含周期性塗層的複合塗層刀具及其製備方法
2023-09-18 07:43:05
專利名稱：含周期性塗層的複合塗層刀具及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種塗層刀具及其製備方法，尤其涉及一種複合塗層刀具及其製備方法。
背景技術：
亞穩相的Ti-Al-N塗層由於具有優良的力學性能和高溫抗氧化性能，已成為目前應用最普遍的刀具塗層材料。然而，高檔數控工具機與基礎製造設備的不斷更新與發展推動著高速切削加工技術的不斷前進，尤其是加工一些難加工材料時，刀具刃口的溫度達到 1000°C以上，超過了 Ti-Al-N塗層的抗氧化溫度和熱分解溫度。為了進一步改善塗層的高溫性能，Ti-Al-N塗層的多元合金化和多層結構調整已成為目前刀具塗層的前沿研究領域。Ti-Al-N塗層中添加合金元素能改善塗層的力學性能及高溫性能，其中在Ti-Al-N塗層中加入Si元素形成的由非晶的Si3N4相包裹TiAlN納米晶粒的納米複合結構在改善Ti-Al-N塗層的抗氧化性能和熱穩定性的同時還表現出超硬效應，從而受到刀具塗層研究的廣泛關注，並逐漸在工業上得到應用。然而，Si元素的加入形成的這種兩相結構卻使塗層的應力急劇增加而導致塗層與基體的結合強度降低，在一定程度上限制了其在刀具上的應用。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種能表現出高硬度、高強度、優異的高溫抗氧化能力、高溫穩定性及時效硬化特性，並且塗層與基體之間表現出良好的結合強度的含TiAlN層和CrAlN層的複合塗層刀具，還相應提供一種工藝簡單、設備常規、低生產成本的該複合塗層刀具的製備方法。為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種含周期性塗層的複合塗層刀具，包括刀具基體和在所述刀具基體上沉積的複合塗層，所述複合塗層包括位於底層的TiAlN基底層和位於表層的周期性塗層，該周期性塗層是以「TiSiN層到TiAlSiN層到 TiSiN層到TiAlN層」為一個循環周期的多周期塗層。在上述本發明的技術方案中，所述周期性塗層複合了 TiSiN層、TiAlSiN層和 TiAIN，TiSiN層形成有非晶的Si3N4包覆TiN納米晶的三維網狀結構，經我們研究和實驗發現，這種非晶的Si3N4包覆納米晶TiN的複合結構使得位錯難以在TiN納米晶內部形成，即使形成也難以穿過納米晶之間的非晶薄層，從而大大提高了整個複合塗層的硬度和彈性模量，表現出超硬效應。與TiSiN層相似，TiAlSiN層也形成有非晶的Si3N4包覆TiAlN納米晶的三維網狀結構，Al元素的加入進一步提高了整個塗層的高溫抗氧化能力。TiAlSiN層除了表現出與TiSiN塗層相同的超硬效應外，由於Si元素相比Ti、Al等元素與氧元素具有更好的親和性，從而使得TiAlSiN層具有比TiAlN塗層更好的氧化性。此外，非晶的Si3N4 界面相還可抑制TiAlN在高溫時的分解過程，改善了複合塗層的熱穩定性。因此，通過在複合塗層中周期性地複合TiSiN層和TiAlSiN層，使得刀具的硬度、抗氧化性和熱穩定性都有了明顯的提高。雖然TiSiN層與TiAlSiN層的引入使本發明的複合塗層刀具具有超硬效應、高溫抗氧化能力以及高溫穩定性，但與此同時Si元素的加入也導致所述複合塗層產生了較大的殘餘應力，降低了所述複合塗層與所述刀具基體的結合強度，進而容易導致複合塗層刀具在加工過程中塗層脫落而限制了其應用。