CN111041481A - 一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法 - Google Patents

一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111041481A
CN111041481A CN201911143724.0A CN201911143724A CN111041481A CN 111041481 A CN111041481 A CN 111041481A CN 201911143724 A CN201911143724 A CN 201911143724A CN 111041481 A CN111041481 A CN 111041481A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
gradient
cutting tool
thickness
base material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911143724.0A
Other languages
English (en)
Inventor
陈汉泉
刘树红
杜勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN201911143724.0A priority Critical patent/CN111041481A/zh
Publication of CN111041481A publication Critical patent/CN111041481A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/347—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with layers adapted for cutting tools or wear applications
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • C23C14/0084—Producing gradient compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/024—Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
    • C23C14/025—Metallic sublayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/36—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including layers graded in composition or physical properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/40—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Drilling Tools (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

本发明实施例提供了一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法。该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、支撑层和功能层，其中，结合层含有过渡金属元素Me，梯度层中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。该涂层刀具具有高硬度和高结合强度的特点，表面硬度超过3700HV，同时结合强度超过120N，刀具的使用寿命也得到了显著延长。

Description

一种含梯度及纳米多层结构的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，具体涉及一种含梯度及纳米多层结构的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，本发明提出一种含梯度及纳米多层结构的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梯度及纳米多层结构的涂层刀具，所述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梯度及纳米多层结构的涂层刀具，所述涂层刀具包括
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、支撑层和功能层；
所述结合层含有过渡金属元素Me；
所述梯度层为第一MeN层，所述第一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；
所述支撑层含有若干交替叠加的第二MeN层和第一MeXN层；
所述功能层为第二MeXN层；
所述过渡金属元素Me包括Cr、Ti和Zr中的至少一种；
所述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，梯度层和支撑层是发明的核心所在。
其梯度层中：
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。
支撑层中：
含有若干交替叠加的第二MeN层和第一MeXN层，可有效降低膜层的内部应力，从而延长刀具的使用寿命。
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。
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，所述梯度层的厚度为100～2000nm，所述支撑层的厚度为100～5000nm，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、支撑层和功能层的总厚度为500～10000nm。
根据本发明的一些实施例，所述第二MeN层的厚度为5～50nm，所述第二MeN层和第一MeXN层的厚度比为1:(0.1～10)。
根据本发明的一些实施例，所述第二MeXN层中Me与X的原子比为1:(0.2～5)。
根据本发明第二方面实施例的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，在所述基体材料的表面沉积结合层；
S3：关闭Ar气体，保持Me金属靶开启，往炉腔中通入N2，调节N2气体通入量由0sccm开始呈线性逐步增加，在步骤S2沉积的结合层的上面沉积梯度层；
