含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具制造技术

本发明专利技术公开了一种含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和设于所述刀具基体上的复合涂层，所述复合涂层包括自刀具基体表面向外依次设置的氮化物底层、CrON过渡层和Cr2O3氧化物层。该复合涂层切削刀具具有耐高温磨损性能好、抗冲击性能高、抗氧化性能良好等优点，涂层之间及涂层与刀具基体之间结合强度高，实现了热稳定性、抗高温氧化性、耐磨性以及复合涂层层间结合力的协同提升，特别适用于硬质合金可转位刀片，同时也适用于金属陶瓷、非金属陶瓷等其他切削刀具材料。非金属陶瓷等其他切削刀具材料。非金属陶瓷等其他切削刀具材料。

【技术实现步骤摘要】
含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具


[0001]本专利技术属于金属切削加工领域，具体涉及一种含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具。

技术介绍

[0002]切削加工的发展对机械制造的生产效率、加工精度和成本有着重要意义。为了提高机械加工的效率、减少对生态环境的污染，干式高速切削在近年来得到巨大发展。干式高速切削是包含高温摩擦和高温氧化的复杂过程，对刀具材料要求极为严苛，需要刀具具有良好的力学性能、抗氧化性、高温稳定性和耐磨性等综合性能。常用的刀具包括：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、超硬刀具和涂层刀具。其中，涂层刀具兼具基体强度高、韧性好以及表面涂层硬度高，耐磨性、高温稳定性好等优点且制造成本较低，是目前应用广泛的刀具材料。
[0003]涂层刀具是在硬质合金刀具的表面涂覆硬质涂层，从而延长刀具在切削中的寿命。1969年，Sandvik公司申请了采用化学气相沉积技术在硬质合金刀具表面沉积TiC硬质涂层的专利，标志着涂层刀具的诞生。随后，采用CVD制备的刀具涂层家族迎来了TiN、TiCN和Al2O3等新成员加入。随着物理气相沉积技术在制备刀具涂层中的应用，更多新的刀具涂层材料被创造出来。包括TiAlN、CrAlN、TiSiN、TiAlSiN、CrAlSiN、TiB2等单层涂层及其组合而成的多层涂层。除氮化物涂层外，以Al2O3为代表的金属氧化物涂层也具有优秀的防护性质。Al2O3在高温下具有较高的硬度，良好的热稳定性和化学稳定性以及优良的抗氧化磨损和抗扩散磨损性能，是理想的刀具表面防护涂层材料。Al2O3是多晶型物质，有α、γ、δ、η、θ、κ、χ七种晶型。其中，仅α
‑
Al2O3为稳定氧化物，其余均为亚稳相，在1000℃以上会向稳态α相转变。常用的制备α
‑
Al2O3涂层的方法是CVD法，该方法通过将一种或多种含有构成薄膜元素的化合物和单质气体通过放置在有基材的反应室，由气相作用或在基材表面上发生的化学反应生成所希望的薄膜。CVD法可以通过控制薄膜的组成，制备出各种单质、化合物、氧化物及氮化物。然而，CVD的沉积温度较高，为获取理想的α
‑
Al2O3，工业制备时温度需要在1000℃以上，这不但会导致基体力学性能下降，并且由于涂层与基体的热膨胀系数不同，易产生热应力使涂层开裂，导致防护效果下降。近年来，为了降低制备α
‑
Al2O3涂层的沉积温度，拓宽其应用范围，越来越多的研究聚焦于PVD技术制备α
‑
Al2O3涂层。尽管PVD技术具有沉积温度低，环境污染小等优点，但在制备α
‑
Al2O3涂层的过程中，部分原子由于缺乏迁移所需要的能量，在凝固时将产生亚稳态的非晶(a
‑
)Al2O3和立方(c
‑
)Al2O3。这些亚稳相在高温下会向其稳态形式α
‑
Al2O3转变，当温度超过1000℃后，所有亚稳相相变的终点均为α
‑
Al2O3。该过程将造成材料体积的变化，诱发裂纹、剥落的产生，引起涂层失效。
[0004]为在低温下制备出具有稳态结构的α
‑
Al2O3涂层，需要在制备涂层的过程中促进亚稳相Al2O3向稳态形式转变。从相变机理来说，有两种方法可以降低α
‑
Al2O3的转变温度：一种是在相变过程中增加形核驱动力，使相变势垒能在较低温度下被克服；另一种则是采取特殊手段，降低α
‑
Al2O3的形核势垒。对于第一种方法，主要通过调整制备设备、优化制备工
艺实现，如：Hirschauer等人采用脉冲激光沉积，在850℃下硅基板上沉积出了α
‑
Al2O3。Zywitzki等人通过脉冲滋控溅射的方法，在约760℃下不锈钢基体上制备出完全由α
‑
