CN102242338B - 含周期性涂层的复合涂层刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含周期性涂层的复合涂层刀具，包括刀具基体和在刀具基体上沉积的复合涂层，复合涂层包括位于TiAlN基底层和周期性涂层，该周期性涂层是以“TiSiN层到TiAlSiN层到TiSiN层到TiAlN层”为一个循环周期的多周期涂层。其制备方法为：先采用物理气相沉积工艺并利用TiAl靶在刀具基体上可选择性地沉积TiAl金属层，然后利用TiAl靶沉积TiAlN基底层，再在TiAlN基底层上以“TiSiN层-TiAlSiN层-TiSiN层-TiAlN层”为一个循环周期，并采用多靶交替沉积方式沉积多周期涂层，直至复合涂层的总厚度达到2μm～12μm。本发明的复合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，并且涂层与基体之间表现出良好的结合强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种涂层刀具及其制备方法，尤其涉及一种复合涂层刀具及其制备方法。
背景技术
亚稳相的Ti-Al-N涂层由于具有优良的力学性能和高温抗氧化性能，已成为目前应用最普遍的刀具涂层材料。然而，高档数控机床与基础制造设备的不断更新与发展推动着高速切削加工技术的不断前进，尤其是加工一些难加工材料时，刀具刃口的温度达到1000℃以上，超过了Ti-Al-N涂层的抗氧化温度和热分解温度。
为了进一步改善涂层的高温性能，Ti-Al-N涂层的多元合金化和多层结构调整已成为目前刀具涂层的前沿研究领域。Ti-Al-N涂层中添加合金元素能改善涂层的力学性能及高温性能，其中在Ti-Al-N涂层中加入Si元素形成的由非晶的Si3N4相包裹TiAlN纳米晶粒的纳米复合结构在改善Ti-Al-N涂层的抗氧化性能和热稳定性的同时还表现出超硬效应，从而受到刀具涂层研究的广泛关注，并逐渐在工业上得到应用。然而，Si元素的加入形成的这种两相结构却使涂层的应力急剧增加而导致涂层与基体的结合强度降低，在一定程度上限制了其在刀具上的应用。
发明内容
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，本发明提出的技术方案为一种含周期性涂层的复合涂层刀具，包括刀具基体和在所述刀具基体上沉积的复合涂层，所述复合涂层包括位于底层的TiAlN基底层和位于表层的周期性涂层，该周期性涂层是以“TiSiN层到TiAlSiN层到TiSiN层到TiAlN层”为一个循环周期的多周期涂层。
在上述本发明的技术方案中，所述周期性涂层复合了TiSiN层、TiAlSiN层和TiAlN，TiSiN层形成有非晶的Si3N4包覆TiN纳米晶的三维网状结构，经我们研究和实验发现，这种非晶的Si3N4包覆纳米晶TiN的复合结构使得位错难以在TiN纳米晶内部形成，即使形成也难以穿过纳米晶之间的非晶薄层，从而大大提高了整个复合涂层的硬度和弹性模量，表现出超硬效应。与TiSiN层相似，TiAlSiN层也形成有非晶的Si3N4包覆TiAlN纳米晶的三维网状结构，Al元素的加入进一步提高了整个涂层的高温抗氧化能力。TiAlSiN层除了表现出与TiSiN涂层相同的超硬效应外，由于Si元素相比Ti、Al等元素与氧元素具有更好的亲和性，从而使得TiAlSiN层具有比TiAlN涂层更好的氧化性。此外，非晶的Si3N4界面相还可抑制TiAlN在高温时的分解过程，改善了复合涂层的热稳定性。因此，通过在复合涂层中周期性地复合TiSiN层和TiAlSiN层，使得刀具的硬度、抗氧化性和热稳定性都有了明显的提高。
虽然TiSiN层与TiAlSiN层的引入使本发明的复合涂层刀具具有超硬效应、高温抗氧化能力以及高温稳定性，但与此同时Si元素的加入也导致所述复合涂层产生了较大的残余应力，降低了所述复合涂层与所述刀具基体的结合强度，进而容易导致复合涂层刀具在加工过程中涂层脱落而限制了其应用。因此，在本发明的上述技术方案中，我们还引入了TiAlN基底层的概念，因为在以往的涂层刀具中，TiAlN层作为基底层的应用很少被人提及和关注，即使偶尔也尝试作为过渡层进行应用，那也是非必要或者可有可无的，其重要性并不突出；但是在本发明的上述技术方案中，通过引入TiAlN基底层可以有效改善涂层与基体的结合强度，TiAlN基底层可在承担切削耐磨功能的同时，改善含Si的周期性涂层与基体的结合强度。
另外，该复合涂层在首先沉积TiAlN基底层加强涂层与基体的结合强度的基础上，本发明还通过TiAlN层、TiSiN层和TiAlSiN层的合理周期性搭配进一步释放了含Si的周期性涂层的应力，进一步改善了周期性涂层与基体的结合强度。正是通过Ti、Si、Al元素成分的梯度变化以及“TiSiN层/TiAlSiN层/TiSiN层/TiAlN层”之间的界面来缓解所述复合涂层内部的应力，大大改善了所述复合涂层的韧性以及复合涂层与基体之间的结合强度。
