纳米多层复合涂层及其制备方法和切削工具技术

本发明专利技术属于涂层领域，具体涉及一种纳米多层复合涂层及其制备方法和应用。所述纳米多层复合涂层包括A层和B层，所述A层和B层以周期性A

【技术实现步骤摘要】
纳米多层复合涂层及其制备方法和切削工具


[0001]本专利技术属于涂层领域，具体涉及一种纳米多层复合涂层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着刀具切削加工技术的快速发展，人们对刀具的材料和性能提出更高的要求，要求切削工具具有较高的使用寿命。其中，通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等技术在刀具表面沉积涂层已成为现代切削刀具发展的重要方向，涂层作为硬质合金切削工具的重要组成部分，其与基体和槽型一起紧密关系到刀具的使用性能，稳定的涂层可以显著提升切削工具的使用寿命和加工效率。
[0003]早在1990年代，人们便在TiN的基础上开发并应用了具有更高硬度、更高耐磨性的TiAlN涂层，大大提高了刀具的切削性能及使用寿命。时间进入21世纪，随着PVD涂层技术及设备的发展，涂层继续从单层向着多层、纳米结构等方向不断深入，具有更高硬度、更强耐磨性、具有特殊纳米结构的纳米复合涂层被人们专利技术且关注。为此，开发了TiN
‑
TiAlN、Ti
高
Al
低
N
‑
Ti
低
Al
高
N、TiAlN
‑
TiAlSiN等多种不同结构成分的纳米多层复合涂层系列。
[0004]纳米多层复合涂层一般是指有两种厚度在纳米尺度上的不同材料或结构层交替排列而成的涂层体系，涂层在厚度方向上具有纳米量级的周期性，具有一个双层厚度的基本固定周期。与单层以及非纳米多层复合涂层相比，纳米多层复合涂层由于其结构上的纳米尺度所造成的Hall
‑
Petch效应，在力学性能上表现出超硬度和超模量效应，具有其它涂层所不具备的超硬度，提高耐磨损性能的同时还能够显著改善涂层韧性。纳米多层复合涂层由于存在多重界面，还能提升抗腐蚀性、抗氧化性、抗开裂性等等。
[0005]为了保证纳米多层复合涂层的各项高性能，必须保证纳米多层复合涂层的两种纳米尺度涂层之间存在较大的成分特别是结构差异，以具备较为清晰的涂层界面，从而保证涂层具备高硬度和韧性，同时需保证两种纳米尺寸涂层之间具有一定的相似相溶性，以保证涂层间具备较强的结合力。也即，硬度和韧性与结合力对纳米多层复合涂层提出了截然不同的要求。由于纳米多层复合涂层的两种纳米尺度涂层之间存在较大结构差异时，涂层结合力不足，现有的纳米多层涂层体系倾向于两种纳米尺寸涂层之间具有一定的相似相溶性，即为保证两种涂层的结合力，只在两种涂层的成分上进行变化，结构上仍为相同体系的立方相，如TiN立方相体系、CrN立方相体系等。这虽然能使得涂层的结合力强度有一定保证，但涂层硬度、耐磨性提升较不明显，最终所得纳米多层涂层的切削寿命较短。如美国专利US10596636B2公开了一种TiMN纳米多层复合涂层，其中相邻两层的Ti含量占金属元素的比例均大于57at％，这表明其相邻两层的主体结构均为TiN立方相结构，未表现出较大的结构差异，无法完全发挥出纳米多层涂层的硬度和耐磨性潜力，切削寿命较短。

