CN105463388A - 氧化铝系复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种氧化铝系复合涂层、具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法。合金刀具由刀具基体和氧化铝系复合涂层构成。刀具基体设置有正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层。氧化铝系复合涂层包括作为过渡层的TiAlN层、作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和作为耐磨层的α-Al2O3层。本发明具有该氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其刀具基体与氧化铝系复合涂层结合性好，整体刀具具有良好的耐磨耐温性能。氧化铝系复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，其耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好。

Description

氧化铝系复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法
技术领域
本发明涉及硬质合金刀具技术领域，特别是涉及一种氧化铝系复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法。
背景技术
涂层硬质合金刀具的出现是刀具发展史上的一个重要里程碑。它是在强度和韧性较好的硬质合金基体上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而形成。
涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损。涂层具有很高的硬度和耐热性，并降低了刀具与工件间的摩擦系数，因此涂层刀具比未涂层刀具可显著地提高使用寿命，通常涂层刀具的寿命可比未涂层刀具高2-5倍。
目前，己在硬质合金刀具表面成功制备多种涂层，从二元涂层到复杂的多层、多元涂层。其中，应用最广泛的为过渡金属氮化物涂层，如TiN和TiAlN等。TiN涂层硬度高，耐磨性好，能对刀具起到很好的保护作用。但是，TiN涂层在600℃以上温度发生氧化，使其应用受到限制。TiAlN涂层在高温下能形成致密的Al2O3膜并与刀具基体具有良好的结合力，其抗氧化温度可达到800℃，但是仍不能满足超过1000℃的高速切削条件。Al2O3具有高耐磨损性和红硬性，在1000℃仍能保持良好的化学稳定性。在切削刀具表面涂覆Al2O3涂层，能够在高速干切削条件下起到对刀具的保护作用，从而有效提高切削刀具的加工效率和刀具使用寿命。
到目前为止，由于Al2O3涂层的绝缘性和较高的沉积温度，最主要的制备方式是CVD技术。然而，由于基体和涂层材料的热膨胀系数不匹配产生热应力而在涂层中产生热裂纹。在切削加工过程中，这些热裂纹可能导致刀具涂层破损或崩刃。
因此，针对现有技术不足，提供一种适用于硬质合金刀具表面性能增强的氧化铝系复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法以克服现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法，氧化铝系复合涂层与刀具基体结合性良好，刀具具有良好的耐磨耐温性能。
本发明的另一目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种氧化铝系复合涂层及其制备方法，氧化铝系复合涂层与刀具基体结合性良好，其耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好。
本发明的上述目的通过如下技术手段实现。
提供一种具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，由刀具基体和设置于刀具基体上的氧化铝系复合涂层构成；
所述刀具基体包括正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，所述正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列；
所述氧化铝系复合涂层包括用于沉积于贫钴富立方相层表面作为过渡层的TiAlN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和沉积于支撑层上作为耐磨层的α-Al2O3层，所述TiAlN/Al2O3层由TiAlN层和Al2O3层交替构成。
上述刀具基体中钴的含量为5-15wt.%；所述正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-10000nm；
所述正常组织层的厚度大于2mm,所述富钴过渡层的厚度为20-100微米；所述贫钴富立方相层的厚度为20-50微米；
所述氧化铝系复合涂层的厚度为1-20微米，所述过渡层厚度为0.1-2微米；所述支撑层的厚度为5-10微米；所述耐磨层的厚度为5-10微米；
所述支撑层中，每层TiAlN层的厚度为5-20纳米，每层Al2O3层的厚度为5-10纳米。
进一步的，上述刀具基体中钴的含量为8-12wt.%；所述正常组织层的WC晶粒尺寸为1nm-400nm；所述氧化铝系复合涂层的厚度为2-10微米。
