含复合结构涂层的涂层刀具及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种涂层刀具及其制备方法，尤其涉及一种含复合结构涂层的涂层刀 具及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着高速切削和干式切削技术的广泛应用，切削刀具的应用温度越来越高，在 刀具基体表面涂覆高耐磨性和高温抗氧化性的保护涂层成为目前切削刀具的发展趋势。 TiAlN涂层和CrAlN涂层由于其高硬度、高熔点和抗氧化性好等优良性能，在切削刀具上应 用最为广泛。但是，TiAlN涂层在高于KKKTC时转变为稳定相使力学性能下降，其抗氧化 温度更是低于850°C;CrAlN涂层虽然抗氧化温度高于KKKTC，但其在90(TC以上会发生热 分解而使力学性能下降。随着高速切削和干式切削技术的广泛应用，尤其在切削一些难加 工材料时，刀具刃口的温度可能达到l〇〇〇°C以上，超过了TiAlN和CrAlN涂层的服役温度。 在TiAlN和CrAlN涂层中添加合金元素可在一定程度上改善涂层的力学及热性能，但在改 善其抗氧化性能上作用有限。Al2O3是目前抗氧化性能优异的刀具涂层材料，但由于其力学 性能较低，而且无法直接在硬质合金基体上沉积，否则容易导致硬质合金基体氧化而失效， 只能使其先和其它涂层材料组合才能应用于切削刀具，最常用的方法是将具有高耐磨性的 底层涂层和Al2O3表层结合，但米用该结构的涂层刀具在切削过程中，由于Al2O3表层硬度较 低而快速磨损，从而失去对刀具的保护作用。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有与基体之间结合 强度良好的高耐磨性底层涂层和优异抗氧化能力的表层涂层的高硬度含复合结构涂层的 涂层刀具，还相应提供一种工艺简单、设备要求低、生产成本低的含复合结构涂层的涂层刀 具的制备方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种含复合结构涂层的涂层刀 具，包括刀具基体和沉积于刀具基体上的复合结构涂层，所述复合结构涂层包括沉积于 刀具基体上的Me1abAlaXbN底层和沉积于Me1abAlaXbN底层上的Me1abAlaXbN/Al203周期 性涂层，所述Me1abAlaXbN/Al203周期性涂层是以Me1abAlaXbN层和Al2O3层为调制周期的 多周期涂层；所述Me1abAlaXbN底层和Me1abAlaXbN层中，0? 2彡a彡0? 7,0彡b彡0? 2且 0? 2 彡a+b彡 0? 7,Me为Ti或Cr中的一种，X为Si、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W中的一种或多 种，所述Me1abAlaXbN底层和Me1abAlaXbN层的晶体结构均为面心立方结构。
[0005] 上述的涂层刀具中，所述Me1abAlaXbN底层和Me1abAlaXbN层中，优选的， 0? 3 彡a彡 0? 66,0. 04 彡b彡 0? 15。
[0006] 上述的涂层刀具中，所述复合结构涂层的总厚度优选1.8iim~12iim，更优选 2um~6um〇
[0007]上述的涂层刀具中，所述Me1abAlaXbN底层的厚度优选Iiim~6iim，更优选 I U m ~3 u m〇
[0008] 上述的涂层刀具中，所述Me1abAlaXbN/Al203周期性涂层的总厚度优选0.8iim~ 6ym，更优选 0. 8ym~3ym。
[0009] 上述的涂层刀具中，所述Me1abAlaXbN/Al203周期性涂层中，所述Me1abAlaXbN层的 单层厚度优选50nm~500nm，更优选IOOnm~200nm，所述Al2O3层的单层厚度优选50nm~ 500nm，更优选 200nm~300nm。
[0010] 上述的涂层刀具中，优选的，所述复合结构涂层与所述刀具基体之间还设有过渡 层，所述过渡层为Me1abAlaXb合金层。
[0011] 上述的涂层刀具中，所述过渡层的厚度优选50nm~IOOnm,更优选50nm~80nm。
