CN111188009B - 一种复合涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合涂层刀具及其制备方法，所述刀具包括刀具基体和在刀具基体上沉积的涂层，所述涂层由底层、中间层和表层组成，所述涂层总厚度为2～6μm；所述底层为TiAlN层，所述中间层为TiAlN层和NbN层交替沉积的周期性涂层，所述表层为NbN层。所述制备方法包括：用物理气相沉积法在刀具基体上沉积TiAlN底层，沉积厚度为0.2～2μm；在TiAlN底层上交替沉积TiAlN层和NbN层周期性涂层，沉积厚度为0.5～2μm；在周期性涂层上沉积NbN表层，沉积厚度为0.2～2.0μm。上述方法工艺简单、设备要求低、生产成本低，所得复合涂层刀具耐磨性好，使用寿命长，能够满足高速切削需求。

Description

一种复合涂层刀具及其制备方法
技术领域
本发明涉及切削刀具领域，特别涉及一种复合涂层刀具及其制备方法。
背景技术
不锈钢材料强度大、热导率低，在切削过程中切削力大、切削温度高、加工硬化严重，导致切削过程中刀具和不锈钢材料之间产生粘结、熔焊等粘刀现象，影响加工表面粗糙度，并导致刀具磨损严重。因此，如果能在刀具表面涂覆一层与不锈钢材料亲和性小的涂层材料，有利于减小刀具磨损，提高刀具寿命。
TiN涂层是应用最早和最广泛的刀具涂层材料，在TiN涂层的基础上，人们又开发出了性能更为优良的TiAlN、CrAlN、TiCN、TiSiN等刀具涂层。随着现代加工技术的发展，特别是高速高精度数控机床的加工向以车代磨、以铣代磨、以钻代铰的方向发展，对刀具提出了更高的要求，切削刀具要具有高耐磨性、高韧性和使用寿命长的优点。
发明内容
本发明提供了一种复合涂层刀具及其制备方法，其目的是为了改善涂层与基体的结合强度，提高刀具的耐磨性和使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种复合涂层刀具，包括刀具基体和在所述刀具基体上沉积的涂层，所述涂层由底层、中间层和表层组成，总厚度为2~6µm；所述底层为TiAlN层，所述中间层为TiAlN层和NbN层交替沉积的周期性涂层，所述表层为NbN层。
所述底层TiAlN底层在改善涂层与基体的结合强度的同时承担一定的切削耐磨功能的作用。
优选地，所述底层的TiAlN和所述中间层的TiAlN的化学成分相同，其中Al元素的原子百分数为0%~67%。
TiAlN中Al元素的原子百分数选择0%~67%，确保TiAlN涂层为单相立方结构。过高的Al含量会导致涂层由立方结构向六方结构转化从而降低涂层的力学性能。
优选地，所述中间层的厚度为0.5~2µm。
优选地，所述中间层的TiAlN层和NbN层共格生长。
优选地，所述中间层中TiAlN层和NbN层的单层厚度均为2~15nm。
TiAlN和NbN单层厚度过厚或者过薄，都有可能影响其界面的共格生长从而降低其界面强化效应。
优选地，所述底层的NbN层厚度为0.2~2µm。
优选地，所述表层的NbN层的厚度为0.2~2µm。
NbN表层的主要作用是利用其和不锈钢材料之间低的亲和性，降低刀具切削过程中和被加工材料（不锈钢）之间的扩散磨损。过薄厚均会影响NbN层在切削过程中对刀具的保护作用，而过厚则会影响整个涂层的的耐磨性。
本发明还提供一种上述复合涂层刀具的制备方法，包括如下步骤：
（1）在刀具基体上沉积TiAlN底层，沉积厚度为0.2~2µm；
（2）在TiAlN底层上交替沉积TiAlN层和NbN层周期性涂层，沉积厚度为0.5~2µm；
（3）在周期性涂层上沉积NbN表层，沉积厚度为0.2~2µm。
优选地，步骤（1）~（3）中沉积方法为物理气相沉积法。
优选地，步骤（1）~（3）中沉积TiAlN所用靶材为TiAl靶，沉积NbN所用靶材为Nb靶。
本发明结合目前刀具常用的涂层材料TiAlN和与不锈钢亲和性低的材料NbN，制备多层涂层，并通过层间界面的共格效应提高涂层的力学性能。
上述方案有如下的有益效果：
本发明首先采用TiAlN层改善涂层与基体的结合强度，然后通过高硬度的交替沉积TiAlN层和NbN层的多周期中间层来提高刀具的耐磨性，最后再在其表面沉积NbN表层，利用其和不锈钢材料之间低的亲和性，降低刀具切削过程中和被加工材料（不锈钢）之间的扩散磨损。本发明还针对该复合涂层刀具提供了一种工艺简单、设备要求低、生产成本低的复合涂层刀具的制备方法。通过本发明方法制备的复合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的多层涂层刀具的结构示意图；
附图说明：A，刀具基体；B，TiAlN底层；C，中间层；D，NbN表层；E，NbN单层（中间层）；F，TiAlN单层（中间层）。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
本实施例提供一种多层涂层刀具，其包括刀具基体和刀具基体上沉积的涂层，该涂层由三层组成：从刀具基体到涂层表面依次为底层TiAlN层、NbN/TiAlN多周期中间层和NbN表层。
上述的多层涂层刀具是通过以下物理气相沉积工艺制备得到：下面以硬质合金切削刀具为例说明实现本发明的技术方案：
（1）将硬质合金基体经过超声波清洗、Ar离子刻蚀等前处理；
（2）利用TiAl靶沉积TiAlN底层，涂层中的Al含量为0%~67%，厚度为0.2~2.0µm；
（3）采用TiAl靶和Nb靶多靶交替沉积TiAlN单层和NbN单层多周期（NbN/TiAlN）中间层，涂层的厚度为0.5~2.0µm，其中TiAlN单层的成分组成与TiAlN底层一致，TiAlN和NbN单层的厚度为2~15nm；
（4）利用Nb靶沉积NbN层，厚度为0.2~2.0µm。
实施例2
按实施例1的步骤首先将表1所示硬质合金刀片基体进行前处理，再采用物理气相沉积技术在刀具基体表面沉积2.0µm的Ti0.40Al0.60N底层；然后沉积NbN/Ti0.40Al0.60N多周期中间层，其中NbN单层厚度为15nm、Ti0.40Al0.60N单层厚度为10nm，经过20个周期，直至NbN/Ti0.40Al0.60N多周期中间层的总厚度为0.5µm；最后再沉积2.0µm的NbN表层。
对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积普通的TiAlN涂层，然后用本实施例2制得的多层涂层刀具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2的本发明产品与对照品的对比实验效果