上述的具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，作为过渡层的TiAlN层和支撑层中的TiAlN层均是在N2或Ar与N2的混合气氛中反应溅射Al-Ti合金靶材制备得到，沉积过程中气体压力为0.1-2Pa，基体温度为300-700℃，并且是采用带有正负极交替变化的非对称双向脉冲电源提高偏压，其中负极变化比例为2-20%；
支撑层中的Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为300-700℃或1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V；
作为耐磨层的α-Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。
提供一种具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法，包括刀具基体的制备和在刀具基体表面制备氧化铝系复合涂层；
制备氧化铝系复合涂层包括依次在刀具基体表面制备作为过渡层的TiAlN层、在过渡层上沉积作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和在支撑层上沉积作为耐磨层的α-Al2O3层；
作为过渡层的TiAlN层和支撑层中的TiAlN层均是在N2或Ar与N2的混合气氛中反应溅射Al-Ti合金靶材制备得到，沉积过程中气体压力为0.1-2Pa，基体温度为300-700℃，并且是采用带有正负极交替变化的非对称双向脉冲电源提高偏压，其中负极变化比例为2-20%；
支撑层中的Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为300-700℃或1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V；
作为耐磨层的α-Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。
提供一种用于梯度超细硬质合金刀具的氧化铝系复合涂层，包括用于沉积于刀具基体表面作为过渡层的TiAlN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和沉积于支撑层上作为耐磨层的α-Al2O3层，所述TiAlN/Al2O3层由TiAlN层和Al2O3层交替构成。
上述氧化铝系复合涂层的厚度为1-20微米，所述过渡层厚度为0.1-2微米；所述支撑层的厚度为5-10微米；所述耐磨层的厚度为5-10微米；
所述支撑层中，每层TiAlN层的厚度为5-20纳米，每层Al2O3层的厚度为5-10纳米。
进一步的，上述氧化铝系复合涂层的厚度为2-10微米。
提供一种氧化铝系复合涂层的制备方法，包括依次在刀具基体表面制备作为过渡层的TiAlN层、在过渡层上沉积作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和在支撑层上沉积作为耐磨层的α-Al2O3层；
作为过渡层的TiAlN层和支撑层中的TiAlN层均是在N2或Ar与N2的混合气氛中反应溅射Al-Ti合金靶材制备得到，沉积过程中气体压力为0.1-2Pa，基体温度为300-700℃，并且是采用带有正负极交替变化的非对称双向脉冲电源提高偏压，其中负极变化比例为2-20%；
支撑层中的Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为300-700℃或1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V；
作为耐磨层的α-Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。
本发明具有该氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其刀具基体与氧化铝系复合涂层结合性好，整体刀具具有良好的耐磨耐温性能。氧化铝系复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，其耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好。
附图说明
利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明一种具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的示意图。
图2是本发明一种具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的层间结构示意图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1。
一种具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，如图1、图2所示，由刀具基体和设置于刀具基体上的氧化铝系复合涂层构成。
刀具基体包括正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列。刀具基体中钴的含量为5-15wt.%，优选钴的含量为8-12wt.%。正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-10000nm，优选WC晶粒尺寸为1-500nm。贫钴富立方相层中富含立方相氮化物或碳氮化物，硬质合金中的立方相氮化物和碳氮化物具有比密排六方相的WC更高的硬度．因此，贫钴富立方相的表层具有更高的硬度。富钴过渡层中富含粘结相，当涂层中形成的裂纹扩散到该区域时,由于其良好的韧性,可以吸收裂纹扩散时的能量,因此,能够有效地阻止裂纹向合金内部扩散，并且能较好地吸收刀具切削时的冲击能量，因而有高的抗冲击韧性特性，进而有利于提高刀具材料的使用寿命。芯部为刚性组织区域即正常组织层，WC晶粒分布均匀且细小，平均WC晶粒尺寸小于等于500nm，具有超细硬质合金优异的力学性能。
