CN110551974A - 一种含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

一种含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具及其制备方法。该多层涂层刀具包括刀具基体和沉积于刀具基体上的多层涂层，多层涂层包含有一交替沉积Ti1‑x‑yAlxTayN层和Ti1‑a‑bAlaSibN层的周期性涂层，Ti1‑x‑yAlxTayN层和Ti1‑a‑bAlaSibN层共格外延生长成超点阵结构。制备方法包括将刀具基体进行预处理，然后交替沉积Ti1‑x‑yAlxTayN层和Ti1‑a‑bAlaSibN层的周期性涂层，得到多层涂层刀具。本发明的多层涂层刀具具有高韧性、高硬度和优异的高温抗氧化性能等优点，制备方法工艺简单、设备常规、生产成本低。

Description

一种含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具及其制备方法
技术领域
本发明属于切削刀具制备技术领域，涉及一种带有多涂层的切削刀具及其制备方法，具体涉及一种含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具及其制备方法。
背景技术
在TiN中添加Al形成的TiAlN涂层，具有更高硬度约(30GPa)、更高抗氧化温度约(800℃)和时效硬化特性等优良性能，成为目前应用最为普遍的切削刀具涂层材料之一。TiAlN涂层的晶体结构和性能在很大程度上取决于Al含量，Al含量低于其在TiN的固溶度时，涂层保持立方结构(c)，力学性能和抗氧化性能随Al含量增加而提高；但当Al含量超过在TiN的固溶度时，涂层由立方结构向六方结构(w)转化，性能下降。另外，TiAlN涂层的抗氧化性较差，低于850℃。切削过程中，刀具表面与工件之间相互作用使切削区温度急剧上升，尤其在切削一些难加工材料时，刀具刃口的温度可能达到1000℃以上，超过了TiAlN涂层的服役温度。
TiAlN涂层的多元合金化成为改善涂层性能的有效方式，成为目前切削刀具涂层的前沿研究领域。在TiAlN涂层中添加Si元素可以显著提升涂层的硬度、热稳定性和高温抗氧化性能，但Si的加入会增加涂层的应力、降低涂层的韧性，相应地会使涂层与基体之间的结合强度显著降低，寿命也明显下降。因此，利用多层涂层改善涂层性能的领域仍然具有很大的提升空间。
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，特别是针对现有在TiAlN涂层中添加Si元素会增加涂层的应力、降低涂层的韧性、使涂层与基体之间的结合强度显著降低的缺陷，提供一种相比现有多层涂层具有高韧性、更高硬度、更高热稳定性和优异的高温抗氧化性能的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，还相应地提供一种工艺简单、设备常规、生产成本低的该多层涂层刀具的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，包括刀具基体和沉积于所述刀具基体上的多层涂层，所述多层涂层包含有一交替沉积Ti1-x-yAlxTayN层和Ti1-a-bAlaSibN层的周期性涂层，所述Ti1-x-yAlxTayN层和Ti1-a-bAlaSibN层共格外延生长成超点阵结构；所述Ti1-x-yAlxTayN层的单层厚度为2nm～20nm，0.30≤x≤0.60，0.05≤y≤0.20，x+y≤0.65，所述Ti1-a-bAlaSibN层的单层厚度为2nm～20nm，0.30≤a≤0.50，0.02≤b≤0.20，a+b≤0.52，所述多层涂层的总厚度为1.5μm～10μm。
上述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具中，优选的，0.8≤x+a≤1.0。
上述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具中，优选的，所述Ti1-x-yAlxTayN层的单层厚度为5nm～10nm，所述Ti1-a-bAlaSibN层的单层厚度为5nm～10nm。
上述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具中，优选的，所述Ti1-x-yAlxTayN层中0.40≤x≤0.55，0.08≤y≤0.15，所述Ti1-a-bAlaSibN层中0.40≤a≤0.50，0.02≤b≤0.15。
上述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具中，优选的，所述多层涂层的总厚度为2μm～6μm。
上述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具中，优选的，所述多层涂层的Al元素的平均原子百分数高于40％。即，整个涂层的平均Al含量，该平均Al含量除了受a和x的影响外，还受到TiAlSiN层和TiAlTaN层的厚度比例影响。
上述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具中，优选的，所述周期性涂层是以所述刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti1-x-yAlxTayN层到Ti1-a-bAlaSibN层”的周期性变化趋势。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)将刀具基体进行预处理；