因此，在本發明的上述技術方案中，我們還引入了 TiAlN基底層的概念，因為在以往的塗層刀具中，TiAlN層作為基底層的應用很少被人提及和關注，即使偶爾也嘗試作為過渡層進行應用，那也是非必要或者可有可無的，其重要性並不突出；但是在本發明的上述技術方案中，通過引入TiAlN基底層可以有效改善塗層與基體的結合強度，TiAlN基底層可在承擔切削耐磨功能的同時，改善含Si的周期性塗層與基體的結合強度。另外，該複合塗層在首先沉積TiAlN基底層加強塗層與基體的結合強度的基礎上，本發明還通過TiAlN層、TiSiN層和TiAlSiN層的合理周期性搭配進一步釋放了含Si的周期性塗層的應力，進一步改善了周期性塗層與基體的結合強度。正是通過Ti、Si、Al元素成分的梯度變化以及"TiSiN層/TiAlSiN層/TiSiN層/TiAlN層」之間的界面來緩解所述複合塗層內部的應力，大大改善了所述複合塗層的韌性以及複合塗層與基體之間的結合強度。上述的含周期性塗層的複合塗層刀具中所述複合塗層還優選包括有一覆於所述刀具基體表面的TiAl金屬層，所述TiAlN基底層則覆於所述TiAl金屬層上。因為經過我們的反覆實驗和研究發現，增加TiAl金屬層的結構設計能夠進一步改善複合塗層與刀具基體的熱匹配關係，從而更有效地增加所述複合塗層與刀具基體的結合力。上述的含周期性塗層的複合塗層刀具中，所述TiAl金屬層的厚度在本領域人員公知的範圍內優選為 20nm 60nm，因為TiAl金屬層的厚度偏差過大均會對複合塗層與刀具基體之間的結合強度產生消極影響。上述的含周期性塗層的複合塗層刀具中，所述複合塗層的總厚度優選為2μπι 12 μ m，最優選為2 μ m 6 μ m。因為所述複合塗層如果過薄，會影響到複合塗層的保護性能和保護效果，但過厚的複合塗層不僅會產生過高的應力，導致塗層易剝落，而且成本也隨之增加。上述的含周期性塗層的複合塗層刀具中，所述TiAlN基底層的厚度優選為 0. 8 μ m 6 μ m，所述周期性塗層的厚度為0. 8 μ m 8 μ m。因為在本發明的技術方案中，過厚的TiAlN基底層會降低表層含Si周期性塗層的厚度進而降低其耐磨性，而過薄的基底層會增加含Si周期性塗層的厚度，從而降低周期性塗層與基體的結合強度。上述的含周期性塗層的複合塗層刀具，所述周期性塗層中，所述TiAlN層的單層厚度在本領域人員公知的範圍內優選為2nm 50nm，所述TiSiN層的單層厚度優選為 2nm lOOnm，所述TiAlSiN層的單層厚度優選為2nm lOOnm。在本發明的技術方案中，組成所述複合塗層的單層厚度過厚或過薄，均有可能影響本發明複合塗層的界面強化作用。上述的含周期性塗層的複合塗層刀具中，所述TiAlN基底層和TiAlN層中Al元素的原子百分數在本領域人員公知的範圍內均優選為30% 66%。因為經過我們的研究和實驗發現，過高的Al含量會導致塗層由立方結構向六方結構轉化從而降低複合塗層的力學性能；而過低的Al含量則會降低複合塗層的力學性能、高溫抗氧化性能和時效硬化效應。上述的含周期性塗層的複合塗層刀具，所述TiSiN層和TiAlSiN層中的Si元素的原子百分數均優選為2% 15%，所述TiAlSiN層中的Al元素的原子百分數優選為30% 60%。因為經過我們的反覆實驗和研究發現，Si元素、Al元素的含量如果過高或過低會直接影響到複合塗層的性能(例如塗層硬度等)。