氧化物涂层刀具及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化物涂层刀具及其制备方法，该涂层刀具包括刀具基体和沉积于刀具基体上的CrAlBFeO涂层，CrAlBFeO涂层的成分为(Cr1‑

【技术实现步骤摘要】
氧化物涂层刀具及其制备方法


[0001]本专利技术属于切削刀具制备
，涉及一种氧化物涂层刀具及其制备方法，具体涉及一种CrAlBFeO涂层刀具及其制备方法。

技术介绍

[0002]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(CVD)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。其中，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，适用于硬质合金刀具涂层的晶型主要为α
‑
Al2O3。常用的制备α
‑
Al2O3涂层的方法是CVD法，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。
[0003]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采用物理气相沉积(PVD)技术制备α
‑
Al2O3。PVD工艺可以在500℃
‑
600℃制备Al2O3涂层，对基体损伤小，且无环境污染。然而，由于沉积温度的限制，PVD
‑
Al2O3涂层的晶体结构为亚稳相或非晶相，在高温应用时向其稳定相α
‑
Al2O3转化并伴随体积收缩，形成孔隙、裂纹和表面不平等缺陷，严重时引起涂层剥落。因此，如何采用PVD方法在低温下获得α
‑
Al2O3涂层成为刀具涂层的研究热点。采用合金化掺杂的方法引入Cr元素形成α
‑
(Al,Cr)2O3固溶体是一种有效的稳固α相的方法，Cr和O反应生成α
‑
Cr2O3，α
‑
Cr2O3具有和α
‑
Al2O3相同的结构以及相似的晶格常数(α
‑
Cr2O3的晶格常数a、c仅比α
‑
Al2O3的分别大了约4.2％和4.6％)。研究表明，在Al2O3涂层中添加Cr促进α
‑
(Cr1‑
x
Al
x
)2O3的形核与生长，在x≤0.3时，(Cr1‑
x
Al
x
)2O3为刚玉结构，而当x>0.3时，不能获得单相的刚玉结构涂层，从而降低了涂层的红硬性。另外，在沉积氧化物涂层时，由于靶材易于氧反应导致靶材表面生成氧化物而产生“靶材表面中毒”，使沉积过程终止或者产生打弧现象。因此，如何控制“靶材表面中毒”是稳定制备氧化物涂层的一个关键。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种在Al含量较宽范围特别是Al含量较高时依然可获得单相结构的α
‑
(Cr1‑
x
Al
x
)2O3涂层、具有高硬度、高耐磨性以及优异的高温抗氧化性能的氧化物涂层刀具，还相应地提供一种可避免靶材表面中毒、生产稳定性高、工艺简单、设备常规、生产成本低的氧化物涂层刀具的制备方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案。
[0006]一种氧化物涂层刀具，包括刀具基体和沉积于所述刀具基体上的CrAlBFeO涂层，
所述CrAlBFeO涂层的成分为(Cr1‑
a
‑
b
‑
c
Al
a
B
b
Fe
c
)2O3，0≤a≤0.60，0.01≤b≤0.04，0.01≤c≤0.04，且0.02≤b+c≤0.05。
[0007]上述的氧化物涂层刀具，优选的，0.30≤a≤0.50。过高的Al含量不利于刚玉结构的氧化物的形成，低的Al含量有利于涂层呈刚玉结构生长，但其性能不能达到最优。
[0008]上述的氧化物涂层刀具，优选的，b≤c。在制备氧化物涂层时，在靶材中添加B元素可以显著降低“靶材表面中毒”，但B的加入对刚玉结构氧化物的形成不利，会促进立方结构氧化物的形成，于是在CrAlO涂层中添加Fe以促进刚玉结构氧化物的形成，Fe2O3结构与刚玉结构的Al2O3一致。因此，本专利技术既利用B的加入改善“靶材表面中毒”，又利用Fe的加入促进刚玉结构氧化物的形成，为了获得纯刚玉结构的氧化物涂层，本专利技术提出B的原子分数优选小于或者等于Fe的原子分数。
[0009]上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述CrAlBFeO涂层的晶体结构为刚玉Al2O3结构的六方相。
[0010]上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述CrAlBFeO涂层的厚度为0.5μm～6.0μm。
[0011]上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述CrAlBFeO涂层的厚度为1.0μm～5.0μm。
[0012]上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述刀具基体与所述CrAlBFeO涂层之间还设有Ti1‑
x
Al
x
N过渡层或Cr1‑
y
Al
y
N过渡层，其中0≤x≤0.67，0≤y≤0.70。Ti1‑
x
Al
x
N或Cr1‑
y
Al
y
N过渡层可改善涂层与基体之间的结合强度，且过渡层具有一定的耐磨性。Ti1‑
x
Al
x
N或Cr1‑
y
Al
y
N过渡层的成分控制为0≤x≤0.67或0≤y≤0.70，使过渡层为具有较高硬度的单相面心立方结构。
[0013]上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述Ti1‑
x
Al
x
N过渡层或Cr1‑
y
Al
y
N过渡层的晶体结构为单相面心立方结构。
[0014]上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述Ti1‑
x
Al
x
N过渡层或Cr1‑
y
Al
y
N过渡层的厚度为0.5μm～5.0μm。
[0015]上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述氧化物涂层刀具的涂层总厚度为1.5μm～8μm。如果涂层过薄，会影响到涂层的保护性能和保护效果，但过厚的话不仅会产生过高的应力，导致涂层易剥落，而且成本也随之增加。
[0016]作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述的氧化物涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化物涂层刀具，其特征在于，包括刀具基体和沉积于所述刀具基体上的CrAlBFeO涂层，所述CrAlBFeO涂层的成分为(Cr1‑
a
‑
b
‑
c
Al
a
B
b
Fe
c
)2O3，0≤a≤0.60，0.01≤b≤0.04，0.01≤c≤0.04，且0.02≤b+c≤0.05。2.根据权利要求1所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，0.30≤a≤0.50。3.根据权利要求1所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，b≤c。4.根据权利要求1所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，所述CrAlBFeO涂层的晶体结构为刚玉Al2O3结构的六方相。5.根据权利要求1～4中任一项所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，所述CrAlBFeO涂层的厚度为0.5μm～6.0μm。6.根据权利要求5所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，所述CrAlBFeO涂层的厚度为1.0μm～5.0μm。7.根据权利要求1～4中任一项所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，所述刀具基体与所述CrAlBFeO涂层之间还设有Ti1‑
x
Al
x
N过渡层或Cr1‑
y
Al
y
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈利，李佳，吴明晶，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：