S4：保持N2气体通入量，轮流开启与关闭Me靶与MeX靶，在步骤S3沉积的梯度层的上面沉积支撑层；
S5：保持N2气体通入量，单独开启MeX靶，在步骤S4沉积的支撑层的上面沉积功能层；
S6：功能层沉积结束后，真空环境下随炉冷却至温度低于100℃，即得所述含梯度及纳米多层结构的涂层刀具。
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：
Vf＝k×t(1)，式(1)中k为常数，气体流量Vf与时间t呈正线性关系。
根据本发明的一些实施例，涂层刀具的制备方法步骤具体包括：
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～1.0×10-2Pa的真空度下，在200～500℃温度中加热1～3h；
S2：沉积结合层，炉腔中通入Ar气体，流量为30～60sccm，调节真空度为1.0×10- 4Pa～1.0×10-3Pa，启动Me金属靶，弧电流50～150A，偏压150～250V，占空比80～90％，在刀具基体表面沉积结合层；
S3：沉积梯度层，关闭Ar气体，Me金属靶保持开启，往炉腔中通入N2气体，调节N2气体通入量由0sccm开始呈线性逐步增加，在结合层的上面沉积梯度层，直到膜层厚度达到需求为止；
S4：沉积支撑层，保持N2气体通入量，Me靶与MeX靶轮流开启与关闭，在梯度层的上面沉积支撑层，需保证MeN与MeXN的单层厚度及两者的厚度比达到要求；
S5：沉积功能层，保持N2气体通入量，单独开启MeX靶，在支撑层的上面沉积功能层，需保证MeXN层的厚度达到要求；
S6：降温冷却，功能层沉积结束后，在真空环境下自然冷却，当温度降低到100℃以下时，打开真空腔门，取出刀具。
附图说明
图1是本发明实施例的含梯度及纳米多层结构的涂层刀具的结构示意图。
图2是本发明实施例的涂层刀具的支撑层结构示意图。
图3是本发明实施例的含梯度及纳米多层结构的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
本例提供了一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具，结构如图1所示，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30、支撑层40和功能层50；
结合层20含有过渡金属元素Me；
梯度层30为第一MeN层，第一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；
如图2所示，支撑层40含有若干交替叠加的第二MeN层410和第一MeXN层420；
功能层50为第二MeXN层；
过渡金属元素Me包括Cr、Ti和Zr中的至少一种。
元素X包括Al、Si中的至少一种。
过渡金属元素Me还包括V、W、Hf、Mo、Ni、Nb、Ru、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、碳钢、金属陶瓷中的至少一种。
结合层20的厚度为10～50nm，梯度层30的厚度为100～2000nm，支撑层40的厚度为100～5000nm，功能层50的厚度为200～5000nm。
结合层20、梯度层30、支撑层40和功能层50的总厚度为500～10000nm。
第二MeN层410的厚度为5～50nm，第二MeN层410和第一MeXN层420的厚度比为1:(0.1～10)。
第二MeXN层中Me与X的原子比为1:(0.2～5)。
实施例2
本例提供了涂层刀具的制备方法，流程如图3所示，具体步骤包括：
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～1.0×10-2Pa的真空度下，在200～500℃温度中加热1～3h；
S2：沉积结合层，炉腔中通入Ar气体，流量为30～60sccm，调节真空度为1.0×10- 4Pa～1.0×10-3Pa，启动Me金属靶，弧电流50～150A，偏压150～250V，占空比80～90％，在刀具基体表面沉积结合层；
S3：沉积梯度层，关闭Ar气体，Me金属靶保持开启，往炉腔中通入N2气体，调节N2气体通入量由0sccm开始呈线性逐步增加，在结合层的上面沉积梯度层，直到膜层厚度达到需求为止；
S4：沉积支撑层，保持N2气体通入量，Me靶与MeX靶轮流开启与关闭，在梯度层的上面沉积支撑层，需保证MeN与MeXN的单层厚度及两者的厚度比达到要求；
S5：沉积功能层，保持N2气体通入量，单独开启MeX靶，在支撑层的上面沉积功能层，需保证MeXN层的厚度达到要求；
S6：降温冷却，功能层沉积结束后，在真空环境下自然冷却，当温度降低到100℃以下时，打开真空腔门，取出刀具。
实施例3
本例采用实施例2的制备方法，制备了一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具，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100A，偏压200V，占空比85％，在刀具基体表面沉积结合层，厚度20nm；
S3：沉积梯度层，关闭Ar气体，Cr金属靶保持开启，往炉腔中通入N2气体，调节N2气体通入量由0sccm开始呈线性逐步增加，直到气体流量达到300sccm，在结合层的上面沉积梯度层，直到膜层厚度达到500nm；
S4：沉积支撑层，保持N2气体通入量，Cr靶与CrAl靶轮流开启与关闭，在梯度层的上面沉积支撑层，总厚度1000nm，其中CrN与CrAlN的单层厚度均为20nm，厚度比1：1；
S5：沉积功能层，保持N2气体通入量，单独开启CrAlSi靶，在支撑层的上面沉积功能层，需保证CrAlSiN层的厚度达到2000nm；
S6：降温冷却，功能层沉积结束后，在真空环境下自然冷却，当温度降低到100℃以下时，打开真空腔门，取出刀具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C1。本例的制备方法与实施例3相比，区别仅在于：步骤S4沉积支撑层时，保持N2气体通入量，只开启Cr靶，在梯度层的上面沉积支撑层，直至CrN厚度与实施例3的支撑层厚度相同。
对比例3
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C2。本例的制备方法与实施例3相比，区别仅在于：步骤S4沉积支撑层时，保持N2气体通入量，只开启CrAl靶，在梯度层的上面沉积支撑层，直至CrAlN厚度与实施例3的支撑层厚度相同。
检测例
本例测试了实施例3和对比例1～3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 BDA0002281618600000071
Figure BDA0002281618600000081

