CN108754415B - 一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料涂层领域，公开了一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用。制备时先沉积AlTi结合层，活化金属基体，再沉积约1μm厚的AlTiN过渡层，为多层结构提供支撑；最后沉积AlTiN/AlCrSiN功能层。多层结构中，AlCrSiN层以AlTiN层为模板，通过共格生长表现为面心立方结构。AlCrSiN层由AlCrN和非晶Si3N4组成，形成非晶Si3N4包覆AlCrN纳米晶的复合结构。纳米晶体的强化效应及非晶区域限制了晶粒的滑移和转动，对纳米晶的晶界起到强化作用，同时AlTiN/AlCrSiN纳米多层结构细化了柱状晶尺寸，提升涂层的力学与耐磨减摩性能。

Description

一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层及其制备 方法和应用
技术领域
本发明属于材料涂层领域，特别涉及一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用。
背景技术
现代高速高效金属切削加工对服役刀具表面提出很高要求：一是硬质涂层需要具备高硬度、强耐磨性；二是要求涂层具备优异高温抗氧化性及热稳定性，且在高温下还能保持高硬度和长期稳定性；三是涂层与基体之间具备高结合强度和稳定的化学性能。近三十年来，过渡金属氮化物如TiN、CrN等作为防护涂层，广泛应用于切削刀具和模具领域。在这些涂层当中，AlTiN涂层凭借其优异的力学性能以及较好的抗氧化、抗磨损性能，受到业界的广泛关注，并实现了大规模工业化应用。而新型的纳米复合结构涂层AlCrSiN，由于Si元素的掺入形成了非晶态的Si3N4包裹着AlCrN纳米晶体，使得涂层具有高硬度、高韧性、优异的高温稳定性和抗氧化性等，符合现代制造业对涂层的性能的要求。
发明内容
为了解决现有技术中的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层；该涂层的抗高温摩擦性能稳定、热稳定性好、膜基结合强。
本发明的另一目的在于提供一种上述周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的制备方法。
本发明的再一目的在于提供一种上述周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层，所述涂层由下到上包括硬质合金基体、金属AlTi结合层、AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层；AlTiN/AlCrSiN功能层是由调制比为1:1～2:1的AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替沉积而成，调制周期为4～20nm；金属AlTi结合层中各元素的原子百分比含量为：Al:50～70at.％，Ti:30～50at.％；AlTiN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlTiN中间层各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlCrSiN中间层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～35at.％，Cr:10～20at.％，Si:3～10at.％，N:40～53at.％。
所述金属AlTi结合层、AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层的厚度分别为100～500nm、0.5～1.0μm和1.5～3μm。
上述周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的制备方法，包括以下操作步骤：首先在硬质合金基体上表面沉积金属AlTi结合层；然后在金属AlTi结合层上电弧离子镀沉积AlTiN过渡层；最后在AlTiN过渡层上通过电弧离子镀交替沉积AlTiN中间层与AlCrSiN中间层形成AlTiN/AlCrSiN功能层。
上述周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的制备方法，具体包括以下操作步骤：
(1)首先在硬质合金基体上表面沉积金属AlTi结合层，以解决硬质合金基体与涂层之间热膨胀系数失配的问题：打开加热器将真空室升温至300～500℃，对真空室抽真空至真空度在1.0～8.0×10-3Pa以上；然后通入200～300sccm的Ar气，设置工件支架偏压-800～-1000V，对硬质合金基体表面进行溅射清洗，轰击时间10～20min；再将偏压降至-600～-800V，点燃AlTi靶，靶材电流60～150A，用高能AlTi离子轰击金属基体3～15min，在硬质合金基体上表面沉积了金属AlTi结合层；
(2)沉积AlTiN过渡层：将偏压调至-100～-200V，通入200～300sccm的N2气，调节气压至1.0～3.0Pa，点燃AlTi靶，在金属AlTi结合层上电弧离子镀沉积AlTiN过渡层，沉积时间为5～20min；
(3)沉积AlTiN/AlCrSiN功能层：通入N2，控制气压在1.0～3.0Pa，同时点燃AlTi靶和CrAlSi靶，靶材电流60～150A，偏压-60～-150V，交替沉积时间2～3小时，以1～4rpm的转速让样品支架公转，通过样品支架的旋转，在AlTiN过渡层上得到AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替叠加的AlTiN/AlCrSiN功能层。
