CN103171178B - 一种改善涂层结构的切削刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善涂层结构的切削刀具，包含基体以及在其上的涂层，涂层由内到外有内层A、过渡层C和外层B；内层A主要由过渡元素与非金属元素组成的化合物材料构成，外层B主要由氧化物等构成；过渡层C由外到内包含有过渡层C1、过渡层C2和过渡层C3，过渡层C1主要由TiC_x1N_y1O_z1组成；过渡层C2主要由TiC_x2N_y2O_z2组成；过渡层C3主要由TiAlC_x3N_y3O_z3或TiC_x3N_y3O_z3组成。该切削刀具的制备方法是在基体上结合CVD和HT-CVD等各种涂层工艺按序涂覆即可。本发明的涂层刀具具有耐磨性好、附着力强、抑制性高等优点。

Description

一种改善涂层结构的切削刀具及其制备方法

技术领域

本发明属于金属切削加工领域，尤其涉及一种带涂层的切削刀具及其制备工艺。

背景技术

涂层刀具刀片广泛应用于汽车、航空、微电子等各种行业的机械加工，加工材料包括普通的钢铁、铜、铝等金属材料，以及各种合金、陶瓷或复合材料。在机械加工过程中，涂层刀具存在两种失效制度：磨损、破损。刀具磨损主要是磨蚀磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损。在不同的切削条件下，加工不同材料的工件时，其主要磨损原因可能是其中一种或两种，总的来说切削温度较低时以磨蚀磨损为主，切削温度较高时以扩散磨损、氧化磨损为主。

现在普遍采用在刀具表面涂敷高硬度、耐磨的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层和氧化物涂层，来增强刀具的耐磨性能，延长刀具刀片的使用寿命。如TiN、TiC、TiCN、CrN能够降低刀具的磨蚀磨损、粘结磨损、扩散磨损，增加刀具的耐用度；在刀具表面涂敷高硬度的Al₂O₃涂层，可以有效地保护刀具避免氧化磨损。采用CVD方法在切削刀片基体上沉积钛的氮化物、碳化物、碳氮化物以及氧化铝，在现有的很多专利文献中已经有描述。例如美国专利文献US4490191和US3736107，欧洲专利文献EP0408535A1和EP0738336A1，以及中国专利文献CN1051263C和CN1039727C等公开了氧化物涂层刀具的制备方法以及各种提高氧化物涂层附着性能的预处理方法。专利文献JP7075903A、SE511089C2以及WO0052225A1公开了MTCVD-TiC或TiCN涂层的制备方法以及该涂层在立方氮化硼刀具、硬质合金刀具、多涂层刀具中的应用。现有涂层刀片的CVD涂层普遍采用MTCVD-TiCN涂层和Al₂O₃涂层的外层设计，典型涂层结构为TiCN(外层)+Al₂O₃(中间层)+TiCN(内层)的多层式结构，该多层式结构虽具有一定的通用性，能适用于各加工领域的切削刀片。

然而改善涂层体系的结合强度和耐磨性能成为当前涂层体系改进和优化的方向，为此对于TiCN/Al₂O₃过渡层的研究成为一个热点，US006436519公开了一种含有Ti₂AlO₅相的TiAlCNO层，通过增加TiCN/Al₂O₃界面的面积改善了涂层的结合强度；CN1319689C公开了一种TiBN过渡层，通过限定B的含量和厚度，避免了TiB和TiN作为过渡层的不足，改善了涂层结合强度和耐磨性能；CN100534779C公开了一种多层涂层体系：采用一层厚度为0.1～2μm、平均晶粒度≤0.5μm、晶粒为针状晶粒和/或等轴晶粒的TiC_xN_yO_z过渡层，改善了柱状晶TiC_xN_y层和α-Al₂O₃外层的结合性能，涂层在加工铸铁时表现得很好。专利文献EP0603144、CN1039727C、CN1134470A中都采用了具有针状或等轴结构的TiCNO过渡层来改善α-Al₂O₃层的形核。

其次，在高达800℃～1200℃温度下用CVD涂层工艺沉积碳化物层、氮化物层、碳氮化物或氧化物耐磨层时，基体中的钨、钴、碳，或中间涂层中的碳、氮、钛等可能会通过热渗透不断地迁移扩散到正在生长的涂层中，从而影响涂层中晶粒的生长方向、显微结构、涂层间的结合力、涂层的物理化学性能、机械性能等，如何抑制这些元素的迁移和扩散也是现有技术中所关注的内容。D.SELBMANN在“chemical vapour deposition of Al-containing TiC andTiCO hard coatings”中介绍了TiAlCO的制备技术。US5135801号美国专利文献揭示了一种具有最深(紧邻基体)含氧层的涂层硬质合金刀具，该涂层可以抑制含碳的硬质合金基体中的碳渗进涂层，把含氧层(如TiCO薄层)直接涂在硬质合金基体上，使基体脱碳作用降至最低限度。CN1060983C号中国专利文献公开了一种工艺方法，其在直接涂敷于基体的第一层TiC_xN_1-x(0≤x≤1)与涂敷于TiCO层上的另一层TiC_xN_1-x(0≤x≤1)之间，涂敷TiCO薄层作为中间层，目的也是抑制金属钴和钨由基体向涂层的渗透扩散。