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
表1 实施例2的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表1可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了88%。
实施例3
采用表2所示硬质合金刀片作为刀具基体，按实施例1的步骤首先将基体进行前处理，再采用物理气相沉积技术在刀具基体表面沉积0.2µm的Ti0.33Al0.67N底层；然后沉积NbN/Ti0.33Al0.67N多周期中间层，其中NbN单层厚度为5nm、Ti0.33Al0.67N单层厚度为15nm，经过80个周期，直至NbN/Ti0.33Al0.67N多周期中间层的总厚度为1.6µm；最后再沉积0.5µm的NbN表层。
对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积普通的TiAlN涂层，然后用本实施例3制得的多层涂层刀具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2所示：
表2 实施例3的本发明产品与对照品的对比实验效果
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
表2 实施例3的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表2可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了50%。
实施例4
采用表3所示硬质合金刀片作为刀具基体，按实施例1的步骤首先将基体进行前处理，再采用物理气相沉积技术在刀具基体表面沉积0.2µm的Ti0.50Al0.50N底层；然后沉积NbN/Ti0.50Al0.50N多周期中间层，其中NbN单层厚度为2nm、Ti0.50Al0.50N单层厚度为2nm，经过500个周期，直至NbN/Ti0.50Al0.50N多周期中间层的总厚度为2.0µm；最后再沉积0.2µm的NbN表层。
对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积普通的TiAlN涂层，然后用本实施例4制得的多层涂层刀具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3 实施例4的本发明产品与对照品的对比实验效果
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
表3 实施例4的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表3可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了63%。
实施例5
采用表4所示硬质合金刀片作为刀具基体，按实施例1的步骤首先将基体进行前处理，再采用物理气相沉积技术在刀具基体表面沉积1.0µm的Ti0.70Al0.30N底层；然后沉积NbN/Ti0.70Al0.30N多周期中间层，其中NbN单层厚度为5nm、Ti0.70Al0.30N单层厚度为2nm，经过200个周期，直至NbN/Ti0.70Al0.30N多周期中间层的总厚度为1.4µm；最后再沉积0.5µm的NbN表层。
对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积普通的TiAlN涂层，然后用本实施例5制得的多层涂层刀具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4 实施例5的本发明产品与对照品的对比实验效果
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
表4 实施例5的本发明产品与对照品的对比实验效果
由上表4可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在车削下的使用寿命比现有技术下的涂层刀具提高了38%。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复合涂层刀具，包括刀具基体和在所述刀具基体上沉积的涂层，其特征在于，所述涂层由底层、中间层和表层组成，所述涂层总厚度为2～6μm；所述底层为TiAlN层，所述中间层为TiAlN层和NbN层交替沉积的周期性涂层，所述表层为NbN层；
所述底层的TiAlN和所述中间层的TiAlN的化学成分相同，其中Al元素的原子百分数为0％～67％，但不包括0％；
所述中间层的TiAlN层和NbN层共格生长。
2.根据权利要求1所述复合涂层刀具，其特征在于，所述中间层的厚度为0.5～2μm。
3.根据权利要求1所述复合涂层刀具，其特征在于，所述中间层中TiAlN层和NbN层的单层厚度均为2～15nm。
4.根据权利要求1所述复合涂层刀具，其特征在于，所述底层的TiAlN层厚度为0.2～2μm。
5.根据权利要求1所述复合涂层刀具，其特征在于，所述表层的NbN层的厚度为0.2～2μm。
6.一种如权利要求1～5任意一项所述复合涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在刀具基体上沉积TiAlN底层，沉积厚度为0.2～2μm；
(2)在TiAlN底层上交替沉积TiAlN层和NbN层周期性涂层，沉积厚度为0.5～2μm；
(3)在周期性涂层上沉积NbN表层，沉积厚度为0.2～2μm。
7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，步骤(1)～(3)中沉积方法为物理气相沉积法。
8.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，步骤(1)～(3)中沉积TiAlN所用靶材为TiAl靶，沉积NbN所用靶材为Nb靶。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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