CN105269010A - 改善涂层结构的切削刀片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善涂层结构的切削刀片及其制备方法。该切削刀片包含基体A和沉积于基体A上的涂层，该涂层为多层涂层且至少包含有内层C和外层D，内层C是由ⅣB族过渡元素的碳氮氧化物或ⅣB族过渡元素的碳氮化物构成，外层D为(TiaAlb)(CiNjOk)层，厚度为1μm～20μm，所述内层C和外层D均为面心立方结构。本发明的制备方法包括制备基体A、选择性沉积过渡层B、沉积内层C、选择性沉积过渡层E、沉积外层D和表面处理。本发明的切削刀片具有较好的韧性、耐磨性和抗氧化性，在钢、不锈钢等材料加工中具有优异的切削性能，制备方法简单方便，易于操作和控制。
Description
技术领域
本发明属于金属切削加工领域，尤其涉及一种改善涂层结构的切削刀片及其制备方法。
背景技术
涂层刀片或刀具广泛应用于汽车、航空、微电子等各种行业的机械加工，加工材料包括钢铁、不锈钢、模具钢，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机制：磨损、破损。刀片磨损主要包括磨蚀磨损、粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损。在不同的切削条件下，加工不同材料的工件时，其磨损的主要原因可能是其中的一种或多种。一般来说，切削温度较低时以磨蚀磨损为主，切削温度较高时以粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损为主。刀片破损主要是脆性破损(崩刃、碎裂、剥落、裂纹破损等)和塑性变形。实验数据表明，刀片早期破损受热应力影响较小，主要是受机械冲击作用所致的脆性破损，如涂层剥落，刃口微崩等；刀片后期疲劳破损主要是在机械和热冲击作用下刀片内裂纹失稳扩散所致的破损和过高的加工温度导致的塑性变形。
为适应现在的高速高效切削加工，保证刀片在低温和高温条件下有很好的切削性能，提高刀具寿命，特别是涂层切削刀片的寿命，就必须提高涂层刀片或刀具的韧性同时保持刀片或刀具的抵抗磨蚀磨损、粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损的能力，提高刀片或者刀具涂层与基体的结合强度。
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，可以提高涂层的抗剥落性能。CN103171178A号中国专利文献公开了一种改善过渡层结构的切削刀具，过渡层由2层具有不同组成的TiCxNyOz和1层TiAlCx3Ny3Oz3复合而成，厚度非常小，可以细化外层α-Al2O3涂层的晶粒，同时改善外层α-Al2O3涂层的结合性能，这种过渡层的优化在一定程度上改善了TiCN/Al2O3界面的结合强度，可以提高涂层的抗剥落性能，但是由于残余应力和热裂纹的存在，CVD涂层刀片的强度没有得到改善，在低合金钢、奥氏体不锈钢，高温合金等材料的加工中，容易发生刃口崩缺而失效。
CN101941085A号中国专利文献公开了一种双TiCN涂层，其中外层TiCN涂层中N含量高于内层TiCN涂层中N含量，采用喷砂处理之后，两层TiCN涂层的残余应力之差在1000MPa～2500MPa之间。CN101219591A号中国专利文献公开了一种用于韧性要求高的浅孔钻用CVD涂层刀片，涂层包括：TiCxNyOz的第一(最内)层，厚度＜1.5μm；TiCxNyOz的层，厚度为1μm～8μm，具有柱状晶粒；细粒的晶粒К-Al2O3层，厚度为0.5μm～5μm，和厚度＜1μm的另外的TiCxNyOz层，在前刀面处，完全地或者局部地设有最外的TiCxNyOz层和Al2O3层，这种没有Al2O3层或去除Al2O3层的设计虽然改善了CVD涂层刀具的韧性，但是其抗扩散磨损和氧化磨损的能力下降，不适合干式切削。
