CN110760796A - 一种含双梯度结构的多层涂层刀具及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种含双梯度结构的多层涂层刀具及制备方法。该多层涂层刀具包括基体材料，以及自基体材料开始，依次沉积的结合层、梯度层和功能层，其中梯度层分别以N元素和Al元素为梯度变量，形成了包含第一梯度层MeN层和第二梯度层MeAlN层的双梯度层结构，双梯度结构的设计，进一步提升了膜层的结合强度，保证了涂层刀具的涂层具有高硬度、高结合强度的力学性能，含双梯度结构的多层涂层刀具，结合强度与不含双梯度结构的涂层相比，提高了近20％，从加工工件个数的角度来考量刀具的切削寿命，含双梯度结构的多层涂层刀具切削寿命延长了近30％。

Description

一种含双梯度结构的多层涂层刀具及制备方法
技术领域
本发明属于切削刀具技术领域，具体涉及一种含双梯度结构的多层涂层刀具及制备方法。
背景技术
随着现代制造业的高速发展，各种高硬度、高强度、高韧性和难切削的新型工业材料层出不穷，切削刀具技术的发展水平成为了制约制造业发展的关键因素。影响切削刀具技术水平的因素主要是刀具材料、刀具设计结构和刀具表面涂层技术。首先，刀具材料应具备良好的力学性能，如刚性、韧性和抗折强度等。其次在刀具表面涂层材料方面，为了保证切削加工过程承受很高的温度，热稳定性、高温抗氧化性的刀具涂层技术被开发出来，但刀具涂层最关键的硬度和结合强度等力学性能却往往被忽视。
刀具涂层技术是使切削刀具的综合性能得到改善的有效方法。涂层刀具具有以下特点：(1)涂层刀具相对无涂层的刀具，可以使用更高的切削速度进行切削，因此加工效率可以更高；(2)由于膜层硬度比基体高的多，可以在相对较“软”的基体上涂覆硬质涂层来加工一些难加工的材料；(3)涂层刀具可以实现干切削，减少了切削液的使用，符合绿色制造的加工理念，环境友好；(4)膜层较薄，大约只有1～10μm，不会影响刀具的加工精度；(5)涂层刀具相对未涂层的刀具耐磨性大幅度提高，从而延长了刀具的使用寿命，降低了生产成本。
由于涂层刀具能够提高加工效率，延长使用寿命并降低生产成本，自20世纪70年代用化学气相沉积法在硬质合金刀具表面沉积TiN涂层以来，涂层刀具的使用发展迅速。涂层种类由最初的二元涂层TiN、CrN发展到三元涂层TiAlN、CrAlN或TiSiN，以及多元涂层CrTiAlN、CrAlSiN或TiAlSiN等。然而，对于现有的涂层刀具而言，涂层膜基的结合强度仍不理想，抗冲击性能差，制约了刀具涂层技术的发展。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种含双梯度结构的多层涂层刀具及制备方法。
根据本发明第一方面实施例的一种含双梯度结构的多层涂层刀具，所述多层涂层刀具涂层具有高硬度、高结合强度等力学性能，表现出良好的切削性能。
根据本发明第一方面实施例的一种含双梯度结构的多层涂层刀具，所述多层涂层刀具包括
基体材料；以及
自所述基体材料开始，依次沉积的结合层、梯度层和功能层；
所述结合层含有过渡金属元素Me，所述过渡金属元素Me包括Cr、Ti和Zr中的至少一种；
所述梯度层包括第一梯度层和第二梯度层，所述第一梯度层为MeN层，所述MeN层中N元素的含量从0开始、随着相对基体材料的距离增大而增加，所述第二梯度层为MeAlN层，所述MeAlN层中Al元素的含量从0开始、随着相对基体材料的距离增大而增加；
所述功能层为MeXN层，所述MeXN层中，X元素包括Al和Si中的至少一种。
根据本发明实施例的含梯度及纳米多层结构的涂层刀具，至少具有如下技术效果：
涂层刀具的技术关键在于提升涂层的结合强度与降低膜层的内部应力。本发明实施例的涂层刀具中，双梯度层是发明点的核心所在。
双梯度层包括第一梯度层和第二梯度层：