上述的含周期性涂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，所述TiAlN基底层则覆于所述TiAl金属层上。因为经过我们的反复实验和研究发现，增加TiAl金属层的结构设计能够进一步改善复合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涂层与刀具基体的结合力。上述的含周期性涂层的复合涂层刀具中，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～60nm，因为TiAl金属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。
上述的含周期性涂层的复合涂层刀具中，所述复合涂层的总厚度优选为2μm～12μm，最优选为2μm～6μm。因为所述复合涂层如果过薄，会影响到复合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。
上述的含周期性涂层的复合涂层刀具中，所述TiAlN基底层的厚度优选为0.8μm～6μm，所述周期性涂层的厚度为0.8μm～8μm。因为在本发明的技术方案中，过厚的TiAlN基底层会降低表层含Si周期性涂层的厚度进而降低其耐磨性，而过薄的基底层会增加含Si周期性涂层的厚度，从而降低周期性涂层与基体的结合强度。
上述的含周期性涂层的复合涂层刀具，所述周期性涂层中，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～50nm，所述TiSiN层的单层厚度优选为2nm～100nm，所述TiAlSiN层的单层厚度优选为2nm～100nm。在本发明的技术方案中，组成所述复合涂层的单层厚度过厚或过薄，均有可能影响本发明复合涂层的界面强化作用。
上述的含周期性涂层的复合涂层刀具中，所述TiAlN基底层和TiAlN层中Al元素的原子百分数在本领域人员公知的范围内均优选为30％～66％。因为经过我们的研究和实验发现，过高的Al含量会导致涂层由立方结构向六方结构转化从而降低复合涂层的力学性能；而过低的Al含量则会降低复合涂层的力学性能、高温抗氧化性能和时效硬化效应。
上述的含周期性涂层的复合涂层刀具，所述TiSiN层和TiAlSiN层中的Si元素的原子百分数均优选为2％～15％，所述TiAlSiN层中的Al元素的原子百分数优选为30％～60％。因为经过我们的反复实验和研究发现，Si元素、Al元素的含量如果过高或过低会直接影响到复合涂层的性能(例如涂层硬度等)。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的含周期性涂层的复合涂层刀具的制备方法，该制备方法包括以下步骤：首先采用物理气相沉积工艺并利用TiAl靶在所述刀具基体上可选择性地沉积TiAl金属层，然后利用TiAl靶沉积TiAlN基底层，再在所述TiAlN基底层上以“TiSiN层-TiAlSiN层-TiSiN层-TiAlN层”为一个循环周期，并采用物理气相沉积工艺中的多靶交替沉积方式沉积所述的多周期涂层，直至所述复合涂层的总厚度达到2μm～12μm。
作为对上述制备方法的进一步改进，所述TiAlN基底层中的Al元素的原子百分数控制在30％～66％，沉积厚度控制在0.8μm～6μm；所述TiAlN层中的Al元素的原子百分数控制在30％～66％，单层沉积厚度控制在2nm～50nm；所述TiSiN层、TiAlSiN层中Si元素的原子百分数均控制为2％～15％，所述TiAlSiN层中Al元素的原子百分数控制为30％～60％，所述TiSiN层、TiAlSiN层的单层沉积厚度均控制在2nm～100nm。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TiAlN层、TiSiN层、TiAlSiN层的单层厚度均控制在前述优选的数值范围内。
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、超硬刀具或高速钢刀具。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的多层复合涂层可组合各种单一涂层材料的优势使其综合性能好于各种单一涂层材料，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。此外，多层复合涂层还可通过其层间界面释放涂层的生长应力，进而改善复合涂层与刀片基体的结合强度。更具体到本发明，通过TiAlN基底层加强了复合涂层与刀片基体的结合强度，并在一定程度上充当耐磨功能层；再通过结合TiSiN层、TiAlSiN层形成的周期性涂层，这使得本发明的复合涂层刀具具有超硬效应、高温抗氧化能力以及高温稳定性；再通过Ti、Si、Al元素成分的梯度变化以及“TiSiN层/TiAlSiN层/TiSiN层/TiAlN层”之间的界面来缓解涂层内部应力、阻止裂纹扩展，使复合涂层保持高硬度、优异的高温抗氧化能力及高温稳定性能。本发明还针对该复合涂层刀具提供了一种工艺简单、设备要求低、生产成本低的复合涂层刀具的制备方法。通过本发明方法制备的复合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
图1为本发明实施例2的复合涂层刀具的结构示意图。
图2为本发明实施例3的复合涂层刀具的结构示意图。