Claims (10)

1.一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具，其特征在于，所述涂层刀具包括
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(30)、支撑层(40)和功能层(50)；
所述结合层(20)含有过渡金属元素Me；
所述梯度层(30)为第一MeN层，所述第一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；
所述支撑层(40)含有若干交替叠加的第二MeN层(410)和第一MeXN层(420)；
所述功能层(50)为第二MeXN层；
所述过渡金属元素Me包括Cr、Ti和Zr中的至少一种；
所述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所述的涂层刀具，其特征在于，所述结合层(20)的厚度为10～50nm，所述梯度层(30)的厚度为100～2000nm，所述支撑层(40)的厚度为100～5000nm，所述功能层(50)的厚度为200～5000nm。
5.根据权利要求4所述的涂层刀具，其特征在于，所述结合层(20)、梯度层(30)、支撑层(40)和功能层(50)的总厚度为500～10000nm。
6.根据权利要求1所述的涂层刀具，其特征在于，所述第二MeN层(410)的厚度为5～50nm，所述第二MeN层(410)和第一MeXN层(420)的厚度比为1:(0.1～10)。
7.根据权利要求1所述的涂层刀具，其特征在于，所述第二MeXN层中Me与X的原子比为1:(0.2～5)。
8.根据权利要求1～7任一项所述的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气体通入量由0sccm开始呈线性逐步增加，在步骤S2沉积的结合层(20)的上面沉积梯度层(30)；
S4：保持N2气体通入量，轮流开启与关闭Me靶与MeX靶，在步骤S3沉积的梯度层(30)的上面沉积支撑层(40)；
S5：保持N2气体通入量，单独开启MeX靶，在步骤S4沉积的支撑层(40)的上面沉积功能层(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℃，即得所述含梯度及纳米多层结构的涂层刀具。
9.根据权利要求8所述的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。
10.根据权利要求8所述的涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤S3中，N2气体通入量的线性关系满足：
Vf＝k×t (1)，
式(1)中k为常数，气体流量Vf与时间t呈正线性关系。
CN201911143724.0A 2019-11-20 2019-11-20 一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法 Pending CN111041481A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911143724.0A CN111041481A (zh) 2019-11-20 2019-11-20 一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911143724.0A CN111041481A (zh) 2019-11-20 2019-11-20 一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111041481A true CN111041481A (zh) 2020-04-21

Family

ID=70232726

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911143724.0A Pending CN111041481A (zh) 2019-11-20 2019-11-20 一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111041481A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114574804A (zh) * 2022-03-03 2022-06-03 上海应用技术大学 一种TiCrWN高硬梯度复合涂层及其制备方法
CN114592166A (zh) * 2022-03-16 2022-06-07 株洲钻石切削刀具股份有限公司 含梯度复合结构的硬质涂层刀具及其制备方法
CN115058687A (zh) * 2022-06-13 2022-09-16 西南交通大学 一种刀具涂层及其制备方法
WO2023234831A1 (en) * 2022-06-02 2023-12-07 Husqvarna Ab Hybrid coating process by pvd and thermal diffusion

