CN112941462A - 复合涂层刀具及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合涂层刀具及其制备方法和应用,复合涂层刀具包括刀具基体,刀具基体的表面设有依次层叠的金属氮化物层、金属氧氮化物梯度层和金属氧化物层;自金属氮化物层至金属氧化物层的方向上,金属氧氮化物梯度层的氧含量逐渐增大且小于金属氧化物层的氧含量。本发明的复合涂层刀具通过梯度结构,成功将刀具基体与氧化物涂层之间的结合问题转化成了刀具基体与氮化物、氮化物与氧氮化物、不同氧含量的氧氮化物之间以及氧氮化物与氧化物之间结合的问题。通过氧含量的逐渐变化将涂层之间热膨胀系数的差异控制在一个较小的范围内,从而在基体上制备出结合力良好的氧化物涂层,该复合涂层刀具具有强结合力、高抗冲击性和长久的切削寿命等优点。
Description
技术领域
本发明涉及刀具技术领域,特别是涉及一种复合涂层刀具及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国工业化进程的快速推进,各种难加工材料以及先进切削加工技术得到了广泛的应用,因此对于刀具的效率、精度、速度,寿命等提出了越来越严苛的要求。刀具表面涂层技术是应市场需求发展起来的一种优质表面改性技术,不仅有效地提高了刀具使用寿命,而且还大幅度地提高了机械加工效率。因此有计划、按步骤的发展涂层技术,不仅能促进我国切削刀具产品技术水平的提高,而且还可获得巨大的经济效益和社会效益。
氮化物涂层硬度高、韧性强,摩擦系数低且抗磨损性能优异,而刀具基体本身韧性好、强度高,涂层刀具能够将二者的优点进行有机的统一,显著提升了刀具的加工寿命以及效率。与传统切削加工不同,高速切削加工的切削温度通常为800℃~1000℃,因此对于涂层的高温性能要求异常苛刻。氧化物涂层在高温环境下具有良好的化学稳定性、硬度以及耐磨性,是未来涂层的刀具发展的重要方向之一。但是由于氧化物与基体材料之间热膨胀系数差别较大(如硬质合金的热膨胀系数为6×10-6/℃,氧化铝的热膨胀系数为8.5×10-6/℃),直接在刀具基体上沉积氧化物往往存在结合力差的问题。
发明内容
基于此,有必要提供一种具有强结合力、高抗冲击以及切削寿命长的优点的复合涂层刀具。
一种复合涂层刀具,包括刀具基体,所述刀具基体的表面设有依次层叠的金属氮化物层、金属氧氮化物梯度层和金属氧化物层;自所述金属氮化物层至所述金属氧化物层的方向上,所述金属氧氮化物梯度层的氧含量逐渐增大且小于所述金属氧化物层的氧含量。
本发明的复合涂层刀具通过金属氮化物层、金属氧氮化物梯度层和金属氧化物层的梯度结构,成功将刀具基体与氧化物涂层之间的结合问题转化成了刀具基体与氮化物、氮化物与氧氮化物、不同氧含量的氧氮化物之间以及氧氮化物与氧化物之间结合的问题。通过氧含量的逐渐变化将每层涂层之间热膨胀系数的差异控制在一个较小的范围内,减小了层与层之间的热应力,从而在刀具基体上制备出结合力良好的含氧化物涂层。因此,该复合涂层刀具具有强结合力、高耐磨性、高抗冲击性和长久的切削寿命等优点。此外,该体系涂层的层与层之间成分与结构相接近,因此减少了层间界面处的界面能,有利于形成共格或者半共格界面,对涂层力学性能及韧性提升有着积极作用,具有较好的经济效益。
在其中一个实施例中,所述金属氧氮化物梯度层的氧含量的变化幅度为5at.%~50at.%。
在其中一个实施例中,所述金属氧氮化物梯度层含有层叠的多个具有不同氧含量的金属氧氮化物层,每个所述金属氧氮化物层的厚度为0.1μm~2μm,相邻所述金属氧氮化物层的氧含量的变化幅度为5at.%~30at.%。
在其中一个实施例中,所述金属氮化物层的厚度为0.5μm~2μm,所述金属氧氮化物梯度层的厚度为0.5μm~2μm,所述金属氧化物层的厚度为0.5μm~2μm。
在其中一个实施例中,所述金属氮化物层中的金属氮化物的结构式为MeAlN或MeSiN,所述金属氧氮化物梯度层中的金属氧氮化物的结构式为MeAlON或MeSiON,其中Me为钛或铬;所述金属氧化物层中的金属氧化物的结构式为CrAlO或CrSiO。
在其中一个实施例中,所述金属氮化物层中的金属氮化物为氮化铝钛、氮化铝铬和氮化硅钛中的至少一种;
当所述金属氮化物为氮化铝钛时,各元素的原子百分比为铝15at.%~30at.%、钛15at.%~30at.%以及氮40at.%~55at.%;
当所述金属氮化物为氮化铝铬时,各元素的原子百分比为铝15at.%~30at.%、铬15at.%~30at.%以及氮40at.%~55at.%;
当所述金属氮化物为氮化硅钛时,各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、钛30at.%~40at.%以及氮45at.%~55at.%。
在其中一个实施例中,所述金属氧氮化物梯度层中的金属氧氮化物为氧氮化铝铬、氧氮化铝钛、氧氮化硅铬和氧氮化硅钛中的至少一种;
