CN108660454A - 涂层及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种涂层，含有C、Ti、Al和N，包括表层、反应层和过渡层。表层用于涂层的装饰。反应层设置于表层下，包括氮化物层和碳层，氮化物层设置于碳层之上。过渡层设置于反应层之下。本发明提供的涂层，通过对各个耐高温层物质的布置，不仅能很好适应1000℃以下加工温度，保持优良的耐热和耐磨性能，还具有随着温度的提高，其耐热和耐磨也能相应提高的特性，由此提高了涂层的使用时间，以及刀具的使用寿命。本发明提供的涂层应用于刀具表面，而尤其适用于在高温下对工件进行切削。

Description

涂层及其应用
技术领域
本发明涉及一种复合材料，尤其涉及一种涂层，用于不锈钢、钛合金及其它耐热金属表面，由此增加耐磨性。
背景技术
涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，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(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，涂层刀具的构成减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高寿命3～5倍以上，提高切削速度20％～70％，提高加工精度0.5～1级，降低刀具消耗费用20％～50％。
追求更高硬度、更长使用寿命是涂层常规追求，为此有多种方式，如：加厚涂层，换用更高硬度的涂层物质材料，增加涂层附着力，提高涂层耐热性能等。
金属在加工中会产生大量切削热，据日本产业技术综合研究所的文献记载，对普通金属进行切削加工时，刀具刃口的平均温度可达850℃以上，对科伐合金等难加工金属进行加工时，刀具刃口平均温度可达1200℃以上。在这种情况下，除氧化铝等个别物质外，绝大部分涂层均丧失了防护性能。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种涂层，以提高涂层的硬度。
本发明的另一个目的在于提供一种涂层，增加涂层的使用时间。
本发明的再一个目的在于提供一种涂层在刀具制造中的应用。
本发明的又一个目的在于提供一种涂层刀具的制造方法。
本发明提供一种涂层，含有C、Al和N等元素，包括
表层，物质如：类金刚石；
反应层，其设置于表层下，包括氮化物层和碳层，氮化物层设置于碳层之上；
过渡层，其设置于反应层之下，物质如：Ti或Cr。
氮化物层的物质如：但不仅限于TiAlN、AlTiN、TiSiN、CrAlN、AlCrN、CrSiN和TiCrAlSiN等，这些物质单独或组合应用于本发明。
碳层中，碳原子通过SP2键和SP3键之一种或几种形式存在。
本发明的涂层，还包括含碳基体如：碳化钨，设置于过渡层之下。当刀具的基体材料为含碳基体，则过渡层覆于基体材料之上即可。
本发明提供的涂层在高温下，能自动反应并生成梯度排列的金属氧化物、金属氮化物和金属碳化物层，三层材料都是热的不良导体且耐热性依次递增，能形成很好的梯度热障层，保护内部粉末冶金材料不因温度过高而失效，同时最内层金属碳化物本身又能很好与粉末冶金颗粒互溶，形成无明显界限的互溶边界，大大提高恶劣加工环境下的涂层附着力。
本发明提供的涂层通过物理气相沉积(PVD)的工艺(如：但不仅限于电弧离子镀、磁控溅射镀和脉冲离子镀等)应用于刀具表面，制成一种适用于高温下对工件进行切削的刀具。
本发明技术方案实现的有益效果：
本发明提供的涂层，通过对各个耐高温层物质的布置，不仅能很好适应1000℃以下加工温度，保持优良的耐热和耐磨性能，还具有随着温度的提高，其耐热和耐磨也能相应提高的特性，由此提高了涂层的使用时间，以及刀具的使用寿命。
本发明提供的涂层应用于刀具表面，而尤其适用于在高温下对工件进行切削。
在对工件进行机加工中，涂层制成的刀具适合加工不锈钢、钛合金及其他耐热金属，尤其适合干切削。
附图说明
图1为本发明涂层一实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对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精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