然而，由于TiCO、TiAlCNO、TiBN等含氧涂层具有针状的结构，脆性大，在厚度较薄时对抑制物质钴和钨由基体向涂层的渗透扩散作用有限；并且单一的TiO、TiCO或TiAlCO过渡层在底层涂层A的表面不能均匀形核，因而当沉积时间短时，TiCO过渡层在底层涂层A上分布不均匀的，不致密，进一步影响外层α-Al₂O₃的形核，导致外层氧化物层的晶粒粗大和涂层的不均匀性；而含氧过渡层厚度过厚，又会导致过渡层晶粒长大，会降低表层α-Al₂O₃层的形核密度，甚至有部分针状晶粒异常长大，深入表层α-Al₂O₃涂层，形成一个应力集中点，降低表层α-Al₂O₃涂层强度；同时而含氧过渡层厚度过厚也会形成在涂层之间形成一个脆性很大的裂纹扩展层，降低表层涂层的结合强度。

综上所述，现有专利仅从不同角度对TiCN/Al₂O₃过渡层进行了研究，没有综合考虑过渡层对TiCN/Al₂O₃涂层体系的影响作用。我们有必要对切削刀具的涂层的微观结构及各项参数指标作进一步的调整、组合和优化设计，以降低沉积过程中来自基体的元素对涂层的消极影响，改善涂层的结合强度、耐磨性能和稳定性。

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，提供一种耐磨性好、附着力强、抑制性高的改善涂层结构的切削刀具，并相应提供该切削刀具的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案为一种改善涂层结构的切削刀具，包含基体(涂层基体可以为硬质合金、金属陶瓷，非金属陶瓷、PCD或CBN等材料)以及在基体上至少部分覆盖的涂层，所述涂层由内到外至少包含有内层A、过渡层C和外层B；

所述内层A主要由元素周期表中的过渡元素与非金属元素组成的化合物材料构成，所述过渡元素选自元素周期表中的IVB族、VB族、VIB族中的至少一种，所述非金属元素选自碳、氮、氧、硼中的至少一种；

所述外层B主要由铝的氧化物、钛的氧化物、铪的氧化物、锆的氧化物、前述氧化物的固溶体中的至少一种构成；

其特征在于，所述过渡层C由外到内包含有过渡层C1、过渡层C2和过渡层C3：

所述过渡层C1主要由钛的碳氮氧化物TiC_x1N_y1O_z1组成，所述x1、y1、z1分别表示TiC_x1N_y1O_z1中C、N、O的原子百分数，且满足0.5≤z1/(x1+y1+z1)≤1，y1≤x1≤z1；

所述过渡层C2主要由钛的碳氮氧化物TiC_x2N_y2O_z2组成，所述x2、y2、z2分别表示TiC_x2N_y2O_z2中C、N、O的原子百分数，且满足0.5≤x2/(x2+y2+z2)≤1；

所述过渡层C3主要由钛的碳氮氧化物TiAlC_x3N_y3O_z3或TiC_x3N_y3O_z3组成，所述x3、y3、z3分别表示TiAlC_x3N_y3O_z3或TiC_x3N_y3O_z3中C、N、O的原子百分数，且满足0.3≤y3/(x3+y3+z3)≤0.8，z3≤0.1。

作为对上述改善涂层结构的切削刀具的进一步改进，在所述过渡层C2和过渡层C3之间还设有过渡层C4，所述过渡层C4主要由TiMeX涂层组成，其中Me为Al、Si、Hf、Zr中的至少一种，X为C、N、B、O中的至少一种。所述过渡层C4优选为梯度结构，过渡层C4中Ti元素的原子百分比由外向内逐渐增加，且外层Ti元素的原子百分比小于内层的80％。作为进一步的改进，该Me优选为与外层B具有相同的金属元素。

上述的改善涂层结构的切削刀具，所述过渡层C1中，所述x1、y1、z1优选满足0.5≤z1/(x1+y1+z1)≤0.8。所述过渡层C1优选为片状或粒状的纳米晶结构，其晶粒度优选小于200nm。所述过渡层C1的厚度优选小于0.5μm(更优选小于0.3μm)。

上述的改善涂层结构的切削刀具，所述过渡层C2中，所述x2、y2、z2优选满足0.8≤x2/(x2+y2+z2)≤1(更优选的方案为x2＝1、y2＝0、z2＝0，此时的过渡层C2即为TiC涂层)。所述过渡层C2优选为离散分布的纳米等轴颗粒结构，其晶粒度优选小于200nm。所述过渡层C2的厚度小于0.5μm(更优选小于0.3μm)。

上述的改善涂层结构的切削刀具，所述过渡层C3中，所述z3优选为0，即所述过渡层C3主要由TiAlC_x3N_y3或TiC_x3N_y3组成。所述过渡层C3的厚度优选为0.1μm～1.0μm(更优选为0.3μm～0.8μm)。

上述的改善涂层结构的切削刀具中，所述内层A的化合物材料优选自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物、硼氮化物、硼碳氮化物中的一种或多种，所述化合物材料中至少有一种具有柱状晶或纤维状晶结构。