技术实现思路

[0006]本专利技术的第一目的在于克服现有的纳米多层复合涂层切削寿命较短的缺陷，而提供一种具有较长切削寿命的纳米多层复合涂层。
[0007]本专利技术的第二目的在于提供所述纳米多层复合涂层的制备方法。
[0008]本专利技术的第三目的在于提供所述纳米多层复合涂层在切削工具中的应用。
[0009]具体地，本专利技术提供的纳米多层复合涂层包括A层和B层，所述A层和B层以周期性A
‑
B
‑
A
‑
B或B
‑
A
‑
B
‑
A的方式排列在基体上，所述A层和B层的单层厚度各自独立地为3
‑
50nm；
[0010]所述A层由Zr
x1
(Al
x2
Hf
x3
Me
x4
)N
x5
组成，其中0.5≤x1≤0.8，0.2≤x2≤0.5，0≤x3≤0.2，0≤x4≤0.2，0.9≤x5≤1.1，x1+x2+x3+x4＝1，且0≤x3+x4≤0.2，Me选自Ti、V、Ta、Nb、Cr、W、Mn、Mo和Si中的至少一种，所述A层的主相结构为ZrAlN立方相；
[0011]所述B层由Hf
y1
(Al
y2
Zr
y3
Me`
y4
)N
y5
组成，其中0.47≤y1≤0.77，0.23≤y2≤0.53，0≤y3≤0.2，0≤y4≤0.2，0.9≤y5≤1.1，y1+y2+y3+y4＝1，且0≤y3+y4≤0.2，Me`表示Ti、V、Ta、Nb、Cr、W、Mn、Mo和Si中的至少一种，所述B层的主相结构为HfAlN立方相。
[0012]本专利技术的专利技术人经过深入且广泛研究之后发现，切削工具的切削寿命受基体、槽型及涂层的影响，其中涂层影响是由涂层硬度、韧性及结合力强度共同决定。本专利技术从纳米多层复合涂层的超硬效应及结合强度机理出发，将ZrN立方相以及HfN立方相以周期性方式沉积在基体上，同时在ZrN立方相中合金化固溶较大量的Al(20～50at％)，在HfN立方相中合金化固溶较大量的Al(23～53at％)，由此所得合金化优化配比的ZrAlN
‑
HfAlN纳米多层复合涂层不仅能够完美地发挥出纳米多层复合涂层的超硬效应，使其兼具有超硬度和强韧性，而且Zr、Hf及Al三种元素之间的高固溶度、高亲和性使得A层和B层在界面上具有较好的固溶结合，保证了纳米多层复合涂层的结合力强度，最终延长了该纳米多层复合涂层的切削寿命。
[0013]本专利技术提供的纳米多层复合涂层采用纳米尺寸的Zr(AlHfMe)N
‑
Hf(AlZrMe)N交替排列而成，Zr(AlHfMe)N层的主相结构为ZrAlN立方相，Hf(AlZrMe)N层的主相结构为HfAlN立方相，相比于现有的纳米多层涂层体系，其能够更好地发挥纳米多层涂层超硬效应，在微观机理上能够在纳米尺度的涂层界面上获得更清晰的涂层界面态，更好地阻止涂层的位错与缺陷滑移、提高涂层的硬度与耐磨性；多重的界面结构相比于单层的柱状晶体结构，还能提升改变裂纹的产生、扩大与生长方向，提升韧性；同时Zr、Hf及Al三种元素之间的高固溶度、高亲和性使得A层和B层在界面上具有较好的固溶结合，保证了纳米多层复合涂层的结合力强度。综上，本专利技术提供的纳米多层复合涂层不仅具有超硬度和强韧性，还具有高结合力强度，能够根据特定工况进行针对性强化，使其在刀具切削工况中具有更长的切削寿命。将该纳米多层复合涂层沉积在切削工具上，可以有效抑制和缓解切削工具基体表面的磨损、腐蚀、氧化、疲劳和裂纹萌生，从而有效提高切削工具的使用性能与寿命，提高金属去除率，提高被加工表面的光洁度与加工精度等，应用前景广泛。
[0014]在一种优选实施方式中，所述A层中含有Hf且0.03≤x3≤0.15，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米多层复合涂层，其特征在于，所述纳米多层复合涂层包括A层和B层，所述A层和B层以周期性A
‑
B
‑
A
‑
B或B
‑
A
‑
B
‑
A的方式排列，所述A层和B层的单层厚度各自独立地为3
‑
50nm；所述A层由Zr
x1
(Al
x2
Hf
x3
Me
x4
)N
x5
组成，其中0.5≤x1≤0.8，0.2≤x2≤0.5，0≤x3≤0.2，0≤x4≤0.2，0.9≤x5≤1.1，x1+x2+x3+x4＝1且0≤x3+x4≤0.2，Me选自Ti、V、Ta、Nb、Cr、W、Mn、Mo和Si中的至少一种，所述A层的主相结构为ZrAlN立方相；所述B层由Hf
y1
(Al
y2
Zr
y3
Me`
y4
)N
y5
组成，其中0.47≤y1≤0.77，0.23≤y2≤0.53，0≤y3≤0.2，0≤y4≤0.2，0.9≤y5≤1.1，y1+y2+y3+y4＝1且0≤y3+y4≤0.2，Me`选自Ti、V、Ta、Nb、Cr、W、Mn、Mo和Si中的至少一种，所述B层的主相结构为HfAlN立方相。2.根据权利要求1所述的纳米多层复合涂层，其特征在于，所述A层中含有Hf且0.03≤x3≤0.15，所述B层中含有Zr且0.03≤y3≤0.15。3.根据权利要求1所述的纳米多层复合涂层，其特征在于，所述A层中含有Me且0.03≤x4≤0.15，所述B层中含有Me`且0.03≤y4≤0.15；优选地，所述A层中含有Hf和Me，所述B层中含有Zr和Me`，且0.03≤x3≤0.12，0.03≤y3≤0.12，0.03≤x4≤0.12，0.03≤y4≤0.12，0.06≤x3+x4≤0.15，0.06≤y3+y4≤0.15；优选地，所述Me和Me`选自Ta与Nb组合、V与Cr组合以及Mo与W组合中至少一种。4.根据权利要求1所述的纳米多层复合涂层，其特征在于，所述纳米多层复合涂层厚度为0.3
‑
10μm。5.根据权利要求1所述的纳米多层复合涂层，其特征在于，所述A层...

【专利技术属性】
技术研发人员：许荣杰，钟舒琦，蔡僖妍，刘超，林亮亮，郑爱钦，赵晓晓，刘伯路，文晓，范超颖，贺玮迪，
申请(专利权)人：厦门金鹭特种合金有限公司，
类型：发明
国别省市：