CN111910172A - 复合式涂层pcbn切削刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式涂层PCBN切削刀具及其制备方法，切削刀具包括PCBN刀具基体和涂覆于PCBN刀具基体上的复合式涂层，复合式涂层包括位于内层的A涂层和位于外层的B涂层，A涂层至少包括采用低压化学气相沉积方法制备的Al_xTi_1‑xC_yN_1‑y涂层，B涂层至少包括采用物理气相沉积方法制备的Ti_1‑a‑bAl_aMe_bN涂层。制备方法包括准备PCBN刀具基体、采用低压CVD工艺沉积Al_xTi_1‑xC_yN_1‑y涂层和采用PVD工艺沉积Ti_{1‑a‑ b}Al_aMe_bN涂层。本发明的切削刀具具有涂层与基体之间结合强度良好、耐磨性高、抗崩刃性优异等优点，刀具使用寿命长且稳定性好。

Description

复合式涂层PCBN切削刀具及其制备方法

技术领域

本发明属于切削刀具制备技术领域，涉及一种涂层PCBN切削刀具及其制备方法，尤其涉及一种复合式涂层PCBN切削刀具及其制备方法。

背景技术

PCBN(即聚晶立方氮化硼)是由CBN微粉和结合剂在高温高压下烧结而成的多晶材料。PCBN按制造复合方式分为整体PCBN烧结块和与硬质合金复合烧结的PCBN复合片两类。PCBN作为利用人工方法合成的硬度仅次于天然金刚石的新型刀具材料，是高速切削铁系金属最合适的刀具材料。

随着高速切削和干式切削技术的飞速发展，PCBN切削刀具的应用也越来越多，但也遇到了一些加工难题，比如在加工铁素体或合金元素含量较高的铁系金属时，PCBN切削刀具不仅要承受机械磨损，还有切削热引起的氧化、粘结和扩散磨损，这些都是造成PCBN切削刀具使用寿命低或不稳定的原因。

刀具的表面涂层对刀具性能的改善和切削加工技术的进步起关键作用，是提高刀具耐磨性、耐热性、抗崩刃性等性能的有效途径，涂层切削刀具已成为现代刀具的重要标志。因此，利用表面涂层进一步提高PCBN切削刀具性能的工作一直在进行。例如，在专利文献EP3511097A1中，公开了一种切削刀具及其生产制备方法，这种切削刀具包括基体和涂层膜，基体是CBN烧结材料，包括30vol％～80vol％的CBN和结合剂，涂层膜包括Ti_1-xAl_xC_1-aN_a，其中0.70≤x≤0.95和0＜a≤1，涂层膜是整体或部分具有氯化钠晶体结构。在专利文献CN103924211A中，公开了一种CVD涂覆的多晶CBN切削刀具，这种切削刀具包括一个PCBN基体以及一个粘附到该基体上的抛光涂层，抛光涂层包括通过化学气相沉积法制备的一个或多个Al₂O₃层，使用该切削刀具加工时，与工件接触区域具有小于600nm的表面粗糙度(Ra)。这些涂层PCBN切削刀具虽然在一定程度上提高了刀具使用寿命，但是仍然存在一些技术不足：PVD涂层PCBN切削刀具涂层与基体之间结合强度较差，在低刚性切削环境中，涂层易发生异常剥落，从而失去保护刀具的作用；CVD涂层PCBN切削刀具抗崩刃性较差，在断续切削环境中，刀具易发生崩刃，导致使用寿命低、稳定性差。因此，涂层PCBN切削刀具的研发工作仍然是本领域的重点和难点。