作為一個總的技術構思，本發明還提供一種上述的含周期性塗層的複合塗層刀具的製備方法，該製備方法包括以下步驟首先採用物理氣相沉積工藝並利用TiAl靶在所述刀具基體上可選擇性地沉積TiAl金屬層，然後利用TiAl靶沉積TiAlN基底層，再在所述 TiAlN基底層上以「TiSiN層-TiAlSiN層-TiSiN層-TiAlN層」為一個循環周期，並採用物理氣相沉積工藝中的多靶交替沉積方式沉積所述的多周期塗層，直至所述複合塗層的總厚度達至Ij 2μπ 12μ 0作為對上述製備方法的進一步改進，所述TiAlN基底層中的Al元素的原子百分數控制在30 % 66 %，沉積厚度控制在0. 8 μ m 6 μ m ；所述TiAlN層中的Al元素的原子百分數控制在30% 66%，單層沉積厚度控制在2nm 50nm ；所述TiSiN層、TiAlSiN層中 Si元素的原子百分數均控制為2% 15%，所述TiAlSiN層中Al元素的原子百分數控制為 30% 60%，所述TiSiN層、TiAlSiN層的單層沉積厚度均控制在2nm lOOnm。本領域人員可以根據已有的技術知識通過控制塗層爐中載物基座的旋轉速率和各靶材的功率，使所述TiAlN層、TiSiN層、TiAlSiN層的單層厚度均控制在前述優選的數值範圍內。上述的各技術方案中，所述刀具基體可以為本領域公知的各種切削刀具，特別適用於硬質合金刀具、金屬陶瓷刀具、超硬刀具或高速鋼刀具。與現有技術相比，本發明的優點在於本發明的多層複合塗層可組合各種單一塗層材料的優勢使其綜合性能好於各種單一塗層材料，且層與層之間的界面強化效應能進一步改善塗層的力學性能。此外，多層複合塗層還可通過其層間界面釋放塗層的生長應力， 進而改善複合塗層與刀片基體的結合強度。更具體到本發明，通過TiAlN基底層加強了複合塗層與刀片基體的結合強度，並在一定程度上充當耐磨功能層；再通過結合TiSiN層、 TiAlSiN層形成的周期性塗層，這使得本發明的複合塗層刀具具有超硬效應、高溫抗氧化能力以及高溫穩定性；再通過Ti、Si、Al元素成分的梯度變化以及「TiSiN層/TiAlSiN層/ TiSiN層/TiAlN層」之間的界面來緩解塗層內部應力、阻止裂紋擴展，使複合塗層保持高硬度、優異的高溫抗氧化能力及高溫穩定性能。本發明還針對該複合塗層刀具提供了一種工藝簡單、設備要求低、生產成本低的複合塗層刀具的製備方法。通過本發明方法製備的複合塗層刀具能夠滿足高速切削的需求，大大延長了切削刀具的使用壽命。
圖1為本發明實施例2的複合塗層刀具的結構示意圖。圖2為本發明實施例3的複合塗層刀具的結構示意圖。圖例說明1、刀具基體；2、TiAl 金屬層；3、Tia5tlAla5tlN 基底層；
4、Ti0.90Si0.10N 層；5、Ti0.45Al0.45Si0.10N 層;6、Ti0.50Al0.50N 層。
具體實施例方式以下結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步描述。實施例1 一種本發明的含周期性塗層的複合塗層刀具，包括刀具基體和在所述刀具基體上沉積的複合塗層(總厚度為2 μ m 12 μ m)，該複合塗層包括覆於刀具基體表面的TiAl金屬層(20nm 30nm)、覆於TiAl金屬層上的TiAlN基底層(厚度為0. 8 μ m 6 μ m)和位於表層的周期性塗層(厚度為0. 8 μ m 8 μ m)，該周期性塗層是以「TiSiN層到TiAlSiN層到TiSiN層到TiAlN層」為一個循環周期的多周期塗層。TiAlN基底層和TiAlN層中Al元素的原子百分數均為30% 66%。TiSiN層和TiAlSiN層中的Si元素的原子百分數均為 2 0Z0 15%，TiAlSiN層中的Al元素的原子百分數為30% 60%。