图例说明：
1、刀具基体；
2、TiAl金属层；
3、Ti0.50Al0.50N基底层；
4、Ti0.90Si0.10N层；
5、Ti0.45Al0.45Si0.10N层；
6、Ti0.50Al0.50N层。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：
一种本发明的含周期性涂层的复合涂层刀具，包括刀具基体和在所述刀具基体上沉积的复合涂层(总厚度为2μm～12μm)，该复合涂层包括覆于刀具基体表面的TiAl金属层(20nm～30nm)、覆于TiAl金属层上的TiAlN基底层(厚度为0.8μm～6μm)和位于表层的周期性涂层(厚度为0.8μm～8μm)，该周期性涂层是以“TiSiN层到TiAlSiN层到TiSiN层到TiAlN层”为一个循环周期的多周期涂层。TiAlN基底层和TiAlN层中Al元素的原子百分数均为30％～66％。TiSiN层和TiAlSiN层中的Si元素的原子百分数均为2％～15％，TiAlSiN层中的Al元素的原子百分数为30％～60％。
上述的复合涂层刀具是通过以下物理气相沉积工艺制备得到：
首先将刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相沉积法并利用TiAl靶先沉积一层厚度为20nm～30nm的TiAl金属层，然后利用TiAl靶再沉积一层0.8μm～6μm的TiAlN基底层，TiAlN涂层中的Al元素的原子百分含量控制在30％～66％；接着采用多靶沉积方法在TiAlN基底层上交替沉积以“TiSiN层-TiAlSiN层-TiSiN层-TiAlN层”为调制周期的多周期涂层，通过控制和调节各靶材的成分，使TiSiN层、TiAlSiN层中Si元素的原子百分数控制在2％～15％，并使TiAlSiN层中Al元素的原子百分数控制在30％～60％，TiAlN层中的Al含量与上述TiAlN基底层的元素百分含量一致，重复多个周期直至复合涂层的总厚度达到2μm～12μm，得到上述的含周期性涂层的复合涂层刀具。
实施例2：
分别用型号为CNMG120408的硬质合金刀片和型号为SEET12T3的硬质合金刀片作为刀具基体，先对前述刀具基体进行表面清洗、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1.5μm的Ti0.50Al0.50N基底层3(利用TiAl靶，下同)；然后以“Ti0.90Si0.10N层到Ti0.45Al0.45Si0.10N层到Ti0.90Si0.10N层到Ti0.50Al0.50N层”为调制周期用多靶交替沉积方式沉积多周期涂层，其中Ti0.90Si0.10N层4、Ti0.45Al0.45Si0.10N层5、Ti0.50Al0.50N层6的单层厚度分别为10nm、15nm、15nm，其中Ti、Al和Si元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过30个周期后得到厚度为1.5μm的周期性涂层，并最终得到总厚度为3.0μm的复合涂层。
如图1所示，本实施例制得的含周期性涂层的复合涂层刀具，包括刀具基体1和在刀具基体1上沉积的复合涂层，复合涂层包括位于底层的TiAlN基底层3和位于表层的周期性涂层，该周期性涂层是以“TiSiN层4到TiAlSiN层5到TiSiN层4到TiAlN层6”为一个循环周期的多周期涂层。
对照品同样是以上述两种硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法分别沉积普通的AlTiN涂层，然后用本实施例2制得的复合涂层刀具(CNMG120408)和对照品(CNMG120408)进行连续车削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，用本实施例2制得的复合涂层刀具(SEET12T3)和对照品(SEET12T3)进行铣削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，对比实验结果如下表1所示。
由下表1可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的复合涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了140％，本发明的复合涂层刀具在铣削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了近88％。可见，本发明产品及工艺的技术效果非常显著。
表1：实施例2的本发明产品与对照品的对比实验效果
实施例3：