在TiN涂层基础上加入金属元素(如Al、Cr、Zr等)可以进一步提高其硬度和抗氧化性，如PVDTiAlN涂层，其硬度高于TiCN涂层，高温抗氧化能力高于TiCN涂层，接近α-Al2O3涂层。D.SELBMANN在“chemicalvapourdepositionofAl-containingTiCandTiCOhardcoatings”中介绍了CVD制备TiAlCO涂层的技术，采用N2、C6H6或C7H16、AlCl3、TiCl4、H2反应气氛，沉积了TiAlCN；采用CO、CO2、AlCl3、TiCl4、H2反应气氛，沉积TiAlCO涂层和多相的TiAlCO/Al2O3涂层，在钢材(不锈钢)车削加工中TiC预涂层基体+TiAlCO/Al2O3多相涂层和TiC预涂层基体+Al2O3涂层的性能相当，然而，在其后的应用实践中发现在TiAlCO/Al2O3多相涂层制备过程中，容易发生Al2O3异常长大，导致涂层均匀性下降，性能下降，所以TiC预涂层基体+TiAlCO/Al2O3多相涂层的多层涂层刀具的实际使用效果不佳。因此提供一种性能优异的涂层切削刀片，是很有必要的。
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，提供一种韧性和耐磨性能好的改善涂层结构的切削刀片，并相应提供了该切削刀片的制备方法。本发明的切削刀片在钢、不锈钢等材料的钻削和铣削等方面具有优异的切削性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种改善涂层结构的切削刀片，包含基体A和沉积于基体A上的涂层，所述涂层为多层涂层且至少包含有内层C和外层D；所述内层C是由ⅣB族过渡元素的碳氮氧化物或ⅣB族过渡元素的碳氮化物构成；所述外层D为(TiaAlb)(CiNjOk)层，满足0.4≤a≤0.55，0.001≤b≤0.02，0.1≤i≤0.4，0.1≤j≤0.4，0.02≤k≤0.25，a+b+i+j+k＝1，所述外层D的厚度为1μm～20μm；所述内层C和外层D均为面心立方结构。
上述的改善涂层结构的切削刀片中，优选的，所述内层C为TiCxNyOz层，满足x+y+z＝1，且x、y均不为0；所述内层C的厚度为所述外层D厚度的0.5～5倍。
上述的改善涂层结构的切削刀片中，更优选的，所述内层C为采用中温化学气相沉积法制备的TiCxNyOz层；所述内层C的厚度为所述外层D厚度的1～2倍。
上述的改善涂层结构的切削刀片中，优选的，所述外层D为(TiaAlb)(CiNjOk)层，满足0.4≤a≤0.5，0.002≤b≤0.01，0.15≤i≤0.35，0.15≤j≤0.35，0.05≤k≤0.2，a+b+i+j+k＝1，所述外层D的厚度为1.5μm～10μm。
上述的改善涂层结构的切削刀片中，优选的，所述外层D在300μm长度上的表面粗糙度Ra≤0.2μm，残余应力δ≤300MPa。
上述的改善涂层结构的切削刀片中，更优选的，所述外层D在300μm长度上的表面粗糙度Ra≤0.15μm，残余应力-2000MPa≤δ≤0MPa。
上述的改善涂层结构的切削刀片中，优选的，所述内层C与所述外层D之间还设有过渡层E，所述过渡层E为一层或多层过渡涂层，所述过渡涂层是由过渡元素与非金属元素组成的具有立方晶体结构的化合物构成(如Ti、Zr、Hf、Cr、V、Ta等元素的C、N、O等化合物)，所述过渡元素选自ⅣB族、ⅤB族、ⅥB族过渡元素中的至少一种；所述过渡层E的厚度小于或等于所述外层D厚度的20％并且小于或等于1μm。
上述的改善涂层结构的切削刀片中，优选的，所述内层C与所述基体A之间还设有过渡层B，所述过渡层B为一层或多层过渡涂层，所述过渡涂层是由过渡元素与非金属元素组成的具有立方晶体结构的化合物构成(如Ti、Zr、Hf、Cr、V、Ta等元素的C、N、O等化合物)，所述过渡元素选自ⅣB族、ⅤB族、ⅥB族过渡元素中的至少一种；所述过渡层B的厚度为0.1μm～1.2μm。。
上述的改善涂层结构的切削刀片中，更优选的，所述过渡层B为TiN层，所述TiN层的厚度为0.4μm～0.8μm。
上述的改善涂层结构的切削刀片中，优选的，所述的基体A为硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)材料中的一种。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种上述的改善涂层结构的切削刀片的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备基体A，制备方法采用现有技术；
(2)选择性沉积过渡层B：利用常规CVD(化学气相沉积)法在所述基体A上选择性沉积过渡层B；