第一梯度层为MeN层，MeN层中N元素含量从0开始，以N为梯度变量，随着相对基体材料表面的距离增加而呈线性增加，这里相对基体材料表面的距离增加而呈线性增加，是指距离基体材料表面越近，N元素含量越少，距离基体材料表面越远，N元素含量越高，最终达到富氮的状态，该设计可有效提升涂层与刀具基体之间的结合强度。
第二梯度层为MeAlN层，MeAlN层中Al元素的含量从0开始、随着相对基体材料的距离增大而增加，这里相对基体材料表面的距离增加而呈线性增加，是指距离基体材料表面越近，Al元素含量越少，距离基体材料表面越远，Al元素含量越高，最终达到富铝的状态，该设计可缓解第一梯度层与功能层之间的界面应力，提升膜层之间的结合强度。
通过上述结构设计，保证了涂层刀具的涂层具有高硬度、高结合强度的力学性能，含双梯度结构的多层涂层刀具，结合强度与不含双梯度结构的涂层相比，提高了近20％，从加工工件个数的角度来考量刀具的切削寿命，含双梯度结构的多层涂层刀具切削寿命延长了近30％。
根据本发明的一些实施例，所述过渡金属元素Me还包括V、W、Hf、Mo、Ni、Nb、Ru、Ta中的至少一种。
针对过渡金属元素Me而言，Cr、Ti和Zr属于必选元素，而V、W、Hf等其他过渡金属元素中的一种或多种的组合属于非必选元素。
根据本发明的一些实施例，所述基体材料为硬质合金、不锈钢、高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢和金属陶瓷中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述结合层的厚度为10～50nm。
根据本发明的一些实施例，所述第一梯度层的厚度为100～3000nm，所述第二梯度层的厚度为100～3000nm，所述功能层的厚度为200～5000nm。
根据本发明的一些实施例，所述结合层、梯度层和功能层的总厚度为500～10000nm。
根据本发明第二方面实施例的多层涂层刀具的制备方法，步骤包括：
S1：将所述基体材料置于炉腔中，真空条件下加热；
S2：向步骤S1的炉腔中通入Ar气体，调节真空度后启动Me金属靶，在所述基体材料表面沉积结合层；
S3：关闭Ar气体，保持Me金属靶开启，往炉腔中通入N2，调节N2气体通入量Vf由0sccm开始呈线性逐步增加，在步骤S2沉积的结合层的表面沉积第一梯度层，其中，N2气体通入量Vf最终增加到300sccm；
S4：保持N2气体通入量，Me靶靶电流线性逐步减小，同步开启MeAl靶，MeAl靶靶电流I线性逐步增大，在步骤S3沉积的第一梯度层的表面沉积第二梯度层，其中，Me靶靶电流从150A下降到50A，MeAl靶靶电流同步从50A启动，增加到150A；
S5：保持N2气体通入量，单独开启MeX靶，在步骤S4沉积的第二梯度层的表面沉积功能层；
S6：功能层沉积结束后，真空环境下随炉冷却至温度低于100℃，即得所述含双梯度结构的多层涂层刀具。
根据本发明的一些实施例，步骤S1中，加热的温度为200～500℃，加热的时间为1～3h。
根据本发明的一些实施例，步骤S3中，N2气体通入量的线性关系满足：
N2气体通入量Vf的线性关系满足：
Vf＝k1×t (1)，
式(1)中k1为常数，N2气体通入量Vf与时间t呈线性关系。
根据本发明的一些实施例，步骤S4中，靶电流I线性逐步增大的线性关系满足：
I＝k2×t (2)，
式(2)中k2为常数，靶电流I与时间t呈线性关系。
附图说明
图1是本发明实施例的含双梯度结构的多层涂层刀具的结构示意图。
图2是本发明实施例的多层涂层刀具的制备流程图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本例提供了一种含双梯度结构的多层涂层刀具，结构如图1所示，该多层涂层刀具包括基体材料10；以及
自基体材料10开始，依次沉积的结合层20、梯度层和功能层50；
结合层20含有过渡金属元素Me，过渡金属元素Me包括Cr、Ti和Zr中的至少一种；