(2)在预处理后的刀具基体上交替沉积Ti1-x-yAlxTayN层和Ti1-a-bAlaSibN层，通过控制Ti1-x-yAlxTayN层和Ti1-a-bAlaSibN层的厚度，使Ti1-a-bAlaSibN层在Ti1-x-yAlxTayN上共格外延生长成超点阵结构，形成以“Ti1-x-yAlxTayN层到Ti1-a-bAlaSibN层”为调制周期的周期性涂层，得到含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具。
本发明中，所述Ti1-x-yAlxTayN单层的厚度为2nm～20nm，优选为5nm～10nm，所述Ti1-x-yAlxTayN单层的厚度为2nm～20nm，优选为5nm～10nm。Ti1-x-yAlxTayN层和Ti1-a-bAlaSibN层单层厚度过厚或者过薄，都有可能影响复合涂层的界面强化作用。
本发明中，所述Ti1-x-yAlxTayN层的成分控制为0.30≤x≤0.60，0.05≤y≤0.20，x+y≤0.65，优选0.40≤x≤0.55，0.08≤y≤0.15，确保Ti1-x-yAlxTayN层的晶体结构为单相面心立方结构。
本发明中，所述Ti1-a-bAlaSibN层的成分控制为0.30≤a≤0.50，0.02≤b≤0.20，a+b≤0.52，优选0.40≤a≤0.50，0.02≤b≤0.15，确保Ti1-a-bAlaSibN层的晶体结构为单相面心立方结构。
本发明中，所述涂层的总厚度为1.5μm～10μm，优选为2.0μm～6.0μm；如果涂层过薄，会影响到涂层的保护性能和保护效果，但过厚的话不仅会产生过高的应力，导致涂层易剥落，而且成本也随之增加。
本发明中，所述多层涂层Ti1-x-yAlxTayN层和Ti1-a-bAlaSibN层的0.8≤x+a≤1.0，且多层涂层Al元素的平均原子百分数高于40％；过低的Al含量会降低涂层的力学性能和高温抗氧化性能；过高的Al含量会使涂层的晶体结构难以控制而降低其性能。
本发明中，在多层涂层的调制周期控制在纳米尺度范围时(即TiAlSiN层和TiAlTaN层单层的厚度和)，一种材料会以另一种材料为模板共格外延生长，形成超点阵结构，其界面强化效应还可进一步提高涂层的力学和热性能。
本发明的各技术方案中，所述刀具基体可以为本领域公知的各种切削刀具，特别适用于硬质合金刀具、金属陶瓷刀具、超硬刀具和高速钢刀具。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明提供了一种含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，在TiAlN涂层中添加Si元素可以显著提升涂层的硬度、热稳定性和高温抗氧化性能，但是由于Si的加入会增加涂层的应力、降低涂层的韧性，相应地还会使涂层与基体之间的结合强度显著降低，因此，本发明采用TiAlTaN层，在TiAlN涂层中添加Ta，用于弥补TiAlSiN层带来的缺陷，增加涂层的韧性，通过多层界面释放涂层应力，同时与TiAlSiN层产生协同作用，更进一步地提高了刀具的热稳定性和高温抗氧化性，使刀具的综合性能显著优于现有技术。
本发明的涂层刀具通过TiAlTaN层和TiAlSiN层共格外延成长获得共格界面强化效应，可大幅度提高涂层的硬度，甚至表现出超硬效应(＞40GPa)，共格界面之间的应力作用还可阻止涂层的热分解过程从而提高其热稳定性，另外，这种共格界面还可阻止涂层氧化过程中的扩散过程改善其高温抗氧化性能。
2.本发明的多层涂层刀具的制备方法具有工艺简单、设备要求低、生产成本低的特点，通过该方法制备的涂层刀具能够满足高速切削的需求，大大延长了切削刀具的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1～8中的多层涂层刀具的结构示意图。
图例说明：
1、刀具基体；2、Ti1-x-yAlxTayN；3、Ti1-a-bAlaSibN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。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1
一种本发明的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的多层涂层，多层涂层包含有一交替沉积Ti1-x-yAlxTayN层2和Ti1-a-bAlaSibN层3的周期性涂层，Ti1-x-yAlxTayN层和Ti1-a-bAlaSibN层共格外延生长成超点阵结构，其中，x为0.60，y为0.05，即Ti1-x-yAlxTayN层2具体为Ti0.35Al0.60Ta0.05N层，Ti0.35Al0.60Ta0.05N层的单层厚度为5nm，a为0.40，b为0.10，即Ti1-a-bAlaSibN层3具体为Ti0.50Al0.40Si0.10N层，Ti0.50Al0.40Si0.10N层的单层厚度为5nm，总共350个周期，多层涂层的总厚度为3.5μm。
本实施例中，该多层涂层是以刀具基体表面向外呈现出“Ti0.35Al0.60Ta0.05N层到Ti0.50Al0.40Si0.10N层”的周期性变化趋势。
本实施例中，Ti1-x-yAlxTayN层2和Ti1-a-bAlaSibN层3均为单相面心立方结构，Ti1-x- yAlxTayN层2和Ti1-a-bAlaSibN层3共格外延生长成超点阵结构。
本实施例中，刀具基体1采用型号为CNMG120408的硬质合金刀片。
一种上述本实施例的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)将型号为CNMG120408的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，得到刀具基体1；