(3)沉积内层C：利用常规MT-CVD(中温化学气相沉积)工艺，在H2、N2、TiCl4、CH3CN、CO、HCl气氛中沉积内层C；
(4)选择性沉积过渡层E：利用常规CVD法在所述内层C上选择性沉积过渡层E；
(5)沉积外层D：利用HT-CVD(高温化学气相沉积)工艺，在H2、N2、TiCl4、AlCl3、CO、CH4气氛中沉积外层D；
(6)表面处理：采用喷砂抛光或含硅尼龙刷抛光的方法对上述涂层后产品进行表面处理，使外层D获得需要的表面粗糙度和残余应力。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的改善涂层结构的切削刀片中，内层C和外层D形成的TiCxNyOz/(TiaAlb)(CiNjOk)双层涂层结构，既保留了TiCxNyOz涂层韧性高和抗磨损性能好的优点，同时将TiCxNyOz涂层与(TiaAlb)(CiNjOk)涂层复合，改善了涂层的抗氧化性能，通过表面处理获得低的残余应力或压应力以及光滑表面，可以提高涂层的抗剥落能力和降低表面摩擦系数，降低切削力和切削热，改善涂层刀具性能。与背景技术中的对比文献相比，本发明的改善涂层结构的切削刀片的韧性与单层或多层TiCN涂层、或将TiCN/TiCN/Al2O3多层复合涂层表面Al2O3涂层去除之后的TiCN涂层相当甚至更好，而且本发明的外层D(TiaAlb)(CiNjOk)涂层相对于纯TiCN涂层具有更好的抗氧化性。
本发明的改善涂层结构的切削刀片中，内层C和外层D形成的TiCxNyOz/(TiaAlb)(CiNjOk)双层涂层结构中TiCxNyOz和(TiaAlb)(CiNjOk)都是面心立方结构，晶格匹配好，外层D(TiaAlb)(CiNjOk)在TiCxNyOz涂层表面同质外延形核生长，结合强度高，而现有技术中，TiCN和Al2O3分别属于面心立方结构和六方结构，晶格不匹配，Al2O3在TiCN涂层表面属于异质形核，结合强度差，因此相对于现有的TiCN/TiCN/Al2O3多层复合涂层等，本发明改善涂层结构的切削刀片的TiCxNyOz/(TiaAlb)(CiNjOk)双层涂层具有更好的抗涂层剥落性能，在不锈钢，高温合金等粘性材料加工中具有更好的抗粘结磨损和抗涂层剥落的能力。
作为本发明的改进，在内层C和外层D之间可以增加过渡层E，形成TiCxNyOz/过渡层E/(TiaAlb)(CiNjOk)多层涂层结构，所述过渡层E为一层或多层由过渡元素与非金属元素组成的具有立方晶体结构的化合物构成，通过优化过渡层E的组织结构，可以起到细化外层D晶粒、降低应力集中等作用，从而可以提高外层D的性能。
作为本发明的改进，在内层C和基体A之间可以增加过渡层B，形成基体A/过渡层B/内层C结构，通过优化过渡层B的组织结构，可以改善内层C的形核环境，降低基体元素对内层C形核生长的影响，从而提高TiCxNyOz/(TiaAlb)(CiNjOk)双层涂层的综合性能。
本发明的改善涂层结构的切削刀片的制备方法是将常规CVD，MT-CVD和HT-CVD方法进行结合，制备过程中采用同一涂层炉，过程简单，易于操作和控制。
附图说明
图1是本发明实施例4的改善涂层结构的切削刀片的结构示意图。
图2是本发明实施例1的改善涂层结构的切削刀片的截面结构图。
图3是本发明实施例2的改善涂层结构的切削刀片的截面结构图。
图4是本发明实施例3的改善涂层结构的切削刀片的截面结构图。
图5是本发明实施例4的改善涂层结构的切削刀片的截面结构图。
图6是对比例1的切削刀片的截面结构图。
图7是对比例2的切削刀片的截面结构图。
图8是对比例3的切削刀片的截面结构图。
图9是对比例4的切削刀片的截面结构图。
图例说明：
1、基体A；2、过渡层B；3、内层C；4、过渡层E；5、外层D；6、TiN层；7、TiCx1Ny1Oz1层；8、TiCx2Ny2Oz2；9、TiC0.5N0.5层；10、α-Al2O3层。
具体实施方式
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。
实施例1：