分别用型号为CNMG120408的硬质合金刀片和型号为SEET12T3的硬质合金刀片作为刀具基体，先对前述刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，采用物理气相多靶沉积方法首先在预处理后的刀具基体上沉积厚度为30nm的TiAl金属层2(利用TiAl靶)，然后沉积厚度为1.5μm的Ti0.50Al0.50N基底层3；最后以“Ti0.90Si0.10N层-Ti0.45Al0.45Si0.10N层-Ti0.90Si0.10N层-Ti0.50Al0.50N层”为调制周期采用多靶交替沉积方式沉积多周期涂层，其中Ti0.90Si0.10N层4、Ti0.45Al0.45Si0.10N层5、Ti0.50Al0.50N层6的单层厚度分别为10nm、15nm、15nm，其中Ti、Al和Si元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过30个周期后得到厚度为1.5μm的周期性涂层，并最终得到总厚度为3.0μm的复合涂层。
如图2所示，本实施例制得的含周期性涂层的复合涂层刀具，包括刀具基体1和在刀具基体1上沉积的复合涂层，该复合涂层包括覆于刀具基体1表面的TiAl金属层2、覆于TiAl金属层2上的Ti0.50Al0.50N基底层3和位于表层的周期性涂层，该周期性涂层是以“Ti0.90Si0.10N层4到Ti0.45Al0.45Si0.10N层5到Ti0.90Si0.10N层4到Ti0.50Al0.50N层6”为一个循环周期的多周期涂层。
对照品同样是以上述两种硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法分别沉积普通的AlTiN涂层，然后用本实施例3制得的复合涂层刀具(CNMG120408)和对照品(CNMG120408)进行连续车削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，用本实施例3制得的复合涂层刀具(SEET12T3)和对照品(SEET12T3)进行铣削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，对比实验结果如下表2所示：
表2：实施例3的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表2可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的复合涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了130％，本发明的复合涂层刀具在铣削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了近113％。相比于实施例2，由于增加多了一层TiAl金属层，其它各层均保持不变，在车削实验中和实施例2的效果基本相当，而在铣削实验中由于TiAl金属层改善了复合涂层和刀具基体的结合强度，技术效果得到进一步改善。
实施例4：
分别用型号为CNMG120408的硬质合金刀片和型号为SEET12T3的硬质合金刀片作为刀具基体，先对前述刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相多靶沉积方法首先在刀具基体上沉积厚度为1.0μm的Ti0.50Al0.50N基底层；然后以“Ti0.90Si0.10N层-Ti0.45Al0.45Si0.10N层-Ti0.90Si0.10N层-Ti0.50Al0.50N层”为调制周期采用多靶交替沉积方式沉积多周期涂层，其中Ti0.90Si0.10N层、Ti0.45Al0.45Si0.10N层、Ti0.50Al0.50N层的单层厚度分别为10nm、15nm、15nm，Ti、Al和Si元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过40个周期后得到厚度为2.0μm的周期性涂层，并最终得到复合涂层总厚度为3.0μm的本发明的复合涂层刀具。
对照品同样是以上述两种硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法分别沉积普通的AlTiN涂层，然后用本实施例4制得的复合涂层刀具(CNMG120408)和对照品(CNMG120408)进行连续车削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，用本实施例4制得的复合涂层刀具(SEET12T3)和对照品(SEET12T3)进行铣削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，对比实验结果如下表3所示：
表3：实施例4的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表3可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本实施例的复合涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了200％，本实施例的复合涂层刀具在铣削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了近56％。相比于实施例2，涂层的总厚度不变，底层的TiAlN层由1.5μm降低为1.0μm，而表层周期性涂层的厚度则由1.5μm增加为2.0μm，最终的技术效果在车削实验中的表现要优于实施例2；而在铣削实验中的表现则弱于实施例2，但仍优于现有技术产品。