步骤(1)所述硬质合金基体在使用之前先将基体抛光处理，然后先后用丙酮、酒精分别超声清洗10～20min，再用氮气吹干后装入真空室内备用。
上述的周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层在机械零部件或刀模具表面中的应用。
本发明通过纳米多层结构设计，可提高涂层与基体的结合力、涂层界面韧性和抗裂纹扩展能力，同时降低了脆性，提高了柔韧性和承载力。控制纳米多层的涂层的调制周期，AlCrSiN中间层以AlTiN中间层为模板，通过共格生长表现为面心立方结构。AlCrSiN中间层由AlCrN和非晶Si3N4组成，形成非晶Si3N4包覆AlCrN纳米晶的复合结构。纳米晶体的强化效应及非晶区域限制了晶粒的滑移和转动，对纳米晶的晶界起到强化作用，同时AlTiN/AlCrSiN纳米多层结构细化了柱状晶尺寸，进一步提升涂层的机械性能与高温抗摩擦磨损性能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明将AlCrSiN引入至AlTiN涂层，通过沉积条件的改变来控制纳米多层涂层的调制周期，使得AlCrSiN中间层以相邻的AlTiN中间层为模板，形成共格外延生长结构，进一步提升涂层机械性能的同时，降低了涂层高温条件下的摩擦系数，改善涂层抗摩擦磨损性能和热稳定性能，使得涂层适用于更苛刻的应用环境。
(2)本发明的制备方法简单，可操作性强，可控性好，降低了对镀膜设备真空度的要求，适用于机械零部件、刀模具等产品表面的防护，具有较好的经济效益。
附图说明
图1是真空镀膜系统结构示意图。
图2是周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的结构示意图。
图3是周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的XRD图。
图4是800℃下周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的摩擦系数和基体转速的关系图。
图5是800℃下周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的磨损率和基体转速的的关系图。
具体实施方法
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层，涂层由下到上包括硬质合金基体、金属AlTi结合层、AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层；AlTiN/AlCrSiN功能层是由调制比为1:1～2:1的AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替沉积而成，调制周期为4～20nm；金属AlTi结合层中各元素的原子百分比含量为：Al:50～70at.％，Ti:30～50at.％；AlTiN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlTiN中间层各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlCrSiN中间层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～35at.％，Cr:10～20at.％，Si:3～10at.％，N:40～53at.％。
将硬质合金抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗10min，再用普氮吹干后装入真空室内。打开加热器升温至500℃，真空室抽真空至真空度5.0×10-3Pa以下。将样片转架转至AlTi靶前，通入200sccm的Ar气，设置工件支架偏压-1000V，对基体表面进行溅射清洗，轰击时间10min；之后将偏压降至-800V，点燃AlTi靶，靶材电流120A，用高能AlTi离子轰击基体15min，在硬质合金基体上表面沉积了金属AlTi结合层；将偏压调至-180V，通入300sccm的N2气，调节气压至3.0Pa，点燃AlTi靶，在金属AlTi结合层上电弧离子镀沉积AlTiN过渡层，沉积时间为30min。以1rpm的转速让样品支架公转，同时点燃AlTi靶和CrAlSi靶，靶材电流60A，偏压-150V，沉积时间1小时，在AlTiN过渡层上得到AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替叠加的AlTiN/AlCrSiN功能层。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层的厚度分别为1.0μm和1.5μm。
图1为真空镀膜系统结构示意图。
图2为周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的结构示意图。涂层的结构由AlTi金属活化层，AlTiN过渡层以及AlTiN/AlCrSiN功能层构成。图1中各层均采用电弧离子镀技术制备。AlTi金属结合层可以活化金属基体，提高膜基结合力，AlTiN过渡层一方面是为了进一步提高结合力，另一方面为AlTiN/AlCrSiN功能层提供有力支撑。AlTiN/AlCrSiN功能层的硬度高，膜基结合好，高温条件下耐磨损性好。
图3给出了周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的XRD图。从图2中可以看到随着AlCrSiN的加入，衍射峰较向AlTiN单层向高位偏移，可推测AlCrSiN中间层以AlTiN中间层为模板共格外延生长。同时，图2中没有Si3N4的衍射峰，表明为非晶结构，可推测AlCrSiN纳米复合结构由非晶的Si3N4包裹着纳米尺寸的(Al,Cr)N构成。