图1为本发明涂层一实施例的结构示意图。如图1所示，涂层包括反应层100，其设置于表层200之下。适用表层200的材质如：类金刚石(DLC)。
反应层100之下为过渡层300，适用的材质如：Ti或Cr。
反应层100包括氮化物层110和碳层120，氮化物层110设置于碳层120之上。氮化物层的物质如：但不仅限于TiAlN、AlTiN、TiSiN、CrAlN、AlCrN、CrSiN和TiCrAlSiN等。碳层中，碳原子通过SP2键和SP3键之一种或几种形式存在。
在过渡层之下还设有含碳基体如：碳化钨(WC)。含碳基体为层状或为刀具基体材料的一部分。
当刀具的基体材料为含碳基体，通过物理气相沉积(PVD)的工艺(如：但不仅限于电弧离子镀、磁控溅射镀和脉冲离子镀等)在机加工刀具的表面应用本实施例的涂层，并使用制成的涂层刀具对工件进行切削。当刀具的切削温度不高于600℃时，DLC、AlTiN和碳层依次形成适当的硬度梯度。刀具正常使用，DLC还有很好润滑作用。
对于涂层制造所常见的方法，使用主要含有Ti或Cr的粘接层，将各个物层进行粘合和固定。比如：在表层和氮化物层之间，使用主要含有Ti或Cr的粘接层；在氮化物层和碳层之间，使用主要含有Ti或Cr的粘接层；以及在过渡层和之间含碳基体之间，使用主要含有Ti或Cr的粘接层。
当刀具的切削温度高过300℃时，表层DLC逐步氧化为二氧化碳，残留C颗粒在AlTiN表层继续起润滑作用，刀具仍然有AlTiN和基体材料形成的硬度梯度，可以继续正常使用。
当刀具的切削温度高过900℃时，AlTiN开始在氧环境下氧化，但此时残留的C颗粒因为更强的还原性会优先与氧反应，因此AlTiN得以存续更长时间，而此时其下碳层也因为逐渐超过300℃而开始分解，释放出的C原子会因强还原性在缺氧环境下还原上层AlTiN和下层Ti，形成TiN和TiC，而上层失去N原子的AlTi会和氧反应生成Al2O3及Ti2O3，两者耐温分别可达2000℃及2100℃，形成的TiN层在无氧环境下耐温可达2900℃，下层TiC耐温可达3100℃，三者都是耐磨材料也都是热的不良导体，且再次构成梯度热障，并且下层TiC和WC同为金属碳化物，可以形成良好的互溶及冶金结合，进一步增强涂层的附着力。本实施例的涂层是一种设置加工温度的升高，其耐热和耐磨特性也能相应提高的复合材料。
应用本实施例的涂层制成的刀具适合加工不锈钢、钛合金及其他耐热金属，尤其适合干切削。
试验表明，采用脉冲离子溅镀(PVD工艺)制成的本涂层，加工高硅铝合金寿命比同厚度TiN、TiAlN涂层分别提高约80％和30％，且具有一定的干加工性能，高温加工条件下实际价值显著。

Claims (8)

1.一种涂层，含有C、Al和N，其特征在于包括：
表层，为类金刚石；
反应层，其设置于表层下，包括氮化物层和碳层，所述的氮化物层设置于所述的碳层之上；
过渡层，其设置于所述的反应层之下。
所述氮化物层为的物质选自于TiAlN、AlTiN、TiSiN、CrAlN、AlCrN、CrSiN和TiCrAlSiN之一种或几种；
在所述的碳层中，碳原子通过SP2键和SP3键之一种或几种形式存在。
2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于所述的过渡层为Ti或Cr。
3.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于还包括含碳基体，设置于所述的过渡层之下。
4.根据权利要求3所述的涂层，其特征在于所述的含碳基体为碳化钨。
5.一种刀具，其特征在于包括权利要求1～4之一所述的涂层。
6.一种刀具，其特征在于通过物理气相沉积工艺将权利要求1～3之一所述的涂层应用于表面。
7.根据权利要求5或6所述的刀具，其特征在于所述的刀具的基体材料为碳化钨，所述涂层覆于所述刀具的基体材料上。
8.一种刀具的制造方法，其特征在于使用物理气相沉积工艺将权利要求1～3之一所述的涂层覆于表面。
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