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，特别针对PVD涂层PCBN切削刀具涂层与基体之间结合强度较差，在低刚性切削环境中，涂层易发生异常剥落，从而失去保护刀具的作用，CVD涂层PCBN切削刀具抗崩刃性较差，在断续切削环境中，刀具易发生崩刃，导致使用寿命低、稳定性差等技术问题，提供一种相比于现有涂层具有与基体之间结合强度良好、高耐磨性和优异抗崩刃性的复合式涂层PCBN切削刀具，还相应提供一种工艺简单、设备要求低、生产成本低的复合式涂层PCBN切削刀具的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种复合式涂层PCBN切削刀具，包括PCBN刀具基体和涂覆于所述PCBN刀具基体上的复合式涂层，所述复合式涂层包括位于内层的A涂层和位于外层的B涂层，所述A涂层至少包括采用低压化学气相沉积方法(LP-CVD)制备的Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层，其中0.68≤x≤0.93，0≤y≤0.02，所述低压为2mbar～10mbar，所述B涂层至少包括采用物理气相沉积方法(PVD)制备的Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层，其中0.2≤a≤0.7，0≤b≤0.2，且0.2≤a+b≤0.7，Me为元素Ta、Si、Nb、Zr、Cr、Hf、Ru、Re和W中的一种或多种。

上述的复合式涂层PCBN切削刀具，优选的，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的厚度为3μm～15μm。

上述的复合式涂层PCBN切削刀具，优选的，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层具有(111)晶面择优织构取向，织构系数TC(111)≥1.8，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层呈纤维状的柱状晶结构，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的纳米硬度≥30GPa。

上述的复合式涂层PCBN切削刀具，优选的，所述Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层的厚度为1μm～10μm。

上述的复合式涂层PCBN切削刀具，优选的，所述Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层的晶体结构为面心立方结构，所述Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层的纳米硬度≥28GPa。

上述的复合式涂层PCBN切削刀具，优选的，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层与所述PCBN刀具基体之间还设有第一过渡硬质层，所述第一过渡硬质层包括采用CVD方法制成的TiN层和/或采用CVD方法制成的TiCN层，所述第一过渡硬质层的厚度为0.2μm～3μm，可提高PCBN刀具基体与Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的结合力。

上述的复合式涂层PCBN切削刀具，优选的，所述Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层与所述Al_xTi_{1- x}C_yN_1-y涂层之间还设有第二过渡硬质层，所述第二过渡硬质层包括采用PVD方法制成的TiN层和/或采用PVD方法制成的CrN层，所述第二过渡硬质层的厚度为50nm～100nm，可提高Ti_1-a-bAl_aMe_bN与Al_xTi_1-xC_yN_1-y两种涂层的结合力。

上述的复合式涂层PCBN切削刀具，优选的，所述PCBN刀具基体(1)主要由PCBN烧结体制备而成，所述PCBN烧结体包括整体PCBN烧结块或者与硬质合金复合烧结的PCBN复合片。

上述的复合式涂层PCBN切削刀具，优选的，所述整体PCBN烧结块包括30vol％～90vol％的CBN和10vol％～70vol％的结合剂，所述PCBN复合片由硬质合金衬底和CBN烧结体组成，所述CBN烧结体包括30vol％～90vol％的CBN和10vol％～70vol％的结合剂；所述CBN的平均晶粒度为0.5μm～10μm，所述结合剂包含至少一种含有铝的化合物或至少一种含有钛的化合物。整体PCBN烧结块、CBN烧结体还包括不可避免的杂质。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的复合式涂层PCBN切削刀具的制备方法，包括以下步骤：

(S1)准备PCBN刀具基体；

(S2)采用低压CVD工艺沉积Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层，工艺条件包括：以AlCl₃-TiCl₄-NH₃-H₂作为沉积气氛体系，沉积温度控制在700℃～900℃，沉积压力控制在2mbar～10mbar，控制所述沉积气氛体系中的AlCl₃与TiCl₄的气氛浓度比例为0.5～12，AlCl₃的气氛浓度为0.01vol％～12vol％，NH₃的气氛浓度为0.6vol％～1.4vol％，其余为H₂气体；