(2)在刀具基体1上采用物理气相沉积法(PVD)方法，利用多靶交替沉积以“TiAlTaN/TaAlSiN”为调制周期的多周期涂层，各周期内，先沉积Ti0.35Al0.60Ta0.05N层，再沉积Ti0.50Al0.40Si0.10N层，其中Ti0.35Al0.60Ta0.05N层和Ti0.50Al0.40Si0.10N层单层涂层的厚度均为5nm；Ti0.35Al0.60Ta0.05N层和Ti0.50Al0.40Si0.10N层均为单相立方结构；经过350个周期后，涂层的总厚度为3.5μm。
本实施例中，采用物理气相沉积工艺的多靶交替沉积方式，通过TiAlTa靶和TiAlSi靶交替沉积TiAlTaN层和TiAlSiN层，沉积气氛为N2和Ar的混合气体或者N2。以下其他实施例在无特别说明的情况下，均与本实施例相同。
对照实验：对照品的刀具基体与实施例1相同，按普通的物理气相沉积方法沉积普通的Al0.60Ti0.40N涂层(单一涂层结构，厚度为3.5μm)、作为对照的AlTiN/TiAlSiN多层涂层和AlTiN/TiAlTaN多层涂层，制得的目前市场上普遍使用的硬质合金涂层刀片，其它实施例的对比Al0.60Ti0.40N涂层的成分和厚度同实施例1，且均为普通商用涂层。
将本实施例制得的多层涂层刀具A和对照品进行连续车削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的对比实验，对比实验结果如下表1所示。
表1：实施例1的本发明多层涂层刀具A与对照品的对比实验效果
由表1可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，作为对照的AlTiN/TiAlSiN多层涂层和AlTiN/TiAlTaN多层涂层虽然相比Al0.60Ti0.40N涂层的切削性能得到一定提高，但本发明的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层切削性能最优，其可同时提升涂层的热稳定性、高温抗氧化性能和韧性，综合性能优异。
实施例2
一种本发明的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层是以刀具基体表面向外呈现出“Ti0.55Al0.30Ta0.15N层到Ti0.40Al0.50Si0.10N层”的周期性变化趋势，其中Ti0.55Al0.30Ta0.15N层单层涂层的厚度为10nm，Ti0.40Al0.50Si0.10N层单层涂层的厚度为10nm，总共150个周期，直至涂层的总厚度为3.0μm。
表2：实施例2的本发明多层涂层刀具B与对照品A1的对比实验效果
由表2可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的涂层刀具在车削下的使用寿命仅比现有技术下的Al0.60Ti0.40N涂层刀具提高了30％。
实施例3
一种本发明的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层是以刀具基体表面向外呈现出“Ti0.35Al0.45Ta0.20N层到Ti0.50Al0.38Si0.12N层”的周期性变化趋势，其中Ti0.35Al0.45Ta0.20N层单层涂层的厚度为2nm，Ti0.50Al0.38Si0.12N层单层涂层的厚度为2nm，总共800个周期，直至涂层的总厚度为3.2μm。
表3：实施例3的本发明多层涂层刀具C与对照品A1的对比实验效果
由表3可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的涂层刀具在车削下的使用寿命仅比现有技术下的Al0.60Ti0.40N涂层刀具提高了60％。
实施例4
一种本发明的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层是以刀具基体表面向外呈现出“Ti0.40Al0.55Ta0.05N层到Ti0.48Al0.32Si0.20N层”的周期性变化趋势，其中Ti0.40Al0.55Ta0.05N层单层涂层的厚度为8nm，Ti0.48Al0.32Si0.20N层单层涂层的厚度为12nm，总共200个周期，直至涂层的总厚度为4.0μm。
表4：实施例4的本发明多层涂层刀具D与对照品A1的对比实验效果
由表4可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的涂层刀具在车削下的使用寿命仅比现有技术下的Al0.60Ti0.40N涂层刀具提高了50％。
实施例5
一种本发明的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层是以刀具基体表面向外呈现出“Ti0.38Al0.52Ta0.10N层到Ti0.50Al0.48Si0.02N层”的周期性变化趋势，其中Ti0.38Al0.52Ta0.10N层单层涂层的厚度为6nm，Ti0.50Al0.48Si0.02N层单层涂层的厚度为4nm，总共1000个周期，直至涂层的总厚度为10.0μm。
表5：实施例5的本发明多层涂层刀具E与对照品A1的对比实验效果
由表5可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的涂层刀具在车削下的使用寿命仅比现有技术下的Al0.60Ti0.40N涂层刀具提高了20％。
实施例6
一种本发明的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层是以刀具基体表面向外呈现出“Ti0.38Al0.52Ta0.10N层到Ti0.50Al0.48Si0.02N层”的周期性变化趋势，其中Ti0.38Al0.52Ta0.10N层单层涂层的厚度为6nm，Ti0.50Al0.48Si0.02N层单层涂层的厚度为4nm，总共600个周期，直至涂层的总厚度为6.0μm。
