本发明专利技术公开了一种含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，包括刀具基体和刀具基体上沉积的复合涂层，该复合涂层中包含有一交替沉积TiAlN层和CrAlN层的多周期涂层，其制备方法包括以下步骤：首先可选择性地采用物理气相沉积工艺在刀具基体上依次沉积TiAl金属层和TiAlN过渡层，再在TiAlN过渡层上采用物理气相沉积工艺交替沉积TiAlN层和CrAlN层；交替沉积TiAlN层和CrAlN层是指以依次沉积TiAlN层-CrAlN层或依次沉积CrAlN层-TiAlN层为一个周期，重复多个周期直至复合涂层的总厚度达到2μm～12μm。本发明专利技术的涂层刀具具有高硬度、高强度、优异的高温抗氧化能力、高温稳定性及时效硬化特性等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种切削刀具及其制备，尤其涉及一种带有复合涂层的切削刀具及其制备方法。
技术介绍
在刀具表面沉积高硬度的涂层能改善刀具的耐磨、耐腐蚀等特性，还可有效地解决刀具材料中硬度与强度之间的矛盾。涂层刀具在切削过程中由于切削热的产生使得加工区域的温度急剧上升，良好的高温抗氧化性能和热稳定性能成为衡量涂层材料的两个重要性能指标。由Al替代TiN中的Ti形成的立方结构(C)的亚稳相Ti-Al-N涂层(即TiAlN 涂层)是目前应用最普遍的刀具涂层材料。Ti-Al-N涂层在高温( 1000°C)时会向其稳定相C-TiN和六方结构(h)的AlN转化，从而导致涂层失效。然而，h-AIN的形成需要经过调幅分解析出C-AlN作为过渡相才能实现，C-AlN析出而引起的共格应变导致了涂层的时效硬化。Ti-Al-N涂层的时效硬化特性使得涂层刀具在切削过程中产生“自硬化效应”是 Ti-Al-N涂层在工业应用领域取得成功的关键因素之一。但是，相比于其高温稳定性( 1000°C )，Ti-Al-N涂层低的抗氧化温度( 850°C )限制了其高温应用。近来，由Al替代CrN中的Cr形成的立方结构的亚稳相Cr_Al_N涂层(即CrAlN涂层)由于其更高的抗氧化温度( 900°C )而成为一种新型的刀具涂层材料。与Ti-Al-N涂层相似，Cr-Al-N涂层在高温( 900°C)时会向其稳定相Cr和密排六方的AlN转化导致力学性能下降，其中Cr的生成需要经过Cr2N过渡完成，然而这一转变过程并没有像Ti-Al-N 涂层那样伴随着时效硬化的发生。相比于其高的抗氧化温度，Cr-Al-N涂层低的热稳定温度同样限制了其高温应用。从以上分析可以看出，当涂层刀具应用在切削温度高于900°C的加工场合时， Ti-Al-N与Cr-Al-N涂层均不能满足加工要求。因此，如何使涂层在保持较高的抗氧化温度的同时又拥有高温稳定性及时效硬化特性成为本领域中的关键问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能表现出高硬度、高强度、优异的高温抗氧化能力、高温稳定性及时效硬化特性，并且涂层与基体之间表现出良好的结合强度的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，还相应提供一种工艺简单、设备常规、低生产成本的该复合涂层刀具的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为一种含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，包括刀具基体和所述刀具基体上沉积的复合涂层，该复合涂层中包含有一交替沉积所述TiAlN层和CrAlN层的多周期涂层。上述本专利技术的技术方案中，该复合涂层可综合其中的各单一涂层材料的优势，使其综合性能好于各种单一的涂层材料，且层与层之间的界面强化效应能进一步改善涂层的力学性能。在上述技术方案中，所述复合涂层以TiAlN层和CrAlN层为调制周期交替沉积，其中TiAlN层表现出良好的热稳定性及时效硬化特性；而CrAlN层则表现出良好的高温抗氧化性能。因此，通过本专利技术的复合涂层设计，TiAlN/CrAIN的复合涂层既拥有TiAlN涂层良好的热稳定性和时效硬化特性，又具有CrAlN涂层的优异的高温抗氧化性。另外，该复合涂层中层与层之间的界面强化效应可增加涂层的硬度，增强涂层的韧性及涂层与基体之间的结合强度。上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具中，所述复合涂层优选的结构形式为以刀具基体表面为基面向外呈现出“TiAIN层到CrAlN层”或“CrAIN层到TiAlN层”的周期性变化趋势。上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具中，所述复合涂层还优选包括有一覆于所述刀具基体表面的TiAl金属层和一覆于该TiAl金属层上的TiAlN过渡层，所述多周期涂层覆于所述TiAlN过渡层上。因为根据我们反复的实验和研究发现，增加TiAl金属层和TiAlN过渡层能够更有效地增加所述复合涂层与刀具基体表面的结合力。在该优选的技术方案中，所述TiAl金属层的厚度在本领域人员公知的范围内优选为20nm 30nm，所述 TiAlN过渡层的厚度在本领域人员公知的范围内优选为20nm 40nm。因为经过我们的反复实验，TiAl金属层和TiAlN过渡层的厚度偏差过大均会对复合涂层与刀具基体之间的结合强度产生消极影响。上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具中，所述复合涂层的总厚度优选为 2口!11 124111，最优选为24111 64111。