当所述金属氧氮化物为氧氮化铝铬时,各元素的原子百分比为铝15at.%~25at.%、铬15at.%~25at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量;
当所述金属氧氮化物为氧氮化铝钛时,各元素的原子百分比为铝15at.%~25at.%、钛15at.%~25at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量;
当所述金属氧氮化物为氧氮化硅铬时,各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、铬35at.%~45at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量;
当所述金属氧氮化物为氧氮化硅钛时,各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、钛35at.%~45at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量。
在其中一个实施例中,所述金属氧化物层中的金属氧化物为氧化铝铬和氧化硅铬中的至少一种;
当所述金属氧化物为氧化铝铬时,各元素的原子百分比为铝15at.%~25at.%、铬15at.%~25at.%以及氧55at.%~65at.%;
当所述金属氧化物为氧化硅铬时,各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、铬20at.%~40at.%以及氧55at.%~65at.%。
在其中一个实施例中,所述刀具基体的材料为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷和立方氮化硼中的一种或多种。
本发明还提供了上述复合涂层刀具的制备方法,包括以下步骤:
提供所述刀具基体;
在所述刀具基体上沉积所述金属氮化物层;
在所述金属氮化物层上沉积所述金属氧氮化物梯度层;
在所述金属氧氮化物梯度层上沉积所述金属氧化物层。
在其中一个实施例中,所述金属氮化物层、所述金属氧氮化物梯度层和所述金属氧化物层均通过物理气相沉积电弧离子镀法沉积;
所述金属氮化物层的沉积参数为:通入N2,调节气压至1.0Pa~4.0Pa,电弧靶的靶电流为80A~250A,沉积偏压为-40V~-150V;
所述金属氧氮化物梯度层的沉积参数为:通入N2和O2并调控N2和O2的压力比,电弧靶的靶电流为80A~250A,沉积偏压为-40V~-150V;
所述金属氧化物层的沉积参数为:通入O2,调节气压至0.6Pa~1.5Pa,电弧靶的靶电流为80A~250A,沉积偏压为-40V~-150V。
在其中一个实施例中,所述调控N2和O2的压力比包括以下步骤:在沉积过程中,调节O2和N2的压力比从1%~4%逐渐升高至28%~32%。
本发明还提供了上述复合涂层刀具在机械加工中的应用。
在其中一个实施例中,所述机械加工包括车削、铣削、钻削、镗削和磨削中的至少一种,所述机械加工的材料为碳素钢、铸铁或不锈钢。
附图说明
图1为本发明一实施例的复合涂层刀具的结构示意图;
图2为本发明实施例1的复合涂层刀具的扫描电镜图像;
图3为本发明实施例1的复合涂层刀具与单层氧化物涂层刀具的涂层结合力测试对比图;
图4为本发明实施例1的复合涂层刀具与单层氧化物涂层刀具的涂层力学性能对比图;
图5为本发明实施例1的复合涂层刀具与常规AlCrN涂层刀具的切削寿命对比图;
图6为本发明实施例3和实施例4两种复合涂层刀具的切削寿命对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示,本发明一实施方式的复合涂层刀具100,包括刀具基体10,刀具基体10的表面设有依次层叠的金属氮化物层20、金属氧氮化物梯度层30和金属氧化物层40。且自金属氮化物层20至金属氧化物层40的方向上,金属氧氮化物梯度层30的氧含量逐渐增大且小于金属氧化物层40的氧含量。
本发明的复合涂层刀具100通过金属氮化物层20、金属氧氮化物梯度层30和金属氧化物层40的梯度结构,成功将刀具基体10与氧化物涂层之间的结合问题转化成了刀具基体10与氮化物、氮化物与氧氮化物、不同氧含量的氧氮化物之间以及氧氮化物与氧化物之间结合的问题。通过氧含量的逐渐变化将每层涂层之间热膨胀系数的差异控制在一个较小的范围内,减小了层与层之间的热应力,从而在刀具基体10上制备出结合力良好的含氧化物涂层。因此,该复合涂层刀具100具有强结合力、高耐磨性、高抗冲击性和长久的切削寿命等优点。此外,该体系涂层的层与层之间成分与结构相接近,因此减少了层间界面处的界面能,有利于形成共格或者半共格界面,对涂层力学性能及韧性提升有着积极作用,具有较好的经济效益。
在一个具体示例中,金属氧氮化物梯度层30的氧含量的变化幅度为5at.%~50at.%。