上述的改善涂层结构的切削刀具中，所述外层B优选为超细晶的氧化物涂层(优选为具有α-Al₂O₃结构的氧化物涂层)，外层B的晶粒度S优选满足：

当0.5μm＜d≤2μm时，0.2μm≤S≤0.6μm；

当2μm≤d≤10μm时，0.4μm≤S≤1μm；

当10μm≤d≤30μm时，0.6μm≤S≤1.2μm。

上述的改善涂层结构的切削刀具中，所述过渡层C1和过渡层C2的总厚度范围优选为0.1μm～0.8μm(最优选为0.2μm～0.5μm)。

上述的改善涂层结构的切削刀具中，在所述外层B的外侧还优选涂覆有一层含Ti化合物标识层，该标识层优选为TiN或TiCN，所述含Ti化合物标识层的厚度为0.1μm～1μm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的改善涂层结构的切削刀具的制备方法，包括以下步骤：先准备硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、PCD或CBN材料的刀具基体，然后在所述刀具基体上于同一涂层周期中沉积以下涂层：

(1)利用常规的CVD法在所述刀具基体上沉积上述的内层A；

(2)利用常规的HT-CVD工艺在所述内层A上沉积上述的过渡层C3；

(3)利用常规的CVD法在所述过渡层C3上沉积上述的过渡层C4；

(4)利用常规的HT-CVD工艺在所述过渡层C4上沉积上述的过渡层C2；

(5)利用常规的HT-CVD工艺在所述过渡层C2上沉积上述的过渡层C1；

(6)利用常规的CVD法在所述过渡层C1上沉积上述的外层B；

(7)对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂或含硅尼龙刷抛光进行表面处理；

(8)利用常规的CVD法在外层B上(可选择性地)再沉积一层上述的含Ti化合物标识层；再经过表面处理后，在所述涂层刀片的刃口、前刀面或后刀面的局部区域去除前述标识层使外层B暴露，完成制作。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的切削刀具在内层A表面采用HT-CVD技术沉积一层过渡层C3，该过渡层C3可有效提高涂层的强度和涂层间的结合性能，当x3偏大时过渡层C3的硬度较高，脆性较大，而当y3偏大时，过渡层C3的强度较高，韧性较好；该过渡层C3在内层A的晶面以外延生长为主，在晶界则形核生长为主，晶粒细化，结构致密，其厚度可控制在0.1μm～1.0μm的范围内，能有效抑制物质钴和钨由基体向涂层的渗透扩散。

2、本发明切削刀具设置的过渡层C2能有效改善过渡层C1的形核均匀性和密度，避免了单一的TiO、TiCO薄层或TiAlCO薄层在内层A的表面上分布不均匀的问题；与此同时，优选的过渡层C2具有离散分布的TiC纳米等轴颗粒层，其可以在一定程度上改善内层A在生长过程中形成的表面凹凸不平，降低涂层的粗糙度；本发明通过对过渡层C2的组成进行优化(0.5≤x2/(x2+y2+z2)≤1)，可以有效提高过渡层C2的等轴化程度；而对过渡层C2厚度的优化又可以避免过渡层C2晶粒的粗大化，进而避免外部氧化物涂层晶粒密度的下降，避免涂层强度和涂层结合强度的降低。

3、本发明的切削刀具还设有过渡层C1，通过对其厚度进行优化，可以避免过渡层C1晶粒的粗大化和异常长大，从而得到细小均匀的过渡层C1，进而可以通过诱导形核作用，在其上得到均匀、高密度的外部氧化物涂层B形核层；与此同时，本发明通过对过渡层C1的组成进行优化(0.5≤z1/(x1+y1+z1)≤1，y1≤x1≤z1)，可以得到理想的晶体结构，例如该过渡层C1可以控制具有刚玉结构的氧化物晶体的形核，这对于制备外层的α-Al₂O₃或其掺杂涂层具有重要作用。

4、本发明的切削刀具还设有外层B，外层B设计为具有柱状晶结构的超细晶的氧化物涂层，其特别优选为具有α-Al₂O₃结构的氧化物涂层，通过对外层B的晶粒度S进行优化(当0.5μm≤d≤2μm时，0.2μm≤S≤0.6μm；当2μm≤d≤10μm时，0.4μm≤S≤1μm；当10μm≤d≤30μm时，0.6μm≤S≤1.2μm，对晶粒度的优化可以根据Hall-Petch公式进行)，能够进一步地提高表层氧化物涂层的均匀性、硬度和耐磨损性能；而避免由于晶粒尺寸过小，出现一种反向的Hall-Petch现象，而导致硬度和耐磨损性能的下降。

5、本发明优选的切削刀具中还可在过渡层C2和过渡层C3之间沉积一层或多层的TiMeX涂层(即过渡层C4)，其中Me为Al、Si、Hf、Zr等元素，并且Me和Ti元素的原子百分比呈梯度变化，当Me元素与外层B相同或相近时，该过渡层C4可以降低因内层A和外层B之间由于热膨胀系数的差异而产生的应力集中(热膨胀系数的差异导致当沉积温度下降到室温时产生的残余应力在界面上的集中)，这有利于提高涂层的结合强度。特别是当过渡层C4中的Me和Ti元素的原子百分比呈梯度变化时，导致涂层结构和物理性能产生梯度分布，可进一步降低残余应力在过渡层C中的强度集中。