实施例2：
一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层，涂层由下到上包括硬质合金基体、金属AlTi结合层、AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层；AlTiN/AlCrSiN功能层是由调制比为1:1～2:1的AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替沉积而成，调制周期为4～20nm；金属AlTi结合层中各元素的原子百分比含量为：Al:50～70at.％，Ti:30～50at.％；AlTiN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlTiN中间层各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlCrSiN中间层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～35at.％，Cr:10～20at.％，Si:3～10at.％，N:40～53at.％。
将硬质合金抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗10min，再用普氮吹干后装入真空室内。打开加热器升温至500℃，真空室抽真空至真空度5.0×10-3Pa以下。将样片转架转至AlTi靶前，通入200sccm的Ar气，设置工件支架偏压-1000V，对基体表面进行溅射清洗，轰击时间10min；之后将偏压降至-800V，点燃AlTi靶，靶材电流120A，用高能AlTi离子轰击基体15min，在硬质合金基体上表面沉积了金属AlTi结合层；将偏压调至-180V，通入300sccm的N2气，调节气压至3.0Pa，点燃AlTi靶，在金属AlTi结合层上电弧离子镀沉积AlTiN过渡层，沉积时间为30min。以2rpm的转速让样品支架公转，同时点燃AlTi靶和CrAlSi靶，靶材电流60A，偏压-150V，沉积时间1小时，在AlTiN过渡层上得到AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替叠加的AlTiN/AlCrSiN功能层。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层的厚度分别为1.3μm和2.4μm。
经过划痕仪测试、高温摩擦测试，所制备的涂层附着性能优异，膜/基临界载荷达70N，同时800℃下涂层的摩擦系数为0.5，磨损率为3.4×10-10mm3/N·m。
实施例3：
一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层，涂层由下到上包括硬质合金基体、金属AlTi结合层、AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层；AlTiN/AlCrSiN功能层是由调制比为1:1～2:1的AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替沉积而成，调制周期为4～20nm；金属AlTi结合层中各元素的原子百分比含量为：Al:50～70at.％，Ti:30～50at.％；AlTiN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlTiN中间层各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlCrSiN中间层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～35at.％，Cr:10～20at.％，Si:3～10at.％，N:40～53at.％。
将硬质合金抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗10min，再用普氮吹干后装入真空室内。打开加热器升温至500℃，真空室抽真空至真空度5.0×10-3Pa以下。将样片转架转至AlTi靶前，通入200sccm的Ar气，设置工件支架偏压-1000V，对基体表面进行溅射清洗，轰击时间10min；之后将偏压降至-800V，点燃AlTi靶，靶材电流120A，用高能AlTi离子轰击基体15min，在硬质合金基体上表面沉积了金属AlTi结合层；将偏压调至-180V，通入300sccm的N2气，调节气压至3.0Pa，点燃AlTi靶，在金属AlTi结合层上电弧离子镀沉积AlTiN过渡层，沉积时间为30min。以3rpm的转速让样品支架公转，同时点燃AlTi靶和CrAlSi靶，靶材电流60A，偏压-150V，沉积时间1小时，在AlTiN过渡层上得到AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替叠加的AlTiN/AlCrSiN功能层。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层的厚度分别为1.2μm和1.6μm。
实施例4：