实施例5：
分别用型号为CNMG120408的硬质合金刀片和型号为SEET12T3的硬质合金刀片作为刀具基体，先对前述刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相多靶沉积方法首先在刀具基体上沉积厚度为1.0μm的Ti0.50Al0.50N基底层；然后以“Ti0.90Si0.10N层-Ti0.45Al0.45Si0.10N层-Ti0.90Si0.10N层-Ti0.50Al0.50N层”为调制周期采用多靶交替沉积方式沉积多周期涂层，其中Ti0.90Si0.10N层、Ti0.45Al0.45Si0.10N层、Ti0.50Al0.50N层的单层厚度分别为10nm、15nm、15nm，其中Ti、Al和Si元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过20个周期后得到厚度为1.0μm的周期性涂层，并最终得到复合涂层总厚度为2.0μm的本发明的复合涂层刀具。
对照品同样是以上述两种硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法分别沉积普通的AlTiN涂层，然后用本实施例5制得的复合涂层刀具(CNMG120408)和对照品(CNMG120408)进行连续车削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，用本实施例5制得的复合涂层刀具(SEET12T3)和对照品(SEET12T3)进行铣削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，对比实验结果如下表4所示：
表4：实施例5的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表4可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本实施例的复合涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了100％，本实施例的复合涂层刀具在铣削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了近106％。相比于实施例2，TiAlN基底层由1.5μm降低到1.0μm，而周期性涂层则由1.5μm降低到1.0μm，总厚度降低1μm，而技术效果在车削实验中弱于实施例2，而在铣削实验则优于实施例2，且均优于现有技术产品。
实施例6：
分别用型号为CNMG120408的硬质合金刀片和型号为SEET12T3的硬质合金刀片作为刀具基体，先对前述刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相多靶沉积方法首先在刀具基体上沉积厚度为4.0μm的Ti0.50Al0.50N基底层；然后以“Ti0.90Si0.10N层-Ti0.45Al0.45Si0.10N层-Ti0.90Si0.10N层-Ti0.50Al0.50N层”为调制周期采用多靶交替沉积方式沉积多周期涂层，其中Ti0.90Si0.10N层、Ti0.45Al0.45Si0.10N层、Ti0.50Al0.50N层的单层厚度分别为10nm、15nm、15nm，其中Ti、Al和Si元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过80个周期后得到厚度为4.0μm的周期性涂涂层，并最终得到复合涂层总厚度为8.0μm的本发明的复合涂层刀具。
对照品同样是以上述两种硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法分别沉积普通的AlTiN涂层，然后用本实施例6制得的复合涂层刀具(CNMG120408)和对照品(CNMG120408)进行连续车削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，用本实施例2制得的复合涂层刀具(SEET12T3)和对照品(SEET12T3)进行铣削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，对比实验结果如下表5所示：
表5：实施例6的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表5可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的复合涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了250％，本发明的复合涂层刀具在铣削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了近56％。相比于实施例2，涂层底层和表层均由1.5μm增加到4.0μm，涂层的总厚度则由3.0μm增加到8.0μm，而技术效果在车削实验中要明显优于实施例2；在铣削实验则弱于实施例2，但仍优于现有技术产品。
实施例7：