6、本发明优选的切削刀具中在外层还设置有颜色不同于内层的含Ti化合物标识层，该层可以采用CVD或PVD方法进行沉积，也可以采用刷涂方法或喷涂方法进行涂覆。为保证刀具的切削性能，标识层在切削刃、前刀面或后刀面上被部分或全部去除。

此外，本发明中薄的等轴高碳的过渡层C2和薄的片状的过渡层C1形成的微观结构，该结构可以有效的提高过渡层C1的形核密度和分布的均匀性，从而提高外层B中α-Al₂O₃结构的氧化物涂层的形核密度，细化晶粒，提高表层氧化物涂层的均匀性、硬度和耐磨损性能，从整体上改善刀具的切削性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中切削刀具的结构示意图。

图2为本发明实施例1中切削刀具的外层B的扫描电子显微照片(放大倍数分别为10000)。

图3为本发明实施例1中切削刀具的过渡层C1的扫描电子显微照片(放大倍数分别为30000)。

图4为本发明实施例2中对比切削刀具2的外层B的扫描电子显微照片(放大倍数分别为10000)。

图5为本发明实施例2中对比切削刀具2的过渡层C1的扫描电子显微照片(放大倍数分别为30000)。

图6为本发明实施例7中切削刀具的结构示意图。

图7为本发明实施例4中切削刀具的外层B的扫描电子显微照片(放大倍数分别为10000)。

图8为本发明实施例4中切削刀具的过渡层C1的扫描电子显微照片(放大倍数分别为10000)。

图9为本发明实施例5中对比切削刀具4的外层B的扫描电子显微照片(放大倍数分别为10000)。

图10为本发明实施例5中对比切削刀具4的过渡层C1的扫描电子显微照片(放大倍数分别为10000)。

图例说明：

1、基体；2、涂层；21、内层A；22、过渡层C；221、过渡层C1；222、过渡层C2；223、过渡层C3；224、过渡层C4；23、外层B；24、含Ti化合物标识层。

具体实施方式

实施例1：

一种如图1所示的本发明的改善涂层结构的切削刀具，包含基体1以及在基体1上至少部分覆盖的涂层2，涂层2由内到外至少包含有内层A21、过渡层C 22和外层B 23；

内层A21主要由TiCN材料构成，厚度为6μm；

外层B 23主要由α-Al₂O₃材料构成，厚度d＝4μm，外层B 23为超细晶的氧化物涂层，外层B的平均晶粒度S为0.46μm；

过渡层C 22由外到内包含有过渡层C1 221、过渡层C2 222和过渡层C3 223：

过渡层C1 221主要由钛的碳氮氧化物TiC_x1N_y1O_z1组成(具体为TiC_0.5O_0.5)，x1、y1、z1分别表示TiC_x1N_y1O_z1中C、N、O的原子百分数，且x1＝0.5，y1＝0，z1＝0.5，z1/(x1+y1+z1)＝0.5；过渡层C1为片状(或粒状)纳米晶结构，过渡层C1的厚度为0.2μm，过渡层C1的晶粒度小于200nm；

过渡层C2222主要由钛的碳氮氧化物TiC_x2N_y2O_z2组成(具体为TiC)，x2、y2、z2分别表示TiC_x2N_y2O_z2中C、N、O的原子百分数，且x2＝1，y2＝0，z2＝0，且x2/(x2+y2+z2)＝1；过渡层C2为离散分布的纳米等轴颗粒结构，过渡层C2的厚度为0.2μm，过渡层C2的晶粒度小于200nm；

过渡层C3 223主要由钛的碳氮氧化物TiC_x3N_y3O_z3组成(具体为TiC_0.4N_0.6)，x3、y3、z3分别表示TiC_x3N_y3O_z3中C、N、O的原子百分数，且x3＝0.4，y3＝0.6，z3＝0，0.3≤y3/(x3+y3+z3)≤0.8；过渡层C3的厚度为0.5μm。

上述本实施例的切削刀具主要通过以下方法制备得到：

(1)制备硬质合金基体：先用球磨机将10wt％Co、12wt％Ti和Ta立方碳氮化物、以及余量的WC粉末通过湿式混合20h，将混合料干燥，压制成压坯，将压坯烧结成硬质合金刀具基体，对其表面和刃口采用湿喷砂处理；然后在所述刀具基体上于同一涂层周期中分别沉积以下涂层：

(2)利用常规的CVD法在刀具基体1上沉积上述的内层A21；

(3)利用常规的HT-CVD工艺在内层A上沉积上述的过渡层C3(HT-TiC_0.4N_0.6)；

(4)利用常规的HT-CVD工艺在过渡层C3上沉积上述的过渡层C2(TiC)；

(5)利用常规的HT-CVD工艺在过渡层C2上沉积上述的过渡层C1(TiC_0.5O_0.5)；

(6)利用常规的CVD法在过渡层C1上沉积上述的外层B(α-Al₂O₃)；

(7)对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂或含硅尼龙刷抛光进行表面处理，在300μm的长度上测得的表面粗糙度Ra＝0.2μm。