一种本发明的改善涂层结构的切削刀片，包括基体A1和沉积于基体A1上的涂层。基体A1为硬质合金，其成分为10wt％Co、1wt％Ti和Ta立方碳氮化物、以及余量的WC粉末。涂层包括内层C3为TiCxNyOz层和外层D5为(TiaAlb)(CiNjOk)层，本实施例中，x＝0.4，y＝0.5，z＝0.1，a＝0.46，b＝0.013，i＝0.197，j＝0.13，k＝0.20，因此，内层C3为TiC0.4N0.5O0.1层，外层D5为(Ti0.46Al0.013)(C0.197N0.13O0.20)层。内层C3的厚度为5μm，为面心立方结构，外层D5的厚度为5μm，为面心立方结构。外层D5经表面处理后，表面残余应力δ为-1350MPa，300μm的长度上表面粗糙度Ra＝0.18μm。
一种上述本实施例的改善涂层结构的切削刀片的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备硬质合金基体：将上述基体A1所需要的原料按照其成分进行混合，在球磨机上球磨20h，将混合料干燥，压制成压坯并烧结成硬质合金刀片基体，对其表面和刃口采用湿喷砂处理；
(2)利用MT-CVD工艺在上述基体A1上沉积内层C3，为TiC0.4N0.5O0.1，厚度为5μm；
(3)利用HT-CVD工艺在内层C3上沉积外层D5，为(Ti0.46Al0.013)(C0.197N0.13O0.20)，厚度为5μm；
(4)对上述制得的硬质合金涂层刀片采用湿喷砂表面处理，使得外层D5的表面残余应力为δ≤300MPa，最好-2000MPa≤δ≤0MPa，并且在300μm的长度上测得的表面粗糙度Ra≤0.2μm，本实施例中，δ＝-1350MPa，Ra＝0.18μm。
本实施例的制备方法中，CVD涂层炉在沉积上述内层C3和外层D5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，由于设备差异，参数是可以变化。
表1：实施例1～实施例4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制得的涂层进行分析，其结构如图2所述，可以很清楚的看到基体A1，内层C3和外层D5的结构。
实施例2：
一种本发明的改善涂层结构的切削刀片，包括基体A1和沉积于基体A1上的涂层，基体A1为硬质合金，其成分与实施例1基体A1的成分相同。涂层包括过渡层B2为TiN层、内层C3为TiCxNyOz层和外层D5为(TiaAlb)(CiNjOk)层，本实施例中x＝0.55，y＝0.4，z＝0.05，a＝0.44，b＝0.002，i＝0.13，j＝0.35，k＝0.078，因此，内层C3为TiC0.55N0.4O0.05层，外层D5为(Ti0.44Al0.002)(C0.13N0.35O0.078)层。内层C3的厚度为5μm，为面心立方结构；外层D5的厚度为2μm，为面心立方结构。过渡层B2为TiN，具有立方晶体结构，过渡层B2主要起到优化组织改善内层C3的形核环境的作用，所以其厚度要求为：0.1μm～1.2μm，本实施例中的厚度为0.5μm；外层D5经表面处理后，表面残余应力δ为245MPa，300μm的长度上表面粗糙度Ra＝0.18μm。
一种上述本实施例的改善涂层结构的切削刀片的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备硬质合金基体：将上述基体A1所需要的原料按照其成分进行混合，在球磨机上球磨20h，将混合料干燥，压制成压坯并烧结成硬质合金刀片基体，对其表面和刃口采用湿喷砂处理；
(2)利用常规CVD工艺在基体A1上沉积过渡层B2，为TiN，厚度为0.5μm；
(3)利用MT-CVD工艺在过渡层B2上沉积内层C3，为TiC0.55N0.4O0.05，厚度为0.5μm；
(4)利用HT-CVD工艺在内层C3上沉积上述的外层D5，为(Ti0.44Al0.002)(C0.13N0.35O0.078)，厚度为0.2μm；
(5)对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂表面处理，使得外层D5的表面残余应力为δ≤300MPa，并且在300μm的长度上测得的表面粗糙度Ra≤0.2μm，本实施例中，δ＝245MPa，Ra＝0.18μm。
本实施例的制备方法中，CVD涂层炉在沉积上述过渡层B2、内层C3和外层D5时，其气氛组成、温度和压力控制如表1所示，各层涂层的厚度则通过调整沉积时间来控制，由于设备差异，参数是可以变化。
采用XRD对本实施例2制得的涂层进行分析，其结构如图3所示，可以很清楚的看到基体A1，内层C3，外层D5，以及基体A1和内层C3之间的过渡层B2的结构。