氧化铝系复合涂层包括用于沉积于贫钴富立方相层表面作为过渡层的TiAlN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和沉积于支撑层上作为耐磨层的α-Al2O3层，所述TiAlN/Al2O3层由TiAlN层和Al2O3层交替构成。支撑层用于提高韧性和强度。耐磨层提高硬度和强度，具有抗氧化性质。
正常组织层的厚度大于2mm,富钴过渡层的厚度为20-100微米，贫钴富立方相层的厚度为20-50微米。
氧化铝系复合涂层整体的的厚度为1-20微米，优选为2-10微米。当涂层厚度低于1um时，其耐磨性较差，在切削加工过程中很快被磨损，不能起到有效改善刀具切削性能和寿命的作用，而当涂层厚度超过20um时，涂层与基体的结合力差，过高的压应力导致涂层开裂和剥落，缩短刀具使用寿命。涂层的厚度是通过调节沉积时间来控制的。
过渡层厚度为0.1-2微米，过渡层增进其与贫钴富立方相层之间的结合力，降低内应力。
支撑层是TiAlN/Al2O3层，厚度为5um~10um。支撑层由硬质TiAlN层和Al2O3层交替沉积而成。每层TiAlN层的厚度为5-20纳米，每层Al2O3层的厚度为5-10纳米米，交替沉积层数达到4-1000层。在切削加工过程中，Al2O3涂层主要起到热和化学隔障层作用，使刀具在加工时保持刀刃强度的稳定性。其中Al2O3涂层的主要组成元素是Al和O，根据沉积温度不同，其可能是非晶、α–，γ-或κ-Ab03相纳米晶或非晶和纳米晶的混合物。
过渡层是α-Al2O3层，厚度为5um~10um。通过严格控制反应温度在1000-1015℃之间，确保了所有了所有Al2O3均为α相。
具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，作为过渡层的TiAlN层和支撑层中的TiAlN层可以均是在N2或Ar与N2的混合气氛中反应溅射Al-Ti合金靶材制备得到，沉积过程中气体压力为0.1-2Pa，基体温度为300-700℃，并且是采用带有正负极交替变化的非对称双向脉冲电源提高偏压，其中负极变化比例为2-20%。
支撑层中的Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为300-700℃或1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。根据沉积温度不同，沉积得到非晶或纳米晶型Al2O3涂层。一般在300-500℃基体温度制备的涂层以非晶态为主，在500-700℃基体温度制备的涂层以纳米结晶态为主，在1000-1015℃基体温度制备的涂层是α-Al2O3层。Al2O3涂层的厚度主要通过控制沉积时间调整。
作为耐磨层的α-Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。
本发明具有该氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其刀具基体与氧化铝系复合涂层结合性好，整体刀具具有良好的耐磨耐温性能。
实施例2。
提供一种具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法，包括刀具基体的制备和在刀具基体表面制备氧化铝系复合涂层。
刀具基体的具体制备过程如下：
(1)以难熔金属碳化物、粘结金属和TiCN和其他粉末如TiC,TaC,或其他强氮化物形成元素的碳化物、碳氮化物为原料，通过球磨混合、干燥过筛、压制成型和烧结四个步骤制备得到硬质合金基体前驱体。
(2)对硬质合金基体前驱体进行精磨加工处理。
(3)对精磨加工处理后的硬质合金基体前驱体进行梯度烧结，制备得到表层贫钴和富立方相梯度结构硬质合金刀具基体。
(4)对刀具基体进行化学清洗后，然后在其表面沉积氧化铝系复合涂层。
氧化铝系复合涂层的制备过程具体如下：依次在刀具基体表面制备作为过渡层的TiAlN层、在过渡层上沉积作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和在支撑层上沉积作为耐磨层的α-Al2O3层；
作为过渡层的TiAlN层和支撑层中的TiAlN层均是在N2或Ar与N2的混合气氛中反应溅射Al-Ti合金靶材制备得到，沉积过程中气体压力为0.1-2Pa，基体温度为300-700℃，并且是采用带有正负极交替变化的非对称双向脉冲电源提高偏压，其中负极变化比例为2-20%；
支撑层中的Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为300-700℃或1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V；
作为耐磨层的α-Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。
本发明所制备的具有该氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其刀具基体与氧化铝系复合涂层结合性好，整体刀具具有良好的耐磨耐温性能。
实施例3。
提供一种具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法，包括刀具基体的制备和在刀具基体表面制备氧化铝系复合涂层。