本实施例上述的制备方法中，CVD涂层炉在沉积各种涂层时，其气氛组成、温度和压力控制如下表1所示，各层涂层的厚度则通过调整沉积时间来控制。

表1：实施例1中的切削刀具在涂层炉中的工艺参数控制

采用XRD对本实施例1制得的涂层物相进行定性分析；用SEM和EDS分析表层氧化物外层B和过渡层C的表面微观结构如图2、图3所示；在5000倍或10000倍下，用三线法测量表层氧化物外层B的平均晶粒度：在照片上随意划三根平行的直线(长度为Lμm)，计数线条所穿过晶界的个数n，则平均晶粒度d为L/n。采用划痕法测量本实施例制得的涂层的结合强度。

实施例2：

一种如图1所示的本发明的改善涂层结构的切削刀具，其涂层结构、组成成分、微观组成等与实施例1中的切削刀具均完全相同，仅仅是过渡层C3的涂层厚度和外层α-Al₂O₃的平均晶粒度与实施例1稍有差别。本实施例中，过渡层C3的涂层厚度为0.2μm，外层B的平均晶粒度S为0.5μm。实施例1和实施例2切削刀具的主要涂层结构如下表2所示。本实施例2的制备方法与实施例1基本相同。

另选两种对比切削刀具1(对比例1)和对比切削刀具2(对比例2)，其主要涂层结构参见下表2，其中对比例2的外层B和过渡层C1的表面微观结构如图4、图5所示。

表2：各种切削刀具主要涂层结构的厚度对比

涂层结构	过渡层C3	过渡层C2	过渡层C1	外层B
					涂层成份	HT-TiC0.4N0.6	TiC	TiC0.5O0.5	α-Al2O3
实施例1	0.5μm	0.2μm	0.2μm	4μm
					实施例2	0.2μm	0.2μm	0.2μm	4μm
对比例1	无	0.3μm	0.2μm	4μm
					对比例2	0.05μm	无	0.2μm	4μm

将上述实施例1、实施例2的切削刀具与对比切削刀具1、2分别进行如下表3中所示的车削试验和下表4中所示的铣削试验。

表3：车削试验模式

表4：铣削试验模式

上述车削试验和铣削试验的结果如下表5所示。

表5：试验结果对比

从上表5可以看出：对比例的切削刀具表面不同程度出现了钴斑和晶粒异常，而本发明实施例的切削刀具表面均匀，均没有发现钴斑。可见，采用本发明的切削刀具具有很好的抑制基体中钴等元素由基体向涂层渗透扩散的作用。此外，表5的试验数据也表明，本发明的切削刀具在切削实验中表现出了较长的使用寿命。

实施例3：

一种如图1所示的本发明的改善涂层结构的切削刀具，包含基体1以及在基体1上至少部分覆盖的涂层2，涂层2由内到外至少包含有内层A21、过渡层C 22和外层B 23；

内层A21主要由MT-TiCN材料构成，厚度为4μm；

外层B 23主要由α-Al₂O₃材料构成，厚度为d＝3μm，外层B 23为超细晶的氧化物涂层，外层B的平均晶粒度S为0.51μm；

过渡层C 22由外到内包含有过渡层C1 221、过渡层C2 222和过渡层C3 223：

过渡层C1 221主要由钛的碳氮氧化物TiC_x1N_y1O_z1组成(具体为TiC_0.3O_0.7)，即x1＝0.3，y1＝0，z1＝0.7，z1/(x1+y1+z1)＝0.7；过渡层C1为片状(或粒状)纳米晶结构，过渡层C1的厚度为0.3μm，过渡层C1的晶粒度小于200nm；

过渡层C2 222主要由钛的碳氮氧化物TiC_x2N_y2O_z2组成(具体为TiC_0.8N_0.15O_0.05)，即x2＝0.8，y2＝0.15，z2＝0.05，且x2/(x2+y2+z2)＝0.8；过渡层C2为离散分布的纳米等轴颗粒结构，过渡层C2的厚度为0.2μm，过渡层C2的晶粒度小于200nm；

过渡层C3 223主要由钛的碳氮氧化物TiC_x3N_y3O_z3组成(具体为HT-TiC_0.28N_0.7O_0.02)，即x3＝0.28，y3＝0.7，z3＝0.02，且0.3≤y3/(x3+y3+z3)≤0.8；过渡层C3的厚度为0.5μm。

上述本实施例的切削刀具主要通过以下方法制备得到：

(1)制备硬质合金基体：先用球磨机将6wt％Co、3.5wt％Ti和Ta立方碳氮化物、以及余量的WC粉末通过湿式混合20h，将混合料干燥，压制成压坯，将压坯烧结成硬质合金刀具基体，对其表面和刃口采用湿喷砂处理；然后在所述刀具基体上于同一涂层周期中分别沉积以下涂层：

本实施例的步骤(2)～(7)的操作步骤与实施例1相同，仅仅是涂层炉中的工艺参数控制与实施例1相比有所差异，CVD涂层炉在沉积各种涂层时，其气氛组成、温度和压力控制如下表6所示，各层涂层的厚度则通过调整沉积时间来控制。