在一个具体示例中,金属氧氮化物梯度层30含有层叠的多个具有不同氧含量的金属氧氮化物层31,每个金属氧氮化物层31的厚度为0.1μm~2μm,优选为0.1μm~0.5μm。可选地,金属氧氮化物梯度层30含有层叠的1~10个具有不同氧含量的金属氧氮化物层31,例如1层、3层、5层、7层等。
在一个具体示例中,相邻金属氧氮化物层31的氧含量的变化幅度为5at.%~30at.%,例如可以为5%、10%、15%、30%等。优选地,相邻金属氧氮化物层31的氧含量的变化幅度为5%~10%。
在一个具体示例中,金属氮化物层20的厚度为0.5μm~2μm,金属氧氮化物梯度层30的厚度为0.5μm~2μm,金属氧化物层40的厚度为0.5μm~2μm。例如金属氮化物层20的厚度可以为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm,金属氧氮化物梯度层30的厚度可以为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm,金属氧化物层40的厚度可以为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm,整个复合涂层的厚度可以为1.5μm、3μm、4.5μm、6μm。可以理解,金属氮化物层20、金属氧氮化物梯度层30和金属氧化物层40的厚度可以相同,也可以不同。优选地,金属氧氮化物梯度层30的厚度为0.8~1.2μm。
在一个具体示例中,金属氮化物层20中的金属氮化物为有硅或铝元素的过渡金属氮化物,例如MeAlN或MeSiN,其中Me为钛或铬。
在一个具体示例中,金属氧氮化物梯度层30中的金属氧氮化物为有硅或铝元素的过渡金属氧氮化物,例如MeAlON或MeSiON,其中Me为钛或铬。
在一个具体示例中,金属氧化物层40中的金属氧化物为有硅或铝元素的过渡金属氧化物,例如CrAlO或CrSiO。
在一个具体示例中,金属氮化物层20中的金属氮化物为氮化铝钛,氮化铝钛中各元素的原子百分比为铝15at.%~30at.%、钛15at.%~30at.%以及氮40at.%~55at.%。
在一个具体示例中,金属氮化物层20中的金属氮化物为氮化铝铬,氮化铝铬中各元素的原子百分比为铝15at.%~30at.%、铬15at.%~30at.%以及氮40at.%~55at.%。
在一个具体示例中,金属氮化物层20中的金属氮化物为氮化硅钛,氮化硅钛中各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、钛30at.%~40at.%以及氮45at.%~55at.%。
在一个具体示例中,金属氧氮化物梯度层30中的金属氧氮化物为氧氮化铝铬,氧氮化铝铬中各元素的原子百分比为铝15at.%~25at.%、铬15at.%~25at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量。
在一个具体示例中,金属氧氮化物梯度层30中的金属氧氮化物为氧氮化铝钛,氧氮化铝钛中各元素的原子百分比为铝15at.%~25at.%、钛15at.%~25at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量。
在一个具体示例中,金属氧氮化物梯度层30中的金属氧氮化物为氧氮化硅铬,氧氮化硅铬中各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、铬35at.%~45at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量。
在一个具体示例中,金属氧氮化物梯度层30中的金属氧氮化物为氧氮化硅钛,氧氮化硅钛中各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、钛35at.%~45at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量。
在一个具体示例中,金属氧化物层40中的金属氧化物为氧化铝铬,氧化铝铬中各元素的原子百分比为铝15at.%~25at.%、铬15at.%~25at.%以及氧55at.%~65at.%。
在一个具体示例中,金属氧化物层40中的金属氧化物为氧化硅铬,氧化硅铬中各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、铬20at.%~40at.%以及氧55at.%~65at.%。
在一个具体示例中,刀具基体的材料为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷和立方氮化硼中的一种或多种。在一个具体示例中,刀具基体的材料为硬质合金。
本发明一实施方式的上述复合涂层刀具100的制备方法,包括以下步骤S1~S4:
S1、提供刀具基体10。
S2、在刀具基体10上沉积金属氮化物层20。
S3、在金属氮化物层20上沉积金属氧氮化物梯度层30。
S4、在金属氧氮化