刀具基体由以下质量百分比的各组分烧结而成：5-15%的TiC，2-5%的TaC，10-15%合金粘结相，余量为WC。合金粘结相由以下质量百分比的粉体组成：0.5-5.5%的Cr，0.5-5.5%的Mo，0.5-5.5%的B，0.5-5.5%的Al，0.5-5.5%的V，0.5-5.5%的Y，0.5-5.5%的Si，余量为Co，且合金粘结相中Cr、Mo、B、Al、V、Y和Si的质量之和为合金粘结相质量的7-20%。
刀具基体的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备合金粘结相：按质量百分比分别称取Cr、Mo、B、Al、V、Y、Si、Co八种粉体，将八种粉体混合均匀，得合金粘结相。优选将八种粉体置于球磨机中，用硬质合金研磨球球磨72小时，且每球磨1h就暂停球磨10min，得到合金粘结相。
S2、制备坯料：按质量百分比分别称取合金粘结相、TiC、TaC、WC四种组分，四种组分组成原料粉体；按原料粉体总质量的1.5-2.5%称取石蜡，并将石蜡与原料粉体混合均匀，得到坯料。
S3、压制坯体：将坯料压制成型，得坯体。
可先用压模机将坯料压制成型，得初坯体；再用冷等静压机进一步压制初坯体，得坯体。
S4、烧结：将坯体置于烧结炉中，以5-8℃/min的速度升温至1200-1250℃，保温18-22min，并保持10-3Pa以下的真空度；然后向烧结炉中充入氮气并以1-3℃/min的速度升温至1420-1450℃，保温55-65min且保持0.2MPa以上的压强；接着再以2-6℃/min的速度降温至1000-1200℃，保温110-130min，并保持0.2MPa以上的压强；再接着坯体随炉冷却，并保持0.2MPa以上的压强，制得表面硬化的梯度硬质合金。
可在步骤S4前，进行预烧结步骤，所述预烧结步骤是将坯体置于烧结炉中，在惰性气体气氛下，以1400℃烧结10min；坯体随炉冷却后精修坯体外形。
该方法所制备的硬质合金基体具有优异的力学性能，改善了硬质合金的红硬性。硬质合金基体内的晶粒细小，为正常组织层；硬质合金的表层富立方相而贫粘结相即贫钴富立方相，且表层下还有一富合金化粘结相的过渡层即富钴过渡层，从而使硬质合金具有优异的硬度、耐磨性和韧性。
合金基体制备完成后，对其进行化学清洗，然后在其表面沉积氧化铝系复合涂层。
氧化铝系复合涂层的制备过程具体如下：依次在刀具基体表面制备作为过渡层的TiAlN层、在过渡层上沉积作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和在支撑层上沉积作为耐磨层的α-Al2O3层；
作为过渡层的TiAlN层和支撑层中的TiAlN层均是在N2或Ar与N2的混合气氛中反应溅射Al-Ti合金靶材制备得到，沉积过程中气体压力为0.1-2Pa，基体温度为300-700℃，并且是采用带有正负极交替变化的非对称双向脉冲电源提高偏压，其中负极变化比例为2-20%；
支撑层中的Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为300-700℃或1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V；
作为耐磨层的α-Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。
本发明所制备的具有该氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其刀具基体与氧化铝系复合涂层结合性好，整体刀具具有良好的耐磨耐温性能。
实施例4。
一种用于梯度超细硬质合金刀具的氧化铝系复合涂层，其结构与实施例1-3中任意一项中的氧化铝系复合涂层相同，包括用于沉积于刀具基体表面作为过渡层的TiAlN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和沉积于支撑层上作为耐磨层的α-Al2O3层，所述TiAlN/Al2O3层由TiAlN层和Al2O3层交替构成。
制备氧化铝系复合涂层，包括依次在刀具基体表面制备作为过渡层的TiAlN层、在过渡层上沉积作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和在支撑层上沉积作为耐磨层的α-Al2O3层。
作为过渡层的TiAlN层和支撑层中的TiAlN层均是在N2或Ar与N2的混合气氛中反应溅射Al-Ti合金靶材制备得到，沉积过程中气体压力为0.1-2Pa，基体温度为300-700℃，并且是采用带有正负极交替变化的非对称双向脉冲电源提高偏压，其中负极变化比例为2-20%。
支撑层中的Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为300-700℃或1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。
作为耐磨层的α-Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。
本发明制备的氧化铝系复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，其耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：由刀具基体和设置于刀具基体上的氧化铝系复合涂层构成；所述刀具基体包括正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，所述正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列；所述氧化铝系复合涂层包括用于沉积于贫钴富立方相层表面作为过渡层的TiAlN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和沉积于支撑层上作为耐磨层的α-Al2O3层，所述TiAlN/Al2O3层由TiAlN层和Al2O3层交替构成。