(S3)采用PVD工艺沉积Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层，工艺条件包括：i)在真空环境下，将沉积Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的基体加热至400℃～500℃，在高纯Ar气中对基体施加-60V～-100V的偏压，对其表面进行溅射刻蚀30min～60min；ii)在基体温度为400℃～500℃、基体偏压为-60V～-100V、高纯N₂气氛条件下进行Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层沉积，得到复合式涂层PCBN切削刀具。

上述的复合式涂层PCBN切削刀具的制备方法，优选的，在沉积所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层之前，先采用CVD工艺在所述PCBN刀具基体上沉积第一过渡硬质层。

上述的复合式涂层PCBN切削刀具的制备方法，优选的，在沉积所述Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层之前，先采用PVD工艺在所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层上沉积第二过渡硬质层。

本发明中，PCBN即聚晶立方氮化硼，CBN即立方氮化硼。

本发明制备方法的步骤(3)中，通常地，高纯Ar的纯度≥99.999％，高纯N₂的纯度≥99.999％，真空环境的真空度通常在2.5×10^-3Pa～3.5×10^-3Pa范围。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明通过低压CVD工艺方法(低压化学气相沉积方法)在PCBN刀具基体表面涂覆Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层，获得了高Al含量的立方Al_xTi_1-xC_yN_1-y相，Al含量比例(计量系数x)为0.68≤x≤0.93，C含量比例(计量系数y)为0≤y≤0.02，实现对性能产生不利影响的六方相AlN及不定型碳物相的有效控制。Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层的晶粒取向织构系数TC(111)≥1.8，纳米硬度达到30GPa以上，具有优异的耐磨性能。此外，Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层制备时沉积温度较高(700～900℃)，与PCBN刀具基体的结合以化学键合为主，因此与基体之间结合强度良好，避免了低刚性切削环境下涂层易发生异常剥落的问题，稳定持续发挥保护刀具的作用，延长刀具使用寿命。

(2)本发明通过PVD工艺方法(物理气相沉积方法)在Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层上沉积Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层，0.2≤a≤0.7，0≤b≤0.2，且0.2≤a+b≤0.7，Me为元素Ta、Si、Nb、Zr、Cr、Hf、Ru、Re、W中的一种或多种。Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层的晶体结构为面心立方结构，涂层纳米硬度≥28GPa，改善涂层的韧性及内应力，提高复合式涂层的抗崩刃性，实现复合式涂层PCBN切削刀具的耐磨性与抗崩刃性兼顾的表面改性，即使在断续切削环境中，刀具也不易发生崩刃，使用寿命高且稳定。

(3)本发明的复合式涂层PCBN切削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，通过该方法制备的复合式涂层PCBN切削刀具在低刚性或断续切削环境下加工淬硬钢等难加工材料时具备长久且稳定的刀具寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1的复合式涂层PCBN切削刀具的结构示意图。

图2为本发明实施例1中PCBN复合片的结构示意图。

图3为本发明实施例1中整体PCBN烧结体的结构示意图。

图例说明：

1、PCBN刀具基体；2、复合式涂层；3、第一过渡硬质层；4、Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层；5、第二过渡硬质层；6、Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层。

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

一种本发明的复合式涂层PCBN切削刀具，如图1所示，该刀具包括PCBN刀具基体1和涂覆于PCBN刀具基体1表面的复合式涂层2，复合式涂层2包括从内到外依次设置的第一过渡硬质层3、低压CVD方法制备的Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层4、第二过渡硬质层5和阴极弧PVD方法制备的Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6，Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层4中，x＝0.91，y＝0，Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6中，a＝0.3，b＝0.06，Me为元素Si，即Ti_1-a-bAl_aSi_bN。

本实施例中，第一过渡硬质层3为CVD方法制备的TiN层，第二过渡硬质层5为阴极弧PVD方法制备的TiN层。

本实施例中，复合式涂层总厚度为11.1μm，第一过渡硬质层3的厚度为1μm，Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层4的厚度为7μm，第二过渡硬质层5的厚度为100nm，Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6的厚度为3μm。