梯度层包括第一梯度层30和第二梯度层40，第一梯度层30为MeN层，MeN层中N元素的含量从0开始、随着相对基体材料10的距离增大而增加，第二梯度层40为MeAlN层，MeAlN层中Al元素的含量从0开始、随着相对基体材料10的距离增大而增加；
功能层50为MeXN层，MeXN层中，X元素包括Al和Si中的至少一种。
其中，过渡金属元素Me还包括V、W、Hf、Mo、Ni、Nb、Ru和Ta中的至少一种。
基体材料10为硬质合金、不锈钢、高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢和金属陶瓷中的至少一种。
结合层20的厚度为10～50nm。第一梯度层30的厚度为100～3000nm，第二梯度层40的厚度为100～3000nm，功能层50的厚度为200～5000nm。结合层20、梯度层和功能层50的总厚度为500～10000nm。
实施例2
本例提供了多层涂层刀具的制备方法，流程如图2所示，具体步骤包括：
S1：将基体材料置于炉腔中，真空条件下加热；
S2：向步骤S1的炉腔中通入Ar气体，调节真空度后启动Me金属靶，在基体材料表面沉积结合层；
S3：关闭Ar气体，保持Me金属靶开启，往炉腔中通入N2，调节N2气体通入量Vf由0sccm开始呈线性逐步增加，在步骤S2沉积的结合层的表面沉积第一梯度层，其中，N2气体通入量Vf最终增加到300sccm；
S4：保持N2气体通入量，Me靶电流线性逐步减小，同步开启MeAl靶，MeAl靶靶电流I线性逐步增大，在步骤S3沉积的第一梯度层的表面沉积第二梯度层，其中，Me靶靶电流从150A下降到50A，MeAl靶靶电流同步从50A启动，增加到150A；
S5：保持N2气体通入量，单独开启MeX靶，在步骤S4沉积的第二梯度层的表面沉积功能层；
S6：功能层沉积结束后，真空环境下随炉冷却至温度低于100℃，即得含双梯度结构的多层涂层刀具。
实施例3
本例采用实施例2的制备方法，制备了一种含双梯度结构的多层涂层刀具，编号为A。
具体制备步骤包括：
S1：真空加热，将清洗好的刀具基体材料放入炉腔，在1.0×10-3Pa的真空度下，在350℃温度中加热2h；
S2：沉积结合层，炉腔中通入Ar气体，流量为30sccm，调节真空度为1.0×10-4Pa，启动Cr金属靶，弧电流150A，偏压200V，占空比85％，在刀具基体表面沉积结合层，厚度20nm；
S3：关闭Ar气体，保持Cr金属靶开启，往炉腔中通入N2，调节N2气体通入量由0sccm开始呈线性逐步增加到300sccm，在步骤S2沉积的结合层的表面沉积第一梯度层；
S4：保持N2气体通入量，Cr靶靶电流线性逐步减小到50A，同步开启CrAl靶，CrAl靶靶电流从50A线性逐步增大到150A，在步骤S3沉积的第一梯度层的表面沉积第二梯度层；
S5：保持N2气体通入量，单独开启CrAlSi靶，在步骤S4沉积的第二梯度层的表面沉积功能层；
S6：功能层沉积结束后，真空环境下随炉冷却至温度低于100℃，即得含双梯度结构的多层涂层刀具A。
对比例1
本例参考实施例3的制备方法和工艺条件，制备了一种涂层刀具，编号为B。本例的制备方法与实施例3相比，区别仅在于：步骤S3，关闭Ar气体，往炉腔中通入N2气体，直到气体流量到300sccm，但不开启Cr靶，不沉积第一梯度层。
对比例2
本例参考实施例3的制备方法和工艺条件，制备了一种涂层刀具，编号为C。本例的制备方法与实施例3相比，区别仅在于：步骤S4沉积第二梯度层时，保持N2气体通入量，不开启CrAl靶，不沉积第二梯度层。
检测例
本例测试了实施例3和对比例1～2制备的涂层刀具的材料性能和刀具的切削性能，结果如表1所示。
涂层的表面硬度，采用纳米压痕仪进行检测，测试依据为GBT 25898-2010：仪器化纳米压入试验方法薄膜的压入硬度和弹性模量。
涂层的结合强度，采用纳米划痕仪进行检测，测试依据为JBT 8554-1997：气相沉积薄膜与基体附着力的划痕试验方法。
表1
Figure BDA0002281287780000071

Claims (10)