分别用型号为CNMG120408的硬质合金刀片和型号为SEET12T3的硬质合金刀片作为刀具基体，先对前述刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相多靶沉积方法首先在刀具基体上沉积厚度为1.5μm的Ti0.34Al0.64N基底层；然后以“Ti0.90Si0.10N层-Ti0.31Al0.59Si0.10N层-Ti0.90Si0.10N层-Ti0.50Al0.50N层”为调制周期采用多靶交替沉积方式沉积多周期涂层，其中Ti0.90Si0.10N层、Ti0.31Al0.59Si0.10N层、Ti0.34Al0.64N层的单层厚度分别为10nm、15nm、15nm，其中Ti、Al和Si元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过30个周期后得到厚度为1.5μm的周期性涂层，并最终得到复合涂层总厚度为3.0μm的本发明的复合涂层刀具。
对照品同样是以上述两种硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法分别沉积普通的AlTiN涂层，然后用本实施例7制得的复合涂层刀具(CNMG120408)和对照品(CNMG120408)进行连续车削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，用本实施例7制得的复合涂层刀具(SEET12T3)和对照品(SEET12T3)进行铣削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，对比实验结果如下表6所示：
表6：实施例7的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表6可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本实施例的复合涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了170％，本实施例的复合涂层刀具在铣削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了近107％。相比于实施例2，仅TiAlN基底层、TiAlN层及TiAlSiN层中的Al含量有所增加，其它均未改变，而在技术效果上无论是车削还是铣削均优于实施例2中的表现。
实施例8：
分别用型号为CNMG120408的硬质合金刀片和型号为SEET12T3的硬质合金刀片作为刀具基体，先对前述刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相多靶沉积方法首先在刀具基体上沉积厚度为1.5μm的Ti0.50Al0.50N基底层；然后以“Ti0.94Si0.06N层-Ti0.47Al0.47Si0.06N层-Ti0.94Si0.06N层-Ti0.50Al0.50N层”为调制周期采用多靶交替沉积方式沉积多周期涂层，其中Ti0.94Si0.06N层、Ti0.47Al0.47Si0.06N层、Ti0.50Al0.50N层的单层厚度分别为10nm、15nm、15nm，其中Ti、Al和Si元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过30个周期后得到厚度为1.5μm的周期性涂层，并最终得到复合涂层总厚度为3μm的本发明的复合涂层刀具。
对照品同样是以上述两种硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积普通的AlTiN涂层，然后用本实施例8制得的复合涂层刀具(CNMG120408)和对照品(CNMG120408)进行连续车削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，用本实施例8制得的复合涂层刀具(SEET12T3)和对照品(SEET12T3)进行铣削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，对比实验结果如下表7所示：
表7：实施例8的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表7可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本实施例的复合涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了100％，本实施例的复合涂层刀具在铣削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了近63％。相比于实施例2，基底层、周期性涂层的厚度、调制周期及调制比均未发生变化，仅含Si涂层的Si含量稍有降低，而技术效果上无论是车削还是铣削均弱于实施例2，但相比于现有技术的涂层仍有优势。
实施例9：