实施例3：
一种本发明的改善涂层结构的切削刀片，包括基体A1和沉积于基体A1上的涂层，基体A1为硬质合金，其成分为8wt％Co、以及余量的WC粉末。涂层包括内层C3为TiCxNyOz层，外层D5为(TiaAlb)(CiNjOk)层以及内层C3和外层D5之间的过渡层E4，本实施例中，x＝0.4，y＝0.6，z＝0，a＝0.42，b＝0.01，i＝0.15，j＝0.17，k＝0.25，因此，内层C3为TiC0.4N0.6层，外层D5为(Ti0.42Al0.01)(C0.15N0.17O0.25)层，过渡层E4为TiCO涂层。内层C3的厚度为6μm，为面心立方结构；外层D5的厚度为1.8μm，为面心立方结构。过渡层E4为TiCO涂层，具有立方晶体结构，过渡层E4主要起到优化组织改善外层D5的形核环境的作用，所以其厚度小于外层D5厚度的20％且小于1μm，本实施例中其厚度为0.3μm。外层D5经表面处理后，表面残余应力δ为-545MPa，300μm的长度上表面粗糙度Ra＝0.12μm。
一种上述本实施例的改善涂层结构的切削刀片的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备硬质合金基体：将上述基体A1所需要的原料按照其成分进行混合，在球磨机上球磨20h，将混合料干燥，压制成压坯并烧结成硬质合金刀片基体，对其表面和刃口采用湿喷砂处理；
(2)利用MT-CVD工艺在基体A1上沉积内层C3，为TiC0.4N0.6，厚度为6μm；
(3)利用常规的CVD法，在内层C3上沉积过渡层E4，为TiCO，厚度为0.3μm；
(4)利用HT-CVD工艺在过渡层E4上沉积外层D5，为(Ti0.42Al0.01)(C0.15N0.17O0.25)，厚度为1.8μm；
(5)对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂表面处理，使得外层D5的表面残余应力为δ≤300MPa，最好-2000MPa≤δ≤0MPa并且在300μm的长度上测得的表面粗糙度Ra≤0.2μm，最好Ra≤0.15μm，本实施例中，δ＝-545MPa，Ra＝0.12μm。
本实施例的制备方法中，CVD涂层炉在沉积上述内层C3、外层D5和过渡层E4时，其气氛组成、温度和压力控制如表1所示，各层涂层的厚度则通过调整沉积时间来控制，由于设备差异，参数是可以变化。
采用XRD对本实施例3制得的涂层进行分析，其结构如图4所示，可以很清楚的看到基体A1，内层C3，外层D5以及内层C3和外层D5之间的过渡层E4的结构。
实施例4：
一种本发明的改善涂层结构的切削刀片，如图1所示，包括基体A1和沉积于基体A1上的涂层，基体A1为硬质合金，其成分与实施例3的基体A1的成分相同。涂层包括内层C3为TiCxNyOz层，外层D5为(TiaAlb)(CiNjOk)层，内层C3和基体A1之间的过渡层B2，以及内层C3和外层D5之间的过渡层E4，本实施例中，x＝0.5，y＝0.45，z＝0.05，a＝0.43，b＝0.005，i＝0.145，j＝0.32，k＝0.10，因此，内层C3为TiC0.5N0.45O0.05层，为面心立方结构；外层D5为(Ti0.43Al0.005)(C0.145N0.32O0.10)层，为面心立方结构。过渡层B2为TiN涂层，具有立方晶体结构，过渡层E4为TiCO涂层，具有立方晶体结构。过渡层B2的厚度为0.3μm；内层C3的厚度为6μm；过渡层E4的厚度为0.6μm，外层D5的厚度为3μm。外层D5经表面处理后，表面残余应力δ为-2000MPa，300μm的长度上表面粗糙度Ra＝0.15μm。
一种上述本实施例的改善涂层结构的切削刀片的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备硬质合金基体：将上述基体A1所需要的原料按照其成分进行混合，在球磨机上球磨20h，将混合料干燥，压制成压坯并烧结成硬质合金刀片基体，对其表面和刃口采用湿喷砂处理；
(2)利用常规的CVD法在上在基体A1上沉积过渡层B2，为TiN，厚度为0.3μm；
(3)利用MT-CVD工艺在过渡层B2上沉积内层C3，为TiC0.5N0.45O0.05，厚度为6μm；