表6：实施例3中的切削刀具在涂层炉中的工艺参数控制

实施例4：

一种本发明的改善涂层结构的切削刀具，包含基体以及在基体上至少部分覆盖的涂层，涂层由内到外至少包含有内层A、过渡层C和外层B；

内层A主要由MT-TiCN材料构成，厚度为4μm；

外层B主要由α-Al₂O₃材料构成，厚度为3μm，外层B为超细晶的氧化物涂层，外层B的平均晶粒度S为0.72μm；

过渡层C由外到内包含有过渡层C1、过渡层C2、过渡层C4和过渡层C3：

过渡层C1主要由钛的碳氮氧化物TiC_x1N_y1O_z1组成(具体为TiC_0.3O_0.7)，即x1＝0.3，y1＝0，z1＝0.7，z1/(x1+y1+z1)＝0.7；过渡层C1为片状(或粒状)纳米晶结构，过渡层C1的厚度为0.5μm，过渡层C1的晶粒度小于200nm；

过渡层C2主要由钛的碳氮氧化物TiC_x2N_y2O_z2组成(具体为TiC_0.8N_0.15O_0.05)，即x2＝0.8，y2＝0.15，z2＝0.05，且x2/(x2+y2+z2)＝0.8；过渡层C2为离散分布的纳米等轴颗粒结构，过渡层C2的厚度为0.3μm，过渡层C2的晶粒度小于200nm；

过渡层C3主要由钛的碳氮氧化物TiC_x3N_y3O_z3组成(具体为HT-TiC_0.28N_0.7O_0.02)，即x3＝0.28，y3＝0.7，z3＝0.02，且0.3≤y3/(x3+y3+z3)≤0.8；过渡层C3的厚度为0.5μm；

过渡层C4主要由TiAlCO材料组成(具体为：Ti_0.8Al_0.2C_0.1O_0.9)，过渡层C4为单层梯度结构(也可为多层梯度结构)，过渡层C4中Ti原子百分含量从内到外呈下降趋势，且外层Ti元素的原子百分比小于内层的80％，过渡层C4的厚度为0.5μm。

上述本实施例的切削刀具主要通过以下方法制备得到：

(1)制备硬质合金基体：先用球磨机将6wt％Co、3.5wt％Ti和Ta立方碳氮化物、以及余量的WC粉末通过湿式混合20h，将混合料干燥，压制成压坯，将压坯烧结成硬质合金刀具基体，对其表面和刃口采用湿喷砂处理；然后在所述刀具基体上于同一涂层周期中分别沉积以下涂层：

(2)利用常规的CVD法在所述刀具基体上沉积上述的内层A；

(3)利用常规的HT-CVD工艺在所述内层A上沉积上述的过渡层C3；

(4)利用常规的CVD法在所述过渡层C3上沉积上述的过渡层C4，通过调节气氛中AlCl3％由0增加到2％，制备具有梯度结构的过渡层C4；

(5)利用常规的HT-CVD工艺在所述过渡层C4上沉积上述的过渡层C2；

(6)利用常规的HT-CVD工艺在所述过渡层C2上沉积上述的过渡层C1；

(7)利用常规的CVD法在所述过渡层C1上沉积上述的外层B；

(8)对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂或含硅尼龙刷抛光进行表面处理。

本实施例的制备方法中，涂层炉中的工艺参数控制与实施例3相同，只是另外增加一层过渡层C4沉积即可(参见上表6)，各层涂层的厚度则通过调整沉积时间来控制。用SEM和EDS分析本实施例的表层氧化物外层B和过渡层C1的表面微观结构分别如图7、图8所示。

实施例5：

一种如图1所示的本发明的改善涂层结构的切削刀具，其涂层结构、组成成分、微观组成等与实施例3中的切削刀具均完全相同，仅仅是过渡层C2的涂层厚度和外层α-Al₂O₃的平均晶粒度与实施例3稍有差别。本实施例中，过渡层C2的涂层厚度为0.5μm，外层B的平均晶粒度S为0.47μm。实施例3～5的切削刀具的主要涂层结构如下表7所示。本实施例的切削刀具的制备方法与实施例3基本相同(仅仅是工艺条件上稍作适应性调整即可)。

另选四种对比切削刀具3(对比例3)、对比切削刀具4(对比例4)、对比切削刀具5(对比例5)和对比切削刀具6(对比例6)，其主要涂层结构参见下表7，其中对比例4的外层B和过渡层C1的表面微观结构如图9、图10所示。

表7：各种切削刀具主要涂层结构的厚度对比

将上述实施例3～5的切削刀具与对比例切削刀具3～6分别进行如上表3中所示的车削试验和上表4中所示的铣削试验。该车削试验和铣削试验的结果如下表8所示。

表8：试验结果对比

从表8可以看出：对比例3的切削刀具表面分别出现α和κ混晶氧化铝，严重夹粗，对比例4、5的切削刀具表面晶粒异常粗大和出现有夹粗现象，刀具寿命波动较大；而本发明实施例的切削刀具表面晶粒细小，均匀，在切削实验中，表现出了较长的使用寿命和稳定性。