一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层，涂层由下到上包括硬质合金基体、金属AlTi结合层、AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层；AlTiN/AlCrSiN功能层是由调制比为1:1～2:1的AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替沉积而成，调制周期为4～20nm；金属AlTi结合层中各元素的原子百分比含量为：Al:50～70at.％，Ti:30～50at.％；AlTiN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlTiN中间层各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlCrSiN中间层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～35at.％，Cr:10～20at.％，Si:3～10at.％，N:40～53at.％。
将硬质合金抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗10min，再用普氮吹干后装入真空室内。打开加热器升温至500℃，真空室抽真空至真空度5.0×10-3Pa以下。将样片转架转至AlTi靶前，通入200sccm的Ar气，设置工件支架偏压-1000V，对基体表面进行溅射清洗，轰击时间10min；之后将偏压降至-800V，点燃AlTi靶，靶材电流120A，用高能AlTi离子轰击基体15min，在硬质合金基体上表面沉积了金属AlTi结合层；将偏压调至-180V，通入300sccm的N2气，调节气压至3.0Pa，点燃AlTi靶，在金属AlTi结合层上电弧离子镀沉积AlTiN过渡层，沉积时间为30min。以4rpm的转速让样品支架公转，同时点燃AlTi靶和CrAlSi靶，靶材电流60A，偏压-150V，沉积时间1小时，在AlTiN过渡层上得到AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替叠加的AlTiN/AlCrSiN功能层。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层的厚度分别为1.1μm和1.5μm。
测试例：AlTiN/AlCrSiN纳米多层涂层的摩擦磨损性能测试
摩擦试验在CSM HT-1000型高温摩擦磨损试验机上进行，采用纯度为99.5％Al2O3球(Φ6mm，HV1650)作为对磨球(600和800℃下各测试一次)。试验线速度设定为20cm/s，半径为2.5mm，载荷选用5N。每一种温度下涂层进行15000圈摩擦，涂层的摩擦因数在摩擦过程中由软件自带给出。图4为800℃下本发明制备的周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的摩擦系数和样品支架转速的关系图。从图4中可观察到800℃下本发明制备的周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的摩擦系数低于比AlTiN单层涂层。
图5为800℃下本发明制备的周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的磨损率和品支架转速的关系图。涂层磨损率W通过公式W＝V/(P×L)计算得到，其中，涂层的磨损体积V可以通过磨痕的截面面积×磨痕周长计算得来，磨痕截面面积可以由白光干涉仪测量。从图5中可发现800℃下本发明制备的周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的磨损率约为单层AlTiN涂层的八分之一。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层，其特征在于：所述涂层由下到上包括硬质合金基体、金属AlTi结合层、AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层；AlTiN/AlCrSiN功能层是由调制比为1:1～2:1的AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替沉积而成，调制周期为4～20nm；金属AlTi结合层中各元素的原子百分比含量为：Al:50～70at.％，Ti:30～50at.％；AlTiN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlTiN中间层各元素的原子百分比含量为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％；AlCrSiN中间层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～35at.％，Cr:10～20at.％，Si:3～10at.％，N:40～53at.％。
2.根据权利要求1所述的一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层，其特征在于：所述金属AlTi结合层、AlTiN过渡层和AlTiN/AlCrSiN功能层的厚度分别为100～500nm、0.5～1.0μm和1.5～3μm。
3.根据权利要求1所述的一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：首先在硬质合金基体上表面沉积金属AlTi结合层；然后在金属AlTi结合层上电弧离子镀沉积AlTiN过渡层；最后在AlTiN过渡层上通过电弧离子镀交替沉积AlTiN中间层与AlCrSiN中间层形成AlTiN/AlCrSiN功能层。
4.根据权利要求1所述的一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层的制备方法，其特征在于具体包括以下操作步骤：