Al2O3相组成的薄膜。You等人通过二极管激光化学气相沉积，将α
‑
Al2O3的制备温度降低到了655℃。第二种方法是利用具有相似结构的涂层作为模板层，通过外延生长的方式制备α
‑
Al2O3。如Pohler等人采用阴极电弧蒸镀技术以低Al含量的(Cr,Al)2O3层为模板，在此之上沉积高Al含量的α
‑
(Al,Cr)2O3层，并揭示了种子层厚度与功能层结构之间的关系。Koller等人研究了电弧离子镀制备交替生长的(Cr,Al)2O3/(Al,Cr,Fe)2O3、(Cr,Al)2O3/(Al,Cr,Si)2O3和(Cr,Al)2O3/(Al,Cr,B)2O3多层涂层。结果显示，虽然制备的多层涂层相较于对应的(Al,Cr)2O3单层具有明显的α相结构，但硬度显著下降。Koller等人对电弧离子镀制备的(Al1–
x
Cr
x
)2O3涂层的显微结构、力学性能和高温下的相结构演变做了详细的研究。尽管高Cr含量的(Al1–
x
Cr
x
)2O3涂层具有稳定的α结构，但由于其结构致密性较差，硬度反而低于具有两相结构的富Al涂层。此外，在退火过程中，涂层的结构呈现多级演变：亚稳态的c
‑
(Al1–
x
Cr
x
)2O3首先转变为γ/θ
‑
(Al1–
x
Cr
x
)2O3，随着退火温度升高再向其稳态形式α
‑
(Al1–
x
Cr
x
)2O3转变，该相变过程将会引起材料体积收缩，造成裂纹、空洞等缺陷产生。
[0005]上述文献中通过PVD方法制备了氧化铝或多元复合氧化物涂层，一方面，较过去氮化物涂层提升了抗高温氧化性能，但是另一方面，制备的氧化物涂层硬度值不高、韧性较差，特别是Al2O3层在PVD的制备条件下难以获得完全高温稳定的刚玉结构相，或者制备的α相氧化铝仅限于实验室条件，难以获得工业化应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种既具有优异的耐高温磨损性能、高抗冲击性能、优异的高温稳定性能又能保留良好的隔热和抗氧化效果的含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案。
[0008]一种含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和设于所述刀具基体上的复合涂层，所述复合涂层包括自刀具基体表面向外依次设置的氮化物底层、CrON过渡层和Cr2O3氧化物层。
[0009]上述的含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具，优选的，所述Cr2O3氧化物层由单相刚玉结构α相构成。
[0010]上述的含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具，优选的，所述CrON过渡层由面心立方结构fcc相构成。
[0011]上述的含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具，优选的，自所述氮化物底层向Cr2O3氧化物层的方向，所述CrON过渡层中元素成分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和设于所述刀具基体上的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层包括自刀具基体表面向外依次设置的氮化物底层、CrON过渡层和Cr2O3氧化物层。2.根据权利要求1所述的含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述Cr2O3氧化物层由单相刚玉结构α相构成。3.根据权利要求1所述的含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述CrON过渡层由面心立方结构fcc相构成。4.根据权利要求1所述的含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，自所述氮化物底层向Cr2O3氧化物层的方向，所述CrON过渡层中元素成分O/N的原子比逐渐提高。5.根据权利要求1所述的含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述氮化物底层由面心立方结构fcc相构成。6.根据权利要求1所述的含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳，陈利，吴明晶，刘喆人，裴斐，张国飞，
申请(专利权)人：株洲钻石切削刀具股份有限公司，
类型：发明
国别省市：