分别用型号为CNMG120408的硬质合金刀片和型号为SEET12T3的硬质合金刀片作为刀具基体，先对前述刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相多靶沉积方法首先在刀具基体上沉积厚度为1.5μm的Ti0.50Al0.50N基底层；然后以“Ti0.90Si0.10N层到Ti0.45Al0.45Si0.10N层到Ti0.90Si0.10N层到Ti0.50Al0.50N层”为调制周期用多靶交替沉积方式沉积多周期涂层，其中Ti0.90Si0.10N层、Ti0.45Al0.45Si0.10N层、Ti0.50Al0.50N层的单层厚度分别为50nm、30nm、20nm，其中Ti、Al和Si元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过10个周期后得到厚度为1.5μm的周期性涂层，并最终得到复合涂层总厚度为3.0μm的本发明的复合涂层刀具。
对照品同样是以上述两种硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法分别沉积普通的AlTiN涂层，然后用本实施例9制得的复合涂层刀具(CNMG120408)和对照品(CNMG120408)进行连续车削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，用本实施例9制得的复合涂层刀具(SEET12T3)和对照品(SEET12T3)进行铣削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，对比实验结果如下表8所示：
表8：实施例9的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表8可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本实施例的复合涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了80％，本实施例的复合涂层刀具在铣削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了近25％。相比于实施例2，基底层和周期性涂层的厚度、涂层组分均未改变，仅周期性涂层的单层厚度发生变化，而在技术效果上无论是车削还是铣削均弱于实施例2，但相比于现有技术的涂层仍有优势。
实施例10：
分别用型号为CNMG120408的硬质合金刀片和型号为SEET12T3的硬质合金刀片作为刀具基体，先对前述刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相多靶沉积方法首先在刀具基体上沉积厚度为1.5μm的Ti0.50Al0.50N基底层；然后以“Ti0.90Si0.10N层到Ti0.45Al0.45Si0.10N层到Ti0.90Si0.10N层到Ti0.50Al0.50N层”为调制周期用多靶交替沉积方式沉积多周期涂层，其中Ti0.90Si0.10N层、Ti0.45Al0.45Si0.10N层、Ti0.50Al0.50N层的单层厚度分别为4nm、4nm、4nm、3nm，其中Ti、Al和Si元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过100个周期后得到厚度为1.5μm的周期性涂层，并最终得到复合涂层总厚度为3.0μm的本发明的复合涂层刀具。
对照品同样是以上述两种硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法分别沉积普通的AlTiN涂层，然后用本实施例10制得的复合涂层刀具(CNMG120408)和对照品(CNMG120408)进行连续车削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，用本实施例10制得的复合涂层刀具(SEET12T3)和对照品(SEET12T3)进行铣削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，对比实验结果如下表9所示：
表9：实施例10的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表9可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本实施例的复合涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了180％，本实施例的复合涂层刀具在铣削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了近119％。相比于实施例2，区别仅在于周期性涂层的单层厚度及调制周期发生了变化，而技术效果无论是在车削还是铣削上的表现均优于实施例2。
实施例11：