2.根据权利要求1所述的具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：
所述刀具基体中钴的含量为5-15wt.%；所述正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-10000nm；所述正常组织层的厚度大于2mm,所述富钴过渡层的厚度为20-100微米；所述贫钴富立方相层的厚度为20-50微米；所述氧化铝系复合涂层的厚度为1-20微米，所述过渡层厚度为0.1-2微米；所述支撑层的厚度为5-10微米；所述耐磨层的厚度为5-10微米；所述支撑层中，每层TiAlN层的厚度为5-20纳米，每层Al2O3层的厚度为5-10纳米。
3.根据权利要求2所述的具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：所述刀具基体中钴的含量为8-12wt.%；所述正常组织层的WC晶粒尺寸为1nm-400nm；所述氧化铝系复合涂层的厚度为2-10微米。
4.根据权利要求2或3所述的具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：作为过渡层的TiAlN层和支撑层中的TiAlN层均是在N2或Ar与N2的混合气氛中反应溅射Al-Ti合金靶材制备得到，沉积过程中气体压力为0.1-2Pa，基体温度为300-700℃，并且是采用带有正负极交替变化的非对称双向脉冲电源提高偏压，其中负极变化比例为2-20%；支撑层中的Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为300-700℃或1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V；
作为耐磨层的α-Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。
5.如权利要求1至4任意一项所述的具有氧化铝系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法，其特征在于：包括刀具基体的制备和在刀具基体表面制备氧化铝系复合涂层；制备氧化铝系复合涂层包括依次在刀具基体表面制备作为过渡层的TiAlN层、在过渡层上沉积作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和在支撑层上沉积作为耐磨层的α-Al2O3层；作为过渡层的TiAlN层和支撑层中的TiAlN层均是在N2或Ar与N2的混合气氛中反应溅射Al-Ti合金靶材制备得到，沉积过程中气体压力为0.1-2Pa，基体温度为300-700℃，并且是采用带有正负极交替变化的非对称双向脉冲电源提高偏压，其中负极变化比例为2-20%；支撑层中的Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为300-700℃或1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V；作为耐磨层的α-Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。
6.一种用于梯度超细硬质合金刀具的氧化铝系复合涂层，其特征在于：包括用于沉积于刀具基体表面作为过渡层的TiAlN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和沉积于支撑层上作为耐磨层的α-Al2O3层，所述TiAlN/Al2O3层由TiAlN层和Al2O3层交替构成。
7.根据权利要求6所述的用于梯度超细硬质合金刀具的氧化铝系复合涂层，其特征在于：
所述氧化铝系复合涂层的厚度为1-20微米，所述过渡层厚度为0.1-2微米；所述支撑层的厚度为5-10微米；所述耐磨层的厚度为5-10微米；所述支撑层中，每层TiAlN层的厚度为5-20纳米，每层Al2O3层的厚度为5-10纳米。
8.根据权利要求7所述的用于梯度超细硬质合金刀具的氧化铝系复合涂层，其特征在于：所述氧化铝系复合涂层的厚度为2-10微米。
9.如权利要求6-8任意一项所述的氧化铝系复合涂层的制备方法，其特征在于：包括依次在刀具基体表面制备作为过渡层的TiAlN层、在过渡层上沉积作为支撑层的TiAlN/Al2O3层和在支撑层上沉积作为耐磨层的α-Al2O3层；作为过渡层的TiAlN层和支撑层中的TiAlN层均是在N2或Ar与N2的混合气氛中反应溅射Al-Ti合金靶材制备得到，沉积过程中气体压力为0.1-2Pa，基体温度为300-700℃，并且是采用带有正负极交替变化的非对称双向脉冲电源提高偏压，其中负极变化比例为2-20%；支撑层中的Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为300-700℃或1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V；作为耐磨层的α-Al2O3层是采用双向脉冲DMS技术反应溅射Al靶制备而成，具体是将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯Al靶，通过Al靶与气氛中的O2反应生成Al2O3涂层，基体温度为1000-1015℃，气体压强为0.1-2Pa；施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为20-50V和20-300V。
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