层与所述基体至少一侧表面相连接，所述第一层为Al
a
Ti1‑
a
N层；
[0017]所述第二层为周期性涂层，单独一个周期由依次层叠的A层、B层和C层组成，并且，在一个周期内的所述A层相对所述B层更加靠近所述基体，所述A层为Ti1‑
a
Al
a
N层，所述B层为Ti1‑
a
Al
a
N*n/Ti
b
Si1‑
b
N纳米叠层，即Ti1‑
a
Al
a
N、Ti
b
Si1‑
b
N同时沉积在所述A层表面，且沉积采用的Al
a
Ti1‑
a
靶材为Ti
b
Si1‑
b
靶材总重的n倍；所述C层为Ti
b
Si1‑
b
N层；
[0018]所述第三层为Al
a
Ti1‑
a
N、Ti
b
Si1‑
b
N之间的一种或两种组成的染色层；
[0019]上述化学式中，字母各自独立地为：a＝0.4
‑
0.8，b＝0.6
‑
0.9，n＝1
‑
5。
[0020]进一步的，所述基体为硬质合金基体，所述硬质合金基体包含以WC为基础的硬质相、以Co为基础的粘结相和以取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物；
[0021]任选的，所述涂层的厚度为1
‑
10um，优选为2
‑
8um。
[0022]进一步的，所述第一层厚度为0.1
‑
3um，优选为0.5
‑
2.5um。
[0023]进一步的，所述第二层厚度为0.8
‑
5um，优选为1
‑
4um；
[0024]任选的，所述第三层厚度为0.1
‑
2um，优选为0.2
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有周期性涂层的刀具，其特征在于：所述刀具包括基体和沉积在所述刀具表面的涂层，所述涂层包含依次层叠的第一层、第二层和第三层，其中，所述第一层与所述基体至少一侧表面相连接，所述第一层为Al
a
Ti1‑
a
N层；所述第二层为周期性涂层，单独一个周期由依次层叠的A层、B层和C层组成，并且，在一个周期内的所述A层相对所述B层更加靠近所述基体，所述A层为Ti1‑
a
Al
a
N层，所述B层为Ti1‑
a
Al
a
N*n/Ti
b
Si1‑
b
N纳米叠层，即Ti1‑
a
Al
a
N、Ti
b
Si1‑
b
N同时沉积在所述A层表面，且沉积采用的Al
a
Ti1‑
a
靶材为Ti
b
Si1‑
b
靶材总重的n倍；所述C层为Ti
b
Si1‑
b
N层；所述第三层为Al
a
Ti1‑
a
N、Ti
b
Si1‑
b
N之间的一种或两种组成的染色层；上述化学式中，字母各自独立地为：a＝0.4
‑
0.8，b＝0.6
‑
0.9，n＝1
‑
5。2.根据权利要求1所述含有周期性涂层的刀具，其特征在于：所述基体为硬质合金基体，所述硬质合金基体包含以WC为基础的硬质相、以Co为基础的粘结相和以取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物；任选的，所述涂层的厚度为1
‑
10um，优选为2
‑
8um。3.根据权利要求2所述含有周期性涂层的刀具，其特征在于：所述第一层厚度为0.1
‑
3um，优选为0.5
‑
2.5um。4.根据权利要求2所述含有周期性涂层的刀具，其特征在于：所述第二层厚度为0.8
‑
5um，优选为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艺聪，林海洋，纪荣杰，王长泰，
申请(专利权)人：厦门鸿鹭联创工具有限公司，
类型：发明
国别省市：