表6：实施例6的本发明多层涂层刀具F与对照品A1的对比实验效果
由表6可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的涂层刀具在车削下的使用寿命仅比现有技术下的Al0.60Ti0.40N涂层刀具提高了60％。
实施例7
一种本发明的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层是以刀具基体表面向外呈现出“Ti0.40Al0.52Ta0.08N层到Ti0.54Al0.40Si0.06N层”的周期性变化趋势，其中Ti0.40Al0.52Ta0.08N层单层涂层的厚度为12nm，Ti0.54Al0.40Si0.06N层单层涂层的厚度为8nm，总共300个周期，直至涂层的总厚度为6.0μm。
表7：实施例7的本发明多层涂层刀具G与对照品A1的对比实验效果
由表7可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的涂层刀具在车削下的使用寿命仅比现有技术下的Al0.60Ti0.40N涂层刀具提高了80％。
实施例8
一种本发明的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层是以刀具基体表面向外呈现出“Ti0.40Al0.52Ta0.08N层到Ti0.54Al0.40Si0.06N层”的周期性变化趋势，其中Ti0.40Al0.52Ta0.08N层单层涂层的厚度为8nm，Ti0.54Al0.40Si0.06N层单层涂层的厚度为7nm，总共200个周期，直至涂层的总厚度为3.0μm。
表8：实施例8的本发明多层涂层刀具H与对照品A1的对比实验效果
由表8可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的涂层刀具在车削下的使用寿命仅比现有技术下的Al0.60Ti0.40N涂层刀具提高了120％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，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示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和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，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，包括刀具基体和沉积于所述刀具基体上的多层涂层，其特征在于，所述多层涂层包含有一交替沉积Ti1-x-yAlxTayN层和Ti1-a- bAlaSibN层的周期性涂层，所述Ti1-x-yAlxTayN层和Ti1-a-bAlaSibN层共格外延生长成超点阵结构；所述Ti1-x-yAlxTayN层的单层厚度为2nm～20nm，0.30≤x≤0.60，0.05≤y≤0.20，x+y≤0.65，所述Ti1-a-bAlaSibN层的单层厚度为2nm～20nm，0.30≤a≤0.50，0.02≤b≤0.20，a+b≤0.52，所述多层涂层的总厚度为1.5μm～10μm。
2.根据权利要求1所述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，其特征在于，0.8≤x+a≤1.0。
3.根据权利要求1所述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，其特征在于，所述Ti1-x-yAlxTayN层的单层厚度为5nm～10nm，所述Ti1-a-bAlaSibN层的单层厚度为5nm～10nm。
4.根据权利要求1所述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，其特征在于，所述Ti1-x-yAlxTayN层中0.40≤x≤0.55，0.08≤y≤0.15，所述Ti1-a-bAlaSibN层中0.40≤a≤0.50，0.02≤b≤0.15。
5.根据权利要求1所述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，其特征在于，所述多层涂层的总厚度为2μm～6μm。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，其特征在于，所述多层涂层的Al元素的平均原子百分数高于40％。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具，其特征在于，所述周期性涂层是以所述刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti1-x-yAlxTayN层到Ti1-a-bAlaSibN层”的周期性变化趋势。
8.一种如权利要求1～7中任一项所述的含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)将刀具基体进行预处理；
(2)在预处理后的刀具基体上交替沉积Ti1-x-yAlxTayN层和Ti1-a-bAlaSibN层，通过控制Ti1-x-yAlxTayN层和Ti1-a-bAlaSibN层的厚度，使Ti1-a-bAlaSibN层在Ti1-x-yAlxTayN上共格外延生长成超点阵结构，形成以“Ti1-x-yAlxTayN层到Ti1-a-bAlaSibN层”为调制周期的周期性涂层，得到含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具。
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