(4)利用常规的CVD法，在内层C3上沉积过渡层E4，为TiCO，厚度为0.6μm；
(5)利用HT-CVD工艺在过渡层E4上沉积上述的外层D5，为(Ti0.43Al0.005)(C0.145N0.32O0.10)，厚度为3μm；
(6)对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂表面处理，使得外层D5的表面残余应力为δ≤300MPa，最好-2000MPa≤δ≤0MPa，并且在300μm的长度上测得的表面粗糙度Ra≤0.2μm，最好Ra≤0.15μm，本实施例中，δ为-2000MPa，Ra＝0.15μm。
本实施例的制备方法中，CVD涂层炉在沉积上述过渡层B2、内层C3、过渡层E4和外层D5时，其气氛组成、温度和压力控制如表1所示，各层涂层的厚度则通过调整沉积时间来控制，由于设备差异，参数是可以变化。
采用XRD对本实施例4制得的涂层进行分析，其结构如图5所示，可以很清楚的看到基体A1，内层C3，外层D5，内层C3和基体A1之间的过渡层B2以及内层C3和外层D5之间的过渡层E4的结构。
对比例
为了说明本发明的涂层具有优异的性能，按照表2做如下对比例，同一对比例中，表格由上至下表示涂层由外至内：
表2对比例涂层以及制备方法
按照上述实施例1～4和对比例1～4的要求以及制备方法制备(在TiN作为最外层涂层时不用表面处理)可转位车削刀片、可转位铣削刀片以及可转位钻削刀片各若干，分别进行如下的测试：
1、结合强度测试
分别采用压痕剥落、划痕试验和喷砂剥落实验三种方法进行测试，具体方法如下：
压痕试验设备为普通的洛氏硬度计，金刚石压头规格为HRC-3，顶角a＝120°±30'，顶端球面半径R＝0.2±0.01mm。加载力为588N；采用压痕周围涂层剥落的周长比例评价涂层的结合强度。
划痕试验设备为MF4000多功能材料表面性能试验机，压头为洛氏压头规格为HRC-3，顶角a＝120°±30'，顶端球面半径R＝0.2±0.01mm。加载速率为dFN/dx＝100N/min，通过划痕形貌分析来确定是否发生涂层剥落。
喷砂剥落实验采用300目的刚玉粉和水形成的浆料，对涂层进行喷砂处理，压力为6.0bar，时间为5秒。采用涂层剥落的面积的比例评价涂层的结合强度，测试结果如表3所示。
表3结合强度测试结果
实验结果表明：本发明的包含TiCxNyOz/(TiaAlb)(CiNjOk)双层结构的多层涂层(实施例1、2、3、4)的抗压痕剥落和抗喷砂剥落的能力与对比例1、2的复合涂层相当，比对比例3、4的复合涂层好。
2、力学性能测试
采用纳米压痕测量了实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例3表面涂层的硬度；采用微粒浆料喷蚀法测量了实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例3表面涂层的常温冲蚀率，测试结果如表4所示。
表4力学性能测试结果
实验结果表明，本发明的实施例1、实施例2和实施例3的(TiaAlb)(CiNjOk)涂层的硬度比常规TiCN涂层(对比例1)高，这表明本发明的(TiaAlb)(CiNjOk)涂层相对常规TiCN涂层具有更好的抗磨损能力。
实验结果表明本发明的实施例1、实施例2和实施例3的(TiaAlb)(CiNjOk)涂层的抗微粒浆料喷蚀能力比常规α-Al2O3涂层(对比例3)高，这表明本发明的(TiaAlb)(CiNjOk)涂层具有比α-Al2O3涂层更好的韧性。
3、涂层韧性和抗粘结磨损性能测试
使用可转位铣削刀片铣削不锈钢测试，对比涂层韧性和抗粘结磨损性能，采用6分钟的磨损和涂层剥落情况，以及刀具寿命和涂层刀具失效情况评价刀具涂层的韧性和抗粘结磨损性能，刀具寿命评价标准为后刀面磨损0.2mm，此处对比的产品为实施例1～4以及对比例3～4，切削条件见表5，测试结果见表6。
表5涂层韧性和抗粘结磨损性能测试的切削条件
| 材料 | 1Cr8Ni9Ti(HB180-200) |
| 切削速度V | 220m/min |
| 每齿进给量Fz | 0.15mm |
| 切深Ap | 2mm |
| 切宽Ae | 30 |
| 冷却剂 | 无 |
表6涂层韧性和抗粘结磨损性能测试结果
| 测试产品 | 6分钟的磨损VB(mm) | 寿命(min) | 失效 |