实施例6：

一种本发明的改善涂层结构的切削刀具，包含基体以及在基体上至少部分覆盖的涂层，涂层由内到外至少包含有内层A、过渡层C和外层B；

内层A主要由MT-TiCN材料构成，厚度为6μm；

外层B主要由α-Al₂O₃材料构成，厚度为3μm，外层B为超细晶的氧化物涂层，外层B的晶粒度S为0.51μm；

过渡层C由外到内包含有过渡层C1、过渡层C2和过渡层C3：

过渡层C1主要由钛的碳氮氧化物TiC_x1N_y1O_z1组成(具体为TiC_0.2O_0.8)，即x1＝0.2，y1＝0，z1＝0.8，z1/(x1+y1+z1)＝0.8；过渡层C1为片状(或粒状)纳米晶结构，过渡层C1的厚度为0.2μm，过渡层C1的晶粒度小于200nm；

过渡层C2主要由钛的碳氮氧化物TiC_x2N_y2O_z2组成(具体为TiC_0.9N_0.1)，即x2＝0.9，y2＝0.1，z2＝0，且x2/(x2+y2+z2)＝0.9；过渡层C2为离散分布的纳米等轴颗粒结构，过渡层C2的厚度为0.2μm，过渡层C2的晶粒度小于200nm；

过渡层C3主要由钛的碳氮氧化物TiC_x3N_y3O_z3组成(具体为HT-TiC_0.5N_0.5)，即x3＝0.5，y3＝0.5，z3＝0，且0.3≤y3/(x3+y3+z3)≤0.8；过渡层C3的厚度为0.5μm。

过渡层C4主要由TiAlCNO材料组成(具体组成为：Ti_0.8Al_0.2C_0.15N_0.1O_0.75)，过渡层C4为单层结构，其厚度为0.5μm。

上述本实施例的切削刀具的制备方法中，步骤(1)～(8)的操作步骤与实施例4相同，仅仅是涂层炉中的工艺参数控制做相应调整即可。各层涂层的厚度则通过调整沉积时间来控制。

实施例7：

一种如图6所示的本发明的改善涂层结构的切削刀具，包含基体1以及在基体1上至少部分覆盖的涂层2，涂层2由内到外至少包含有内层A 21、过渡层C 22、外层B 23和含Ti化合物标识层24(具体为TiN标识层)；

内层A21主要由MT-TiCN材料构成，厚度为6μm；

外层B 23主要由α-Al₂O₃材料构成，厚度为3μm，外层B 23为超细晶的氧化物涂层，外层B的晶粒度S为0.47μm；

过渡层C 22由外到内包含有过渡层C1 221、过渡层C2 222、过渡层C4 224和过渡层C3223：

过渡层C1 221主要由钛的碳氮氧化物TiC_x1N_y1O_z1组成(具体为TiC_0.2O_0.8)，即x1＝0.2，y1＝0，z1＝0.8，z1/(x1+y1+z1)＝0.8；过渡层C1为片状(或粒状)纳米晶结构，过渡层C1的厚度为0.2μm，过渡层C1的晶粒度小于200nm；

过渡层C2 222主要由钛的碳氮氧化物TiC_x2N_y2O_z2组成(具体为TiC_0.9N_0.1)，即x2＝0.9，y2＝0.1，z2＝0，且x2/(x2+y2+z2)＝0.9；过渡层C2为离散分布的纳米等轴颗粒结构，过渡层C2的厚度为0.2μm，过渡层C2的晶粒度小于200nm；

过渡层C3 223主要由钛的碳氮氧化物TiC_x3N_y3O_z3组成(具体为HT-TiC_0.5N_0.5)，即x3＝0.5，y3＝0.5，z3＝0，且0.3≤y3/(x3+y3+z3)≤0.8；过渡层C3的厚度为0.5μm。

过渡层C4主要由TiAlCNO材料组成(具体组成为：Ti_0.8Al_0.2C_0.15N_0.1O_0.75)，过渡层C4为单层结构，其厚度为0.5μm。

上述本实施例的切削刀具主要通过以下方法制备得到：

步骤(1)～步骤(8)的操作与实施例4相同；

(9)利用常规的CVD法在外层B上再沉积一层TiN标识层；再经过表面处理后，在所述涂层刀片的刃口、前刀面或后刀面的局部区域去除前述标识层使外层B暴露，完成制作。

本实施例的制备方法中，涂层炉中的工艺参数控制与实施例6相同，只是另外增加一层过渡层C4沉积即可(参见上表9)，各层涂层的厚度则通过调整沉积时间来控制。

实施例8：

一种本发明的改善涂层结构的切削刀具，其涂层结构、组成成分、微观组成等与实施例6中的切削刀具均完全相同，仅仅是外层α-Al₂O₃的晶粒度与实施例6稍有差别。本实施例中，外层B的晶粒度S为0.49μm。实施例6～8的切削刀具的主要涂层结构如下表10所示。本实施例的切削刀具的制备方法与实施例6基本相同(仅仅是工艺条件上稍作适应性调整即可)。

另选一种对比切削刀具7(对比例7)，其主要涂层结构参见下表10。

表10：各种切削刀具主要涂层结构的厚度对比

将上述实施例6～8的切削刀具与对比例7的切削刀具分别进行如上表3中所示的车削试验和上表4中所示的铣削试验。该车削试验和铣削试验的结果如下表11所示。

表11：试验结果对比

从表11可以看出：本发明实施例的切削刀具表面晶粒细小、均匀，在切削实验中，表现出了较长的使用寿命和稳定性。

Claims (13)