本实施例中，Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层4具有(111)晶面择优织构取向，织构系数TC(111)为2.9，Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层4呈纤维状的柱状晶结构，涂层纳米硬度为35GPa。

本实施例中，Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6的晶体结构为面心立方结构，Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6的纳米硬度为32GPa。

一种上述本实施例的复合式涂层PCBN切削刀具的制备方法，包括以下步骤：

(S1)制备PCBN刀具基体：

(1.1)将PCBN复合片采用电火花切割机按既定尺寸切割成PCBN小刀头，如图2所示，PCBN复合片是由CBN烧结体与硬质合金衬底组成，CBN烧结体包括CBN(颗粒)和结合剂，其中CBN(颗粒)含量分别为50vol％、60vol％、70vol％、80vol％和90vol％；

(1.2)采用电火花切割机按既定尺寸在硬质合金刀体刀尖部位切割出焊接槽；

(1.3)在真空焊接炉中使用Ag-Cu-Ti-In活性银焊料将PCBN小刀头焊接到硬质合金刀体上焊接槽内，其中活性银焊料的成分组成为Ag-59wt％、Cu-27.25wt％、Ti-1.25wt％和In-12.5wt％，焊接温度为800℃～830℃，焊接真空度10^-3Pa；

(1.4)接着将焊接好的刀具分别采用端面、周边磨削及刃口钝化，最终制作出ISO标准CNGA120408刀片，即本发明的不带涂层的PCBN刀具基体，也称为PCBN切削刀具1～5，化学成分如表1所示。

表1 PCBN切削刀具1～5化学成分组成

(1.5)将PCBN切削刀具1～5进行表面清洗干燥等预处理，得到待用的PCBN刀具基体；

(S2)采用CVD工艺方法在待用的PCBN刀具基体1～5上沉积TiN层，即第一过渡硬质层3，厚度为1μm。

(S3)采用低压CVD工艺方法在TiN层上沉积Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层4，x＝0.91，y＝0。该涂层纵向面为柱状晶结构，织构取向值TC(111)为2.9，纳米硬度值35GPa，涂层的厚度为7μm。具体工艺条件为：以AlCl₃-TiCl₄-NH₃-H₂作为沉积气氛体系，沉积温度控制在780℃，沉积压力控制为5mbar，AlCl₃的气氛浓度为0.5vol％，AlCl₃与TiCl₄的气氛浓度比例为10，NH₃的气氛浓度在1.1vol％，其余为H₂气体。

(S4)接着利用阴极弧PVD工艺方法在Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层4上沉积一层TiN层，即第二过渡硬质层5，厚度为100nm。

(S5)最后利用阴极弧PVD工艺方法在TiN层(即第二过渡硬质层5，)上沉积一层Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6中，其中Me为Si，a＝0.3，b＝0.06。该涂层的晶体结构为面心立方结构，纳米硬度值32GPa，涂层的总厚度为3μm。具体工艺条件为：i)在真空环境下将基体加热至450℃时，通入高纯Ar气，高纯Ar气的纯度≥99.999％，接着对基体施加-100V偏压进行溅射刻蚀处理35min，提高涂层结合力；ii)基体温度继续稳定在450℃，基体偏压变为-80V，同时通入高纯N₂气，高纯N₂气的纯度≥99.999％，进行最后的Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6沉积。至此最终得到本发明的复合式涂层PCBN切削刀具6～10。

对比例1：

对比例1与实施例1的刀具基体采用相同的PCBN切削刀具1～5，通过阴极弧PVD方法在PCBN刀具基体上沉积普通的Ti_0.64Al_0.3Si_0.06N涂层，涂层厚度为3μm，制成PVD涂层PCBN切削刀具11～15。