| 实施例1 | 0.11 | 14 | 磨损 |
| 实施例2 | 0.12 | 11 | 磨损 |
| 实施例3 | 0.11 | 12 | 磨损 |
| 实施例4 | 0.14 | 11 | 磨损 |
| 对比例3 | 崩 | 6 | 崩刃 |
| 对比例4 | 0.16 | 7 | 磨损 |
在加工6分钟后，取下刀片在100倍显微镜下检查发现，本发明的实施例1、2、3、4属于正常磨损，而在对比例3、4的产品的前刀面上刃口发现有涂层剥落和刃口微崩。
试验结果表明：在不锈钢的铣削加工中，本发明的TiCxNyOz/(TiaAlb)(CiNjOk)双层涂层具有更好的抗涂层剥落性能。
4、车削性能测试
使用可转位车削刀片车削加工45#钢，对比刀片的失效形式和寿命，刀具寿命标准为后刀面磨损为0.25mm时的加工时间，此处对比的产品为实施例1～4以及对比例1～2，切削条件见表7，测试结果见表8。
表7车削性能测试切削条件
| 材料 | 45#(HB170-200) |
| 切削速度V | 400m/min |
| 每齿进给量Fz | 0.2mm |
| 切深Ap | 1mm |
| 冷却剂 | 无 |
表8车削性能测试结果
| 测试产品 | 刀片寿命 |
| 实施例1 | 22′30″ |
| 实施例2 | 19′30″ |
| 实施例3 | 22′15″ |
| 实施例4 | 20′50″ |
| 对比例1 | 17′30″ |
| 对比例2 | 16′50″ |
试验结果表明在钢材的高速(400m/min)车削加工中，本发明的实施例1、2、3、4由于包含TiCxNyOz/(TiaAlb)(CiNjOk)双层涂层相对常规TiCN涂层具有更好的抗氧化性和更高的硬度，相对于现有技术的对比例1、2，其耐磨性能和使用寿命得到了明显改善，本发明的涂层结构的车削刀片的车削性能更好。
5、铣削性能测试
使用可转位铣削刀片铣削加工42CrMo，对比涂层韧性，分析加工一定工件时崩刃和涂层的剥落情况，此处对比的产品为实施例1～4以及对比例3～4，切削条件见表9。
表9铣削性能测试切削条件
| 材料 | 42CrMo(HRC25～35) |
| 切削速度V | 240m/min |
| 每齿进给量Fz | 0.2mm |
| 切深Ap | 2mm |
| 切宽Ae | 30 |
| 冷却剂 | 无 |
测试结果：
在加工8个面时，对比例4的产品发生崩刃失效；在加工11个面后，取下刀片在显微镜下检查发现，本发明的实施例1、2的刀片刃口完好，实施例3、4的刃口有微崩，但是明显小于对比例3、4的产品；这表明在合金钢的铣削等断续冲击加工中，本发明的实施例1～4由于涂层结构的优化，相比于对比例3、4(现有技术)，其韧性得到了明显改善，本发明的涂层结构的铣削刀片的铣削性能更好。
6、钻削性能测试
使用可转位钻削刀片钻削加工42CrMo，对比涂层韧性，分析加工一定工件时崩刃和涂层的剥落情况，此处对比的产品为实施例1～4以及对比例1～4，切削条件见表10，测试结果见表11。
表10钻削性能测试切削条件
| 材料 | 42CrMo(HRC25～35) |
| 切削速度V | 150m/min |
| 每齿进给量Fz | 0.15mm |
| 切深Ap | 90mm |
| 冷却剂 | 冷却液 |
表11钻削性能测试结果
| 测试产品 | 寿命 | 98孔时的磨损VB(mm) | 失效 |
| 实施例1 | 98孔 | 0.11 | 磨损 |
| 实施例2 | 98孔 | 0.14 | 磨损 |
| 实施例3 | 98孔 | 0.12 | 磨损 |
| 实施例4 | 98孔 | 0.12 | 磨损 |
| 对比例1 | 98孔 | 0.15 | 磨损 |
| 对比例2 | 98孔 | 0.16 | 磨损 |
| 对比例3 | 98孔 | / | 崩刃 |
| 对比例4 | 48孔 | / | 崩刃 |
试验结果表明，在合金钢的高效钻削加工中，本发明的实施例1～4由于包含TiCxNyOz/(TiaAlb)(CiNjOk)双层涂层相对现有技术TiCN涂层具有更好的抗氧化性和更高的硬度，相对于现有技术的对比例1、2其耐磨性能和使用寿命得到了明显改善，相对于现有技术的对比例3、4具有更好的韧性，本发明的涂层结构的钻削刀片的钻削性能更好。