1.一种含双梯度结构的多层涂层刀具，其特征在于，所述多层涂层刀具包括
基体材料(10)；以及
自所述基体材料(10)开始，依次沉积的结合层(20)、梯度层和功能层(50)；
所述结合层(20)含有过渡金属元素Me，所述过渡金属元素Me包括Cr、Ti和Zr中的至少一种；
所述梯度层包括第一梯度层(30)和第二梯度层(40)，所述第一梯度层(30)为MeN层，所述MeN层中N元素的含量从0开始、随着相对基体材料(10)的距离增大而增加，所述第二梯度层(40)为MeAlN层，所述MeAlN层中Al元素的含量从0开始、随着相对基体材料(10)的距离增大而增加；
所述功能层(50)为MeXN层，所述MeXN层中，X元素包括Al和Si中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的多层涂层刀具，其特征在于，所述过渡金属元素Me还包括V、W、Hf、Mo、Ni、Nb、Ru和Ta中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的多层涂层刀具，其特征在于，所述基体材料(10)为硬质合金、不锈钢、高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢和金属陶瓷中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的多层涂层刀具，其特征在于，所述结合层(20)的厚度为10～50nm。
5.根据权利要求4所述的多层涂层刀具，其特征在于，所述第一梯度层(30)的厚度为100～3000nm，所述第二梯度层(40)的厚度为100～3000nm，所述功能层(50)的厚度为200～5000nm。
6.根据权利要求5所述的多层涂层刀具，其特征在于，所述结合层(20)、梯度层和功能层(50)的总厚度为500～10000nm。
7.根据权利要求1～6任一项所述的多层涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤包括：
S1：将所述基体材料(10)置于炉腔中，真空条件下加热；
S2：向步骤S1的炉腔中通入Ar气体，调节真空度后启动Me金属靶，在所述基体材料(10)表面沉积结合层(20)；
S3：关闭Ar气体，保持Me金属靶开启，往炉腔中通入N2，调节N2气体通入量Vf由0sccm开始呈线性逐步增加，在步骤S2沉积的结合层(20)的表面沉积第一梯度层(30)；
S4：保持N2气体通入量，调节Me靶靶电流线性逐步减小，同步开启MeAl靶，MeAl靶靶电流I线性逐步增大，在步骤S3沉积的第一梯度层(30)的表面沉积第二梯度层(40)；
S5：保持N2气体通入量，单独开启MeX靶，在步骤S4沉积的第二梯度层(40)的表面沉积功能层(50)；
S6：功能层(50)沉积结束后，真空环境下随炉冷却至温度低于100℃，即得所述含双梯度结构的多层涂层刀具。
8.根据权利要求7所述的多层涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤S1中，加热的温度为200～500℃，加热的时间为1～3h。
9.根据权利要求7所述的多层涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤S3中，N2气体通入量Vf的线性关系满足：
Vf＝k1×t (1)，
式(1)中k1为常数，N2气体通入量Vf与时间t呈线性关系。
10.根据权利要求7所述的多层涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤S4中，MeAl靶靶电流I线性逐步增大的线性关系满足：
I＝k2×t (2)，
式(2)中k2为常数，MeAl靶靶电流I与时间t呈线性关系。
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