将本发明实施例1的复合式涂层PCBN切削刀具与对比例1的PVD涂层PCBN切削刀具进行淬硬钢车削加工，对比两种涂层PCBN切削刀具的使用寿命，结果如表2所示，切削测试条件：

工件材料：GCr15淬硬轴承钢，硬度为50～55HRC

加工方式：轻微断续端面车削

刀具型号：CNGA120408

冷却方式：无

切削速度：Vc＝100m/min

切削深度：ap＝0.2mm

切削进给量：f＝0.1mm/rev

刀具失效标准：后刀面磨损量V_b≥0.2mm，或刃口发生崩缺

表2本发明实施例1与对比例1的涂层PCBN切削刀具切削测试结果

由上表可见，对于同等CBN含量的PCBN刀具而言，涂覆复合式涂层比涂覆传统PVD涂层刀具使用寿命提高幅度都要更大。在刀具基体相同、切削参数相同的情况下，本发明的复合式涂层PCBN切削刀具的使用寿命比普通PVD涂层PCBN切削刀具提高了40～88％，其中PCBN刀具8较之PCBN刀具13的使用寿命提高了88％，提高幅度最大；PCBN刀具10较之PCBN刀具15的使用寿命提高了40％，提高幅度最小。

与此同时，普通PVD涂层PCBN刀具11～15在切削过程中都发生了涂层异常剥落，而涂覆复合式涂层的PCBN刀具6～10并没有发生涂层剥落问题，这就表明复合式涂层与刀具基体结合强度良好，在低刚性切削环境中也能长久、稳定地加工淬硬钢等难加工材料。

实施例2

一种本发明的复合式涂层PCBN切削刀具，如图1所示，该刀具包括PCBN刀具基体1和涂覆于PCBN刀具基体1表面的复合式涂层2，复合式涂层2从内到外依次包含第一过渡硬质层3、低压CVD方法制备的Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层4、第二过渡硬质层5和磁控溅射PVD方法制备的Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6，Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层4中，x＝0.83，y＝0.01，Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6中，a＝0.42，b＝0.08，Me为元素Si，即Ti_1-a-bAl_aSi_bN。

本实施例中，第一过渡硬质层3为CVD方法制备的TiN层，第二过渡硬质层5为磁控溅射PVD方法制备的TiN层。

本实施例中，复合式涂层总厚度为13.1μm，第一过渡硬质层3的厚度为1μm，Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层4的厚度为8μm，第二过渡硬质层5的厚度为100nm，Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6的厚度为4μm。

一种上述本实施例的复合式涂层PCBN切削刀具的制备方法，包括以下步骤：

(S1)制备PCBN刀具基体：

(1.1)将整体PCBN烧结块采用激光切割机按既定尺寸切割成PCBN块体，如图3所示，整体PCBN烧结块是由CBN烧结体组成，CBN烧结体是由CBN(颗粒)和结合剂组成，其中CBN(颗粒)含量为70vol％、80vol％和90vol％。

(1.2)对整体PCBN烧结块分别采用端面、周边磨削及刃口钝化，最终制作出ISO标准ONGN050404刀片，即本发明的不带涂层的PCBN刀具基体，也称为PCBN切削刀具16～18，化学成分如表3所示。

表3 PCBN切削刀具16～18化学成分组成

(1.3)将PCBN切削刀具16～18进行表面清洗干燥等预处理，得到待用的切削刀具基体；

(S2)采用CVD工艺方法在待用的PCBN切削刀具基体16～18上沉积TiN层，即第一过渡硬质层3，厚度为1μm。

(S3)采用低压CVD工艺方法在TiN层上沉积Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层，x＝0.83，y＝0.01。该涂层具有(111)晶面择优织构取向，织构取向值TC(111)为2.5，该涂层纵向面为柱状晶结构，纳米硬度值33GPa，涂层的厚度为8μm。具体工艺条件为：以AlCl₃-TiCl₄-NH₃-H₂作为沉积气氛体系，沉积温度控制在770℃，沉积压力控制为4mbar，AlCl₃的气氛浓度为0.6vol％，AlCl₃与TiCl₄的气氛浓度比例为5，NH₃的气氛浓度在1.1vol％，其余为H₂气体。