本发明的实施例以及对比例中的基体A1均为硬质合金，但本发明的基体A1不限于硬质合金，还可以为金属陶瓷、非金属陶瓷、聚晶金刚石(PCD)或聚晶立方氮化硼(PCBN)材料中的一种。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (11)
1.一种改善涂层结构的切削刀片，包含基体A和沉积于基体A上的涂层，其特征在于，所述涂层为多层涂层且至少包含有内层C和外层D；所述内层C是由ⅣB族过渡元素的碳氮氧化物或ⅣB族过渡元素的碳氮化物构成；所述外层D为(TiaAlb)(CiNjOk)层，满足0.4≤a≤0.55，0.001≤b≤0.02，0.1≤i≤0.4，0.1≤j≤0.4，0.02≤k≤0.25，a+b+i+j+k＝1，所述外层D的厚度为1μm～20μm；所述内层C和外层D均为面心立方结构。
2.根据权利要求1所述的改善涂层结构的切削刀片，其特征在于，所述内层C为TiCxNyOz层，满足x+y+z＝1，且x、y均不为0；所述内层C的厚度为所述外层D厚度的0.5～5倍。
3.根据权利要求2所述的改善涂层结构的切削刀片，其特征在于，所述内层C为采用中温化学气相沉积法制备的TiCxNyOz层；所述内层C的厚度为所述外层D厚度的1～2倍。
4.根据权利要求1所述的改善涂层结构的切削刀片，其特征在于，所述外层D为(TiaAlb)(CiNjOk)层，满足0.4≤a≤0.5，0.002≤b≤0.01，0.15≤i≤0.35，0.15≤j≤0.35，0.05≤k≤0.2，a+b+i+j+k＝1，所述外层D的厚度为1.5μm～10μm。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的改善涂层结构的切削刀片，其特征在于，所述外层D在300μm长度上的表面粗糙度Ra≤0.2μm，残余应力δ≤300MPa。
6.根据权利要求5所述的改善涂层结构的切削刀片，其特征在于，所述外层D在300μm长度上的表面粗糙度Ra≤0.15μm，残余应力-2000MPa≤δ≤0MPa。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的改善涂层结构的切削刀片，其特征在于，所述内层C与所述外层D之间还设有过渡层E，所述过渡层E为一层或多层过渡涂层，所述过渡涂层是由过渡元素与非金属元素组成的具有立方晶体结构的化合物构成，所述过渡元素选自ⅣB族、ⅤB族、ⅥB族过渡元素中的至少一种；所述过渡层E的厚度小于或等于所述外层D厚度的20％并且小于或等于1μm。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的改善涂层结构的切削刀片，其特征在于，所述内层C与所述基体A之间还设有过渡层B，所述过渡层B为一层或多层过渡涂层，所述过渡涂层是由过渡元素与非金属元素组成的具有立方晶体结构的化合物构成，所述过渡元素选自ⅣB族、ⅤB族、ⅥB族过渡元素中的至少一种；所述过渡层B的厚度为0.1μm～1.2μm。
9.根据权利要求8所述的改善涂层结构的切削刀片，其特征在于，所述过渡层B为TiN层，所述TiN层的厚度为0.4μm～0.8μm。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的改善涂层结构的切削刀片，其特征在于，所述基体A为硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼材料中的一种。
11.一种如权利要求1～10中任一项所述的改善涂层结构的切削刀片的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备基体A；
(2)选择性沉积过渡层B：利用常规CVD法在所述基体A上选择性沉积过渡层B；
(3)沉积内层C：利用常规MT-CVD工艺，在H2、N2、TiCl4、CH3CN、CO、HCl气氛中沉积内层C；
(4)选择性沉积过渡层E：利用常规CVD法在所述内层C上选择性沉积过渡层E；
(5)沉积外层D：利用HT-CVD工艺，在H2、N2、TiCl4、AlCl3、CO、CH4气氛中沉积外层D；
(6)表面处理：采用喷砂抛光或含硅尼龙刷抛光的方法对上述涂层后产品进行表面处理，使外层D获得需要的表面粗糙度和残余应力。
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