上述的複合塗層刀具是通過以下物理氣相沉積工藝製備得到首先將刀具基體進行表面清洗、Ar浸蝕等預處理，然後在預處理後的刀具基體上採用物理氣相沉積法並利用TiAl靶先沉積一層厚度為20nm 30nm的TiAl金屬層，然後利用TiAl靶再沉積一層0.8μπι 6μπι的TiAlN基底層，TiAlN塗層中的Al元素的原子百分含量控制在30 % 66 % ；接著採用多靶沉積方法在TiAlN基底層上交替沉積以「TiSiN 層-TiAlSiN層-TiSiN層-TiAlN層」為調製周期的多周期塗層，通過控制和調節各靶材的成分，使TiSiN層、TiAlSiN層中Si元素的原子百分數控制在2% 15%，並使TiAlSiN層中Al元素的原子百分數控制在30% 60% ,TiAlN層中的Al含量與上述TiAlN基底層的元素百分含量一致，重複多個周期直至複合塗層的總厚度達到2 μ m 12 μ m，得到上述的含周期性塗層的複合塗層刀具。實施例2 分別用型號為CNMG120408的硬質合金刀片和型號為SEET12T3的硬質合金刀片作為刀具基體，先對前述刀具基體進行表面清洗、Ar浸蝕等預處理，然後在預處理後的刀具基體上採用物理氣相多靶沉積方法首先在刀具基體1上沉積厚度為1. 5μπι的Tia5tlAla5tlN基底層 3 (利用 TiAl 靶，下同)；然後以"Tia9tlSiaitlN 層到 Tia45Ala45SiaitlN 層到 Tia9tlSiaitlN 層到Tia5tlAla5tlN層」為調製周期用多靶交替沉積方式沉積多周期塗層，其中Tia9tlSiaitlN層 4、Tia45Ala45Si0.10Ν 層 5、Tia5tlAla5tlN 層 6 的單層厚度分別為 lOnm、15nm、15nm，其中 Ti、Al 和Si元素的含量均通過調節各靶材的成分進行控制，經過30個周期後得到厚度為1. 5 μ m 的周期性塗層，並最終得到總厚度為3. O μ m的複合塗層。如圖1所示，本實施例製得的含周期性塗層的複合塗層刀具，包括刀具基體1和在刀具基體1上沉積的複合塗層，複合塗層包括位於底層的TiAlN基底層3和位於表層的周期性塗層，該周期性塗層是以「TiSiN層4到TiAlSiN層5到TiSiN層4到TiAlN層6」為一個循環周期的多周期塗層。對照品同樣是以上述兩種硬質合金刀片作為刀具基體，按普通的物理氣相沉積方法分別沉積普通的AlTiN塗層，然後用本實施例2製得的複合塗層刀具(CNMG120408)和對照品(CNMG120408)進行連續車削不鏽鋼(ICrlSNiOTi)的對比實驗，用本實施例2製得的複合塗層刀具(SEET12T3)和對照品(SEET12T3)進行銑削不鏽鋼(lCrl8Ni9Ti)的對比實驗，對比實驗結果如下表1所示。由下表1可見，在刀具基體相同、切削條件相同的情況下，本發明的複合塗層刀具在車削下的使用壽命比現有技術下的塗層刀具提高了 140%，本發明的複合塗層刀具在銑削下的使用壽命比現有技術下的塗層刀具提高了近88%。可見，本發明產品及工藝的技術效果非常顯著。表1 實施例2的本發明產品與對照品的對比實驗效果
權利要求
1.一種含周期性塗層的複合塗層刀具，包括刀具基體和在所述刀具基體上沉積的複合塗層，其特徵在於所述複合塗層包括位於底層的TiAlN基底層和位於表層的周期性塗層， 該周期性塗層是以"TiSiN層到TiAlSiN層到TiSiN層到TiAlN層」為一個循環周期的多周期塗層。
2.根據權利要求1所述的含周期性塗層的複合塗層刀具，其特徵在於所述複合塗層還包括有一覆於所述刀具基體表面的TiAl金屬層，所述TiAlN基底層覆於所述TiAl金屬層上。