因为经过我们的反复实验和研究，所述复合涂层如果过薄，会影响到涂层的保护性能和保护效果，但过厚的复合涂层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。上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具中，所述TiAlN层和CrAlN层的单层厚度均优选为2nm 60nm。在上述的各技术方案中，所述TiAlN层中Al元素的原子百分数在本领域人员公知的范围内优选为30% 66 %。在上述的各技术方案中，所述CrAlN层中Al元素的原子百分数在本领域人员公知的范围内优选为30% 70%。因为根据我们反复的实验和研究，Al 元素的含量过高或过低会直接影响到涂层的性能(例如涂层硬度、热稳定性等)。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具的制备方法，该制备方法包括以下步骤首先可选择性地采用物理气相沉积工艺在所述刀具基体上依次沉积TiAl金属层和TiAlN过渡层，再在所述TiAlN过渡层上采用物理气相沉积工艺交替沉积TiAlN层和CrAlN层；所述交替沉积TiAlN层和CrAlN层是指以依次沉积TiAlN层-CrAlN层或依次沉积CrAlN层-TiAlN层为一个周期，重复多个周期直至所述复合涂层的总厚度达到2 μ m 12 μ m。上述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具的制备方法中所述物理气相沉积工艺具体是采用多靶交替沉积方式，即所述TiAlN层和CrAlN分别通过TiAl靶和CrAl靶交替沉积而形成；通过控制和调节各靶材的成分，使所述TiAlN层中Al元素的原子百分数优选控制在30% 66%，所述CrAlN层中Al元素的原子百分数优选控制在30% 70%。上述的制备方法中，所述TiAlN层的单层厚度在本领域人员公知的范围内优选为 2nm 60nm ；所述CrAlN层的单层厚度在本领域人员公知的范围内优选为2nm 60nm ；所述TiAl金属层的厚度优选控制在20nm 30nm，所述TiAlN过渡层的厚度控制在20nm 40nm。在本专利技术的技术方案中，组成所述复合涂层的单层厚度过厚或过薄，均有可能影响本专利技术复合涂层的界面强化作用。本领域人员可以根据已有的技术知识通过控制涂层炉中载物基座的旋转速率和各靶材的功率，使所述各涂层的单层厚度控制在前述范围内。上述的各技术方案中，所述刀具基体可以为本领域公知的各种切削刀具，特别适用于硬质合金刀具、金属陶瓷刀具、超硬刀具和高速钢刀具。与现有技术相比，本专利技术的优点在于通过采用结合TiAlN层与CrAlN层的复合涂层，使本专利技术的多层涂层刀具具有高硬度、高温抗氧化能力、高温稳定性及时效硬化特性； 再通过层与层之间的界面来强化涂层，并使之与基体保持良好的结合强度。本专利技术还针对该多层涂层刀具提供了一种工艺简本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种含ＴｉＡｌＮ层和ＣｒＡｌＮ层的复合涂层刀具，包括刀具基体和所述刀具基体上沉积的复合涂层，其特征在于：该复合涂层中包含有一交替沉积所述ＴｉＡｌＮ层和ＣｒＡｌＮ层的多周期涂层。
【技术特征摘要】
1.一种含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，包括刀具基体和所述刀具基体上沉积的复合涂层，其特征在于该复合涂层中包含有一交替沉积所述TiAlN层和CrAlN层的多周期涂层。2.根据权利要求1所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述复合涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“TiAIN层到CrAlN层”或“CrAIN层到TiAlN 层”的周期性变化趋势。3.根据权利要求1所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述复合涂层还包含有一覆于所述刀具基体表面的TiAl金属层和一覆于该TiAl金属层上的 TiAlN过渡层，所述多周期涂层覆于所述TiAlN过渡层上。4.根据权利要求3所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述 TiAl金属层的厚度为20nm 30nm，所述TiAlN过渡层的厚度为20nm 40nm。5.根据权利要求1 4中任一项所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述复合涂层的总厚度为2 μ m 12 μ m。6.根据权利要求5所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在于所述 TiAlN层和CrAlN层的单层厚度均为2nm 60nm。7.根据权利要求1 4中任一项所述的含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈利，李佳，吴明晶，王社权，谢宏，王大辉，
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：43
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