(S4)接着利用磁控溅射PVD工艺方法在Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层4上沉积一层TiN层，即第二过渡硬质层5，厚度为100nm。

(S5)最后利用磁控溅射PVD工艺方法在TiN层上沉积一层Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6中，其中Me为Si，a＝0.42，b＝0.08。该涂层的晶体结构为面心立方结构，纳米硬度值35GPa，涂层的总厚度为4μm。具体工艺条件为：i)在真空环境下将基体加热至460℃时，通入高纯Ar气，高纯Ar气的纯度≥99.999％，接着对基体施加-100V偏压进行溅射刻蚀处理30min；ii)然后基体温度继续稳定在460℃，基体偏压变为-75V，同时通入高纯N₂气，高纯N₂气的纯度≥99.999％，进行最后的Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层6沉积。至此最终得到本发明的复合式涂层PCBN切削刀具19～21。

对比例2：

对比例2与实施例2的刀具基体采用相同的PCBN切削刀具16～18，通过CVD方法按照以下顺序在PCBN刀具基体上沉积普通CVD涂层：TiN(0.7μm)+TiCN(4μm)+α-Al₂O₃(5μm)+TiN(1μm)，涂层总厚度为10.7μm，进而制成CVD涂层PCBN切削刀具22～24。

将本发明实施例2的复合式涂层PCBN切削刀具与对比例2的CVD涂层PCBN切削刀具进行淬硬钢断续车削加工，对比两种涂层PCBN切削刀具的使用寿命，结果如表4所示，切削测试条件：

工件材料：SKD11淬硬模具钢，硬度为60～63HRC

加工方式：外圆断续车削

刀具型号：DNGA150404

冷却方式：无

切削速度：Vc＝100m/min

切削深度：a_p＝0.3mm

切削进给量：f＝0.1mm/rev

刀具失效标准：后刀面磨损量V_b≥0.2mm，或刃口发生崩缺

表4本发明实施例2与对比例2的涂层PCBN切削刀具切削测试结果

由上表可见，在刀具基体相同、切削参数相同的情况下，本发明的复合式涂层PCBN切削刀具的使用寿命比普通CVD涂层PCBN切削刀具提高了82～129％，其中PCBN刀具19较之PCBN刀具22的使用寿命提高了129％，提高幅度最大；PCBN刀具21较之PCBN刀具24的使用寿命提高了82％，提高幅度最小。

与此同时，普通CVD涂层PCBN刀具22～24在切削过程中都是由于发生崩刃导致刀具提前失效，涂覆复合式涂层的PCBN刀具19～21都是正常磨损，并没有发生崩刃，这就表明复合式涂层确实能提高刀具的抗崩刃性，在断续切削环境中也能长久、稳定地加工淬硬钢等难加工材料。

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 (12)

1.一种复合式涂层PCBN切削刀具，其特征在于，包括PCBN刀具基体(1)和涂覆于所述PCBN刀具基体(1)上的复合式涂层(2)，所述复合式涂层(2)包括位于内层的A涂层和位于外层的B涂层，所述A涂层至少包括采用低压化学气相沉积方法制备的Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层(4)，其中0.68≤x≤0.93，0≤y≤0.02，所述低压为2mbar～10mbar，所述B涂层至少包括采用物理气相沉积方法制备的Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层(6)，其中0.2≤a≤0.7，0≤b≤0.2，且0.2≤a+b≤0.7，Me为元素Ta、Si、Nb、Zr、Cr、Hf、Ru、Re和W中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的复合式涂层PCBN切削刀具，其特征在于，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层(4)的厚度为3μm～15μm。