(1)首先在硬质合金基体上表面沉积金属AlTi结合层，以解决硬质合金基体与涂层之间热膨胀系数失配的问题：打开加热器将真空室升温至300～500℃，对真空室抽真空至真空度在1.0～8.0×10-3Pa以上；然后通入200～300sccm的Ar气，设置工件支架偏压-800～-1000V，对硬质合金基体表面进行溅射清洗，轰击时间10～20min；再将偏压降至-600～-800V，点燃AlTi靶，靶材电流60～150A，用高能AlTi离子轰击金属基体3～15min，在硬质合金基体上表面沉积了金属AlTi结合层；
(2)沉积AlTiN过渡层：将偏压调至-100～-200V，通入200～300sccm的N2气，调节气压至1.0～3.0Pa，点燃AlTi靶，在金属AlTi结合层上电弧离子镀沉积AlTiN过渡层，沉积时间为5～20min；
(3)沉积AlTiN/AlCrSiN功能层：通入N2，控制气压在1.0～3.0Pa，同时点燃AlTi靶和CrAlSi靶，靶材电流60～150A，偏压-60～-150V，交替沉积时间2～3小时，以1～4rpm的转速让样品支架公转，通过样品支架的旋转，在AlTiN过渡层上得到AlTiN中间层与AlCrSiN中间层交替叠加的AlTiN/AlCrSiN功能层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述硬质合金基体在使用之前先将基体抛光处理，然后先后用丙酮、酒精分别超声清洗10～20min，再用氮气吹干后装入真空室内备用。
6.根据权利要求1所述的周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层在机械零部件或刀模具表面中的应用。
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109594039B (zh) * 2018-11-14 2020-10-09 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 一种用于叶片辊轧模具的纳米多层结构薄膜及其制备方法
CN109440064A (zh) * 2018-11-14 2019-03-08 广东工业大学 一种变热导率刀具涂层及其制备方法
JP7277820B2 (ja) * 2019-03-18 2023-05-19 株式会社Moldino 被覆切削工具
CN111020497B (zh) * 2019-12-13 2022-02-15 广东工业大学 一种周期性多层结构AlTiN/AlCrO涂层及其制备方法
CN111575667B (zh) * 2020-06-23 2022-05-13 上海理工大学 一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层及其制备方法
CN111876733B (zh) * 2020-07-15 2021-11-02 吉林大学 一种三维网状纳米晶/非晶的高强高韧纳米多层膜及其制备方法和应用
CN112626468B (zh) * 2021-03-09 2021-06-08 爱柯迪股份有限公司 搅拌摩擦焊头用超硬自润滑纳米复合涂层及制备方法
CN113174562A (zh) * 2021-03-17 2021-07-27 广东工业大学 一种自组织纳米结构氧氮化物硬质涂层及其制备方法和应用
CN113416926A (zh) * 2021-05-17 2021-09-21 湖南泰嘉新材料科技股份有限公司 一种纳米多层结构过渡金属氮化物涂层及其制备方法和应用
CN113355630B (zh) * 2021-08-10 2021-10-29 北京航天天美科技有限公司 铝合金表面硬度涂层的制备方法
DE102022113731A1 (de) 2022-05-31 2023-11-30 Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn Gmbh Beschichtetes Werkzeugteil und Beschichtungsverfahren
CN115505882A (zh) * 2022-09-14 2022-12-23 广东工业大学 氮化物结合氧化物双涂层的制备方法及涂层刀具
CN115595532A (zh) * 2022-10-12 2023-01-13 株洲华锐精密工具股份有限公司（Cn） 一种多层结构硬质涂层及其制备方法与应用
CN115747718A (zh) * 2022-12-26 2023-03-07 常州夸克涂层科技有限公司 一种滚插齿刀涂层工艺

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012091427A (ja) * 2010-10-28 2012-05-17 Mitsubishi Materials Corp 耐摩耗性と潤滑性に優れた硬質被覆層を蒸着形成した射出成形機のスクリュー。
CN102922052B (zh) * 2012-09-28 2014-10-22 武汉大学 一种AlTiN-AlCrN超硬纳米多层复合涂层滚齿刀及其制备方法
CN104213075A (zh) * 2014-09-22 2014-12-17 武汉大学 一种AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合超硬强韧涂层材料及制备方法
CN104928638A (zh) * 2015-05-21 2015-09-23 广东工业大学 一种AlCrSiN基多层纳米复合刀具涂层及其制备方法
CN107190243A (zh) * 2017-05-15 2017-09-22 广东工业大学 一种TiB2/AlTiN复合涂层及其制备方法与应用

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