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1783244A1 (en) * 2005-11-02 2007-05-09 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho Hard films and sputtering targets for the deposition thereof
CN101700573A (zh) * 2009-11-09 2010-05-05 浙江汇锦梯尔镀层科技有限公司 一种高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具及制作方法
CN106283053A (zh) * 2016-08-31 2017-01-04 艾瑞森表面技术（苏州）股份有限公司 用于刀具的多层复合涂层、刀具及其制备方法
CN108823526A (zh) * 2018-07-06 2018-11-16 成都工业职业技术学院 一种纳米多层复合超硬刀具涂层及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1783244A1 (en) * 2005-11-02 2007-05-09 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho Hard films and sputtering targets for the deposition thereof
CN101700573A (zh) * 2009-11-09 2010-05-05 浙江汇锦梯尔镀层科技有限公司 一种高硬度高耐磨性磁性材料粉末成型模具及制作方法
CN106283053A (zh) * 2016-08-31 2017-01-04 艾瑞森表面技术（苏州）股份有限公司 用于刀具的多层复合涂层、刀具及其制备方法
CN108823526A (zh) * 2018-07-06 2018-11-16 成都工业职业技术学院 一种纳米多层复合超硬刀具涂层及其制备方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114574804A (zh) * 2022-03-03 2022-06-03 上海应用技术大学 一种TiCrWN高硬梯度复合涂层及其制备方法
CN114574804B (zh) * 2022-03-03 2023-04-11 上海应用技术大学 一种TiCrWN高硬梯度复合涂层的制备方法
CN114592166A (zh) * 2022-03-16 2022-06-07 株洲钻石切削刀具股份有限公司 含梯度复合结构的硬质涂层刀具及其制备方法
CN114592166B (zh) * 2022-03-16 2023-09-15 株洲钻石切削刀具股份有限公司 含梯度复合结构的硬质涂层刀具及其制备方法
WO2023234831A1 (en) * 2022-06-02 2023-12-07 Husqvarna Ab Hybrid coating process by pvd and thermal diffusion
CN115058687A (zh) * 2022-06-13 2022-09-16 西南交通大学 一种刀具涂层及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111041481A (zh) 一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法
US8309236B2 (en) Protective alumina film and production method thereof
CN105624618B (zh) TiAlSiZrN基复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法
CN107227441B (zh) 一种基于反应溅射迟滞效应的TiAlSiN涂层制备方法
CN104087898B (zh) 一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及制备方法
CN104213075A (zh) 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
CN112941462B (zh) 复合涂层刀具及其制备方法和应用
JP5395454B2 (ja) 表面被覆切削工具
CN106191791A (zh) 一种高温低摩擦CrAlSiON纳米复合涂层及其制备方法
IL209811A (en) Hard coating and method of forming
CN110777335A (zh) 耐温的碳涂层
WO2006125613A1 (en) Coating comprising layered structures of diamond like nanocomposite layers and diamond like carbon layers
CN102294854A (zh) 硬质涂层及其制备方法及具有该涂层的被覆件
CN104325738A (zh) 一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层及其制备方法
CN105088127A (zh) 一种涂层及其制备方法
CN109097743A (zh) 一种超硬W-Cr-Al-Ti-N纳米梯度多层膜及其制备方法
JP5416429B2 (ja) 表面被覆切削工具
CN110343993A (zh) 一种硬质合金表面处理方法及应用
CN107190229B (zh) 一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层及其制备方法
CN109576643A (zh) 一种TiSiVN多组元复合梯度刀具涂层及其制备方法
CN107604332B (zh) 一种纳米复合涂层结构及其制备方法
CN109576662B (zh) 一种基于pvd技术的块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷双向纳米梯度材料及其制备方法
JP4812274B2 (ja) 表面被覆切削工具
US20230398608A1 (en) Hard coating film for cutting tool
CN110760796A (zh) 一种含双梯度结构的多层涂层刀具及制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200421

RJ01 Rejection of invention patent application after publication