[0012] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述含复合结构涂层的涂层刀具的制 备方法，包括以下步骤：采用物理气相沉积工艺，先利用MeAlX靶在所述刀具基体上沉积 Me1abAlaXbN底层，然后利用MeAlX靶和Al靶交替沉积方式在所述Me1abAlaXbN底层上沉积 以Me1abAlaXbN层和Al2O3层为一个调制周期的多周期涂层，在沉积Me1abAlaXbN层时，关掉 Al靶电源，充入N2气氛，在沉积Al2O3层时，关掉MeAlX靶电源，充入O2气氛，得到含复合结 构涂层的涂层刀具。
[0013] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述含复合结构涂层的涂层刀具的制 备方法，包括以下步骤：采用物理气相沉积工艺，先在所述刀具基体上沉积过渡层，然后利 用MeAlX靶在所述过渡层上沉积Me1abAlaXbN底层，再利用MeAlX靶和Al靶交替沉积方式 在所述Me1abAlaXbN底层上沉积以Me1abAlaXbN层和Al2O3层为一个调制周期的多周期涂层， 在沉积Me1abAlaXbN层时，关掉Al靶电源，充入N2气氛，在沉积Al2O3层时，关掉MeAlX靶电 源，充入O2气氛，得到含复合结构涂层的涂层刀具。
[0014] 上述本发明的技术方案中，经研究和试验发现，在目前常用的TiAlN涂层和CrAlN 涂层中添加合金元素可显著提升涂层的硬度，此外合金元素的加入还可抑制亚稳相的 TiAlN和CrAlN的热分解，从而改善其稳定性。在上述Me1abAlaXbN底层中，合金元素X的 含量选为〇彡b彡0? 2,优选为0? 04彡b彡0? 15。
[0015] 上述本发明的技术方案中，所述Me1abAlaXbN底层的力学性能、热性能和晶体结 构与Al含量密切相关，经过试验研究表明，在保持面心立方结构的前提下，增加Al含量 会改善涂层的性能；但当Al含量增加到一定程度时涂层的晶体结构会由立方结构向六 方结构转化而使涂层的性能降低。因此，MelabAlaXbN底层涂层中的Al含量的范围选为 0? 2彡a彡0? 7,优选0? 3彡a彡0? 66。
[0016] 上述本发明的技术方案中，所述Me1abAlaXbN/Al203周期性涂层是通过Me1abAlaXbN 层和Al2O3层的组合，结合了Me1abAlaXbN层的高耐磨性和Al2O3层的优异的高温抗氧化能 力，有效的提高了涂层对刀具的保护作用。该周期性涂层中Me1abAlaXbN层和Al2O3层的单层 厚度过厚或过薄，均有可能影响本发明复合结构涂层对刀具的保护作用，因此，Me1abAlaXbN 层的单层厚度优选50nm~500nm，更优选IOOnm~200nm，而Al2O3层的厚度优选50nm~ 500nm，更优选200nm~300nm，Me1abAlaXbN/Al203周期性涂层的总厚度优选0. 8iim~6iim， 更优选0. 8iim~3iim，过低的Me1abAlaXbN/Al203层厚度会降低涂层的高温抗氧化性能。
[0017] 上述本发明的技术方案中，虽然Me1abAlaXbN/Al203周期性涂层结合了Me1abAlaXbN 层的高耐磨性和Al2O3层优异的高温抗氧化能力，但因为Me1abAlaXbN层和Al2O3层的晶体 结构完全迥异，所以在涂层生长过程中会存在较大的界面应力而影响涂层与基体的结合强 度。因此，本发明通过Me1abAlaXbN底层的引入可有效解决上述问题，改善涂层与基体的结 合强度；另外，高耐磨性的Me1abAlaXbN底层会提高涂层刀具的耐磨性。因此，Me1abAlaXbN 底层的厚度优选IPm~6iim，更优选Iiim~3iim。
[0018] 上述本发明的技术方案中，所述复合结构涂层的总厚度优选为1.8iim~12iim， 更优选为2ym~6ym。因为所述复合结构涂层如果过薄，会影响到复合结构涂层的保护性 能和保护效果，但过厚的复合结构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。