3.根据权利要求2所述的复合式涂层PCBN切削刀具，其特征在于，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层(4)具有(111)晶面择优织构取向，织构系数TC(111)≥1.8，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层(4)呈纤维状的柱状晶结构，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层(4)的纳米硬度≥30GPa。

4.根据权利要求1所述的复合式涂层PCBN切削刀具，其特征在于，所述Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层(6)的厚度为1μm～10μm。

5.根据权利要求4所述的复合式涂层PCBN切削刀具，其特征在于，所述Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层(6)的晶体结构为面心立方结构，所述Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层(6)的纳米硬度≥28GPa。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的复合式涂层PCBN切削刀具，其特征在于，所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层(4)与所述PCBN刀具基体(1)之间还设有第一过渡硬质层(3)，所述第一过渡硬质层(3)包括采用CVD方法制成的TiN层和/或采用CVD方法制成的TiCN层，所述第一过渡硬质层(3)的厚度为0.2μm～3μm。

7.根据权利要求6所述的复合式涂层PCBN切削刀具，其特征在于，所述Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层(6)与所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层(4)之间还设有第二过渡硬质层(5)，所述第二过渡硬质层(5)包括采用PVD方法制成的TiN层和/或采用PVD方法制成的CrN层，所述第二过渡硬质层(5)的厚度为50nm～100nm。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的复合式涂层PCBN切削刀具，其特征在于，所述PCBN刀具基体(1)主要由PCBN烧结体制备而成，所述PCBN烧结体包括整体PCBN烧结块或者与硬质合金复合烧结的PCBN复合片。

9.根据权利要求8所述的复合式涂层PCBN切削刀具，其特征在于，所述整体PCBN烧结块包括30vol％～90vol％的CBN和10vol％～70vol％的结合剂，所述PCBN复合片由硬质合金衬底和CBN烧结体组成，所述CBN烧结体包括30vol％～90vol％的CBN和10vol％～70vol％的结合剂；所述CBN的平均晶粒度为0.5μm～10μm，所述结合剂包含至少一种含有铝的化合物或至少一种含有钛的化合物。

10.一种如权利要求1～9中任一项所述的复合式涂层PCBN切削刀具的制备方法，包括以下步骤：

(S1)准备PCBN刀具基体(1)；

(S2)采用低压CVD工艺沉积Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层(4)，工艺条件包括：以AlCl₃-TiCl₄-NH₃-H₂作为沉积气氛体系，沉积温度控制在700℃～900℃，沉积压力控制在2mbar～10mbar，控制所述沉积气氛体系中的AlCl₃与TiCl₄的气氛浓度比例为0.5～12，AlCl₃的气氛浓度为0.01vol％～12vol％，NH₃的气氛浓度为0.6vol％～1.4vol％，其余为H₂气体；

(S3)采用PVD工艺沉积Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层(6)，工艺条件包括：i)在真空环境下，将沉积Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层(4)的基体加热至400℃～500℃，在高纯Ar气中对基体施加-60V～-100V的偏压，对其表面进行溅射刻蚀30min～60min；ii)在基体温度为400℃～500℃、基体偏压为-60V～-100V、高纯N₂气氛条件下进行Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层(6)沉积，得到复合式涂层PCBN切削刀具。

11.根据权利要求10所述的复合式涂层PCBN切削刀具的制备方法，其特征在于，在沉积所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层(4)之前，先采用CVD工艺在所述PCBN刀具基体(1)上沉积第一过渡硬质层(3)。

12.根据权利要求10或11所述的复合式涂层PCBN切削刀具的制备方法，其特征在于，在沉积所述Ti_1-a-bAl_aMe_bN涂层(6)之前，先采用PVD工艺在所述Al_xTi_1-xC_yN_1-y涂层(4)上沉积第二过渡硬质层(5)。

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