1.一种改善涂层结构的切削刀具，包含基体以及在基体上至少部分覆盖的涂层，所述涂层由内到外至少包含有内层A、过渡层C和外层B；

所述内层A主要由元素周期表中的过渡元素与非金属元素组成的化合物材料构成，所述过渡元素选自元素周期表中的IVB族、VB族、VIB族中的至少一种，所述非金属元素选自碳、氮、氧、硼中的至少一种；

所述外层B主要由铝的氧化物、钛的氧化物、铪的氧化物、锆的氧化物、以及由前述氧化物间形成的固溶体中的至少一种构成；

其特征在于，所述过渡层C由外到内包含有过渡层C1、过渡层C2和过渡层C3：

所述过渡层C1主要由钛的碳氮氧化物TiC_x1N_y1O_z1组成，所述x1、y1、z1分别表示TiC_x1N_y1O_z1中C、N、O的原子百分数，且满足0.5≤z1/(x1+y1+z1)≤1，y1≤x1≤z1；

所述过渡层C2主要由钛的碳氮氧化物TiC_x2N_y2O_z2组成，所述x2、y2、z2分别表示TiC_x2N_y2O_z2中C、N、O的原子百分数，且满足0.5≤x2/(x2+y2+z2)≤1；

所述过渡层C3主要由钛的碳氮氧化物TiAlC_x3N_y3O_z3或TiC_x3N_y3O_z3组成，所述x3、y3、z3分别表示TiAlC_x3N_y3O_z3或TiC_x3N_y3O_z3中C、N、O的原子百分数，且满足0.3≤y3/(x3+y3+z3)≤0.8，z3≤0.1。

2.根据权利要求1所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：在所述过渡层C2和过渡层C3之间还设有过渡层C4，所述过渡层C4主要由TiMeX涂层组成，其中Me为Al、Si、Hf、Zr中的至少一种，X为C、N、B、O中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述过渡层C4为梯度结构，过渡层C4中Ti元素的原子百分比由外向内逐渐增加，且外层Ti元素的原子百分比小于内层的80％。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述过渡层C1中，所述x1、y1、z1满足0.5≤z1/(x1+y1+z1)≤0.8；所述过渡层C1为片状或粒状纳米晶结构，所述过渡层C1的厚度小于0.5μm。

5.根据权利要求4所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述过渡层C1的晶粒度小于200nm，所述过渡层C1的厚度小于0.3μm。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述过渡层C2中，所述x2、y2、z2满足0.8≤x2/(x2+y2+z2)≤1；所述过渡层C2为离散分布的纳米等轴颗粒结构，所述过渡层C2的厚度小于0.5μm。

7.根据权利要求6所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述x2＝1、y2＝0、z2＝0，所述过渡层C2为TiC涂层，所述过渡层C2的晶粒度小于200nm，所述过渡层C2的厚度小于0.3μm。

8.根据权利要求1～3中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述过渡层C3中，所述z3＝0，所述过渡层C3的厚度为0.1μm～1.0μm。

9.根据权利要求1～3中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述内层A的化合物材料选自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物、硼氮化物、硼碳氮化物中的一种或多种，所述化合物材料中至少有一种具有柱状晶或纤维状晶结构。

10.根据权利要求1～3中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述外层B为超细晶的氧化物涂层，外层B的平均晶粒度S满足：

当0.5μm＜d≤2μm时，0.2μm≤S≤0.6μm；

当2μm≤d≤10μm时，0.4μm≤S≤1μm；

当10μm≤d≤30μm时，0.6μm≤S≤1.2μm；

其中，d表示外层B的厚度。

11.根据权利要求1～3中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述过渡层C1和过渡层C2的总厚度范围为0.1μm～0.8μm。

12.根据权利要求1～3中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：在所述外层B的外侧还涂覆有一层含Ti化合物标识层，所述含Ti化合物标识层的厚度为0.1μm～1μm。

13.一种如权利要求12所述的改善涂层结构的切削刀具的制备方法，包括以下步骤：先准备硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、PCD或CBN材料的刀具基体，然后在所述刀具基体上于同一涂层周期中沉积以下涂层：

(1)利用常规的CVD法在所述刀具基体上沉积上述的内层A；

(2)利用常规的HT-CVD工艺在所述内层A上沉积上述的过渡层C3；

(3)利用常规的CVD法在所述过渡层C3上沉积上述的过渡层C4；

(4)利用常规的HT-CVD工艺在所述过渡层C4上沉积上述的过渡层C2；

(5)利用常规的HT-CVD工艺在所述过渡层C2上沉积上述的过渡层C1；

(6)利用常规的CVD法在所述过渡层C1上沉积上述的外层B；

(7)对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂或含硅尼龙刷抛光进行表面处理；

(8)利用常规的CVD法在外层B上再沉积一层上述的含Ti化合物标识层；再经过表面处理后，在所述涂层刀片的刃口、前刀面或后刀面的局部区域去除前述标识层使外层B暴露，完成制作。