3.根據權利要求2所述的含周期性塗層的複合塗層刀具，其特徵在於所述TiAl金屬層的厚度為20nm 60nm。
4.根據權利要求1所述的含周期性塗層的複合塗層刀具，其特徵在於所述複合塗層的總厚度為2μπι 12μπι。
5.根據權利要求4所述的含周期性塗層的複合塗層刀具，其特徵在於所述TiAlN基底層的厚度為0. 8 μ m 6 μ m，所述周期性塗層的厚度為0. 8 μ m 8 μ m。
6.根據權利要求5所述的含周期性塗層的複合塗層刀具，其特徵在於所述周期性塗層中，所述TiAlN層的單層厚度為2nm 50nm，所述TiSiN層的單層厚度為2nm lOOnm， 所述TiAlSiN層的單層厚度為2nm lOOnm。
7.根據權利要求1 6中任一項所述的含周期性塗層的複合塗層刀具，其特徵在於 所述TiAlN基底層和TiAlN層中Al元素的原子百分數均為30% 66%。
8.根據權利要求1 6中任一項所述的含周期性塗層的複合塗層刀具，其特徵在於 所述TiSiN層和TiAlSiN層中的Si元素的原子百分數均為2% 15%，所述TiAlSiN層中的Al元素的原子百分數為30% 60%。
9.一種如權利要求1 3中任一項所述的含周期性塗層的複合塗層刀具的製備方法， 該製備方法包括以下步驟首先採用物理氣相沉積工藝並利用TiAl靶在所述刀具基體上可選擇性地沉積TiAl金屬層，然後利用TiAl靶沉積TiAlN基底層，再在所述TiAlN基底層上以「TiSiN層-TiAlSiN層-TiSiN層-TiAlN層」為一個循環周期，並採用物理氣相沉積工藝中的多靶交替沉積方式沉積所述的多周期塗層，直至所述複合塗層的總厚度達到 2 μ m 12 μ m0
10.根據權利要求9所述的含周期性塗層的複合塗層刀具的製備方法，其特徵在於所述TiAlN基底層中的Al元素的原子百分數控制在30 % 66 %，沉積厚度控制在0. 8 μ m 6μπι;所述TiAlN層中的Al元素的原子百分數控制在30% 66%，單層沉積厚度控制在 2nm 50nm ；所述TiSiN層、TiAlSiN層中Si元素的原子百分數均控制為20Z0 15%，所述 TiAlSiN層中Al元素的原子百分數控制為30% 60%，所述TiSiN層、TiAlSiN層的單層沉積厚度均控制在2nm lOOnm。
全文摘要
本發明公開了一種含周期性塗層的複合塗層刀具，包括刀具基體和在刀具基體上沉積的複合塗層，複合塗層包括位於TiAlN基底層和周期性塗層，該周期性塗層是以「TiSiN層到TiAlSiN層到TiSiN層到TiAlN層」為一個循環周期的多周期塗層。其製備方法為先採用物理氣相沉積工藝並利用TiAl靶在刀具基體上可選擇性地沉積TiAl金屬層，然後利用TiAl靶沉積TiAlN基底層，再在TiAlN基底層上以「TiSiN層-TiAlSiN層-TiSiN層-TiAlN層」為一個循環周期，並採用多靶交替沉積方式沉積多周期塗層，直至複合塗層的總厚度達到2μm～12μm。本發明的複合塗層刀具具有高硬度、高強度、優異的高溫抗氧化能力、高溫穩定性及時效硬化特性等優點，並且塗層與基體之間表現出良好的結合強度。
文檔編號C23C14/06GK102242338SQ20111017639
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月28日 優先權日2011年6月28日
發明者劉星, 吳明晶, 李佳, 王社權, 謝宏, 陳利 申請人:株洲鑽石切削刀具股份有限公司