分别用型号为CNMG120408的硬质合金刀片和型号为SEET12T3的硬质合金刀片作为刀具基体，先对前述刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相多靶沉积方法首先在刀具基体上沉积厚度为1.0μm的Ti0.50Al0.50N基底层；然后以“Ti0.90Si0.10N层到Ti0.45Al0.45Si0.10N层到Ti0.90Si0.10N层到Ti0.50Al0.50N层”为调制周期用多靶交替沉积方式沉积多周期涂层，其中Ti0.90Si0.10N层、Ti0.45Al0.45Si0.10N层、Ti0.50Al0.50N层的单层厚度分别为10nm、15nm、15nm，其中Ti、Al和Si元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过20个周期后得到厚度为1.0μm的周期性涂层，并最终得到复合涂层总厚度为2.0μm的本发明的复合涂层刀具。
对照品同样是以上述两种硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法分别沉积普通的AlTiN涂层，然后用本实施例11制得的复合涂层刀具(CNMG120408)和对照品(CNMG120408)进行连续车削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，用本实施例11制得的复合涂层刀具(SEET12T3)和对照品(SEET12T3)进行铣削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，对比实验结果如下表10所示：
表10：实施例11的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表10可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本实施例的复合涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了60％，本实施例的复合涂层刀具在铣削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了近44％。相比于实施例2，本实施例的区别仅在于基底层和周期性涂层的厚度有所降低，而技术效果无论是车削还是铣削均弱于实施例2，但相比于现有技术仍有优势。
Claims (9)
1.一种含周期性涂层的复合涂层刀具，包括刀具基体和在所述刀具基体上沉积的复合涂层，其特征在于：所述复合涂层包括位于底层的TiAlN基底层和位于表层的周期性涂层，该周期性涂层是以“TiSiN层到TiAlSiN层到TiSiN层到TiAlN层”为一个循环周期的多周期涂层；所述TiAlN基底层的厚度为0.8μm～6μm；
所述复合涂层还包括有一覆于所述刀具基体表面的TiAl金属层，所述TiAlN基底层覆于所述TiAl金属层上。
2.根据权利要求1所述的含周期性涂层的复合涂层刀具，其特征在于：所述TiAl金属层的厚度为20nm～60nm。
3.根据权利要求1所述的含周期性涂层的复合涂层刀具，其特征在于：所述复合涂层的总厚度为2μm～12μm。
4.根据权利要求3所述的含周期性涂层的复合涂层刀具，其特征在于：所述周期性涂层的厚度为0.8μm～8μm。
5.根据权利要求4所述的含周期性涂层的复合涂层刀具，其特征在于：所述周期性涂层中，所述TiAlN层的单层厚度为2nm～50nm，所述TiSiN层的单层厚度为2nm～100nm，所述TiAlSiN层的单层厚度为2nm～100nm。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的含周期性涂层的复合涂层刀具，其特征在于：所述TiAlN基底层和TiAlN层中Al元素的原子百分数均为30%～66%。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的含周期性涂层的复合涂层刀具，其特征在于：所述TiSiN层和TiAlSiN层中的Si元素的原子百分数均为2%～15%，所述TiAlSiN层中的Al元素的原子百分数为30%～60%。
8.一种如权利要求1～2中任一项所述的含周期性涂层的复合涂层刀具的制备方法，该制备方法包括以下步骤：首先采用物理气相沉积工艺并利用TiAl靶在所述刀具基体上沉积TiAl金属层，然后利用TiAl靶沉积TiAlN基底层，再在所述TiAlN基底层上以“TiSiN层-TiAlSiN层-TiSiN层-TiAlN层”为一个循环周期，并采用物理气相沉积工艺中的多靶交替沉积方式沉积所述的多周期涂层，直至所述复合涂层的总厚度达到2μm～12μm。
9.根据权利要求8所述的含周期性涂层的复合涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述TiAlN基底层中的Al元素的原子百分数控制在30%～66%，沉积厚度控制在0.8μm～6μm；所述TiAlN层中的Al元素的原子百分数控制在30%～66%，单层沉积厚度控制在2nm～50nm；所述TiSiN层、TiAlSiN层中Si元素的原子百分数均控制为2%～15%，所述TiAlSiN层中Al元素的原子百分数控制为30%～60%，所述TiSiN层、TiAlSiN层的单层沉积厚度均控制在2nm～100nm。
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