[0019] 上述本发明的技术方案中，复合结构涂层还优选包括有一沉积于所述刀具基体 表面的过渡层，该过渡层为MelabAlaXb合金层（a，b的选取同MelabAlaXbN底层），所述 Me1abAlaXbN底层则沉积于所述Me1abAlaXb合金层上。因为经过反复实验和研究发现，增 加Me1abAlaXb合金层的结构设计能够进一步改善复合结构涂层与刀具基体的热匹配关系， 从而更有效地增加所述复合结构涂层与刀具基体的结合力。而Me1abAlaXb合金层的厚度 偏差过大会对复合结构涂层与刀具基体之间的结合强度产生消极影响，因此其厚度优选 50nm~lOOnm，更优选 50nm~80nm。
[0020] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0021] 1、本发明的涂层刀具通过MelabAlaXbN底层加强了涂层与基体的结合强度，并因 为其高硬度可充当耐磨功能层。
[0022] 2、本发明的涂层刀具的Me1abAlaXbN/Al203多周期表层涂层，结合了Me1abAlaXbN层 的高耐磨性和Al2O3层优异的高温抗氧化能力，有效的提高了涂层对刀具的保护作用。
[0023] 3、本发明的涂层刀具的制备方法具有工艺简单、设备要求低、生产成本低的特点， 通过该方法制备的涂层刀具能够满足高速切削的需求，大大延长了切削刀具的使用寿命。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明实施例中含复合结构涂层的涂层刀具的结构示意图。
[0025] 图例说明：
[0026] 1、刀具基体；2、MeiabAlaXb 合金层；3、MeiabAlaXbN底层；4、A1203 层；5、MeiabAlaXbN 层。
【具体实施方式】
[0027] 以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而 限制本发明的保护范围。
[0028] 实施例1 :
[0029] -种本发明的含复合结构涂层的涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1、沉积于 刀具基体1上的Me1abAlaXb合金层2 (具体为Tia34Ala66合金层）和沉积于Me1abAlaXb合金 层2上的复合结构涂层，该复合结构涂层包括沉积于Me1abAlaXb合金层2上的Me1abAlaXbN 底层3 (具体为Tia34Ala66N底层，面心立方结构）和沉积于Me1abAlaXbN底层3上的 Me1abAlaXbN/Al203 周期性涂层，Me1abAlaXbN/Al203 周期性涂层是以Al2O3 层 4 和Me1abAlaXbN 层5为一个调制周期的多周期涂层，周期数为5，MeiabAlaXbN层5具体为Tia34Ala66N层，面 心立方结构。
[0030] 在该涂层刀具中，复合结构涂层的总厚度是3. 5iim，其中Tia34Ala66N底层的厚度 为1.5iim，Tia34Ala66NAl2O3周期性涂层的总厚度为2iim，Tia34Ala66N层厚度为150nm， Al2O3层4厚度为250nmJia34Ala66合金层的厚度为50nm。
[0031] -种上述本实施例的含复合结构涂层的涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
[0032] 分别用型号为CNMGl20408和SEETl2T3的硬质合金刀片作为刀具基体1，先对刀具 基体1进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体1上采用物理气相多靶 沉积方法首先在刀具基体1上沉积厚度为50nm的Tia34Ala66合金层，再在Tia34Ala66合金层 上沉积I. 5iiHiTia34Ala66N底层，然后在Tia34Ala66N底层上沉积以Tia34Ala66NAl2O3为调制 周期的多周期涂层，各周期中，均先沉积Al2O3层4,再沉积Tia34Ala66N层，其中Tia34Ala66N 层厚度为150nm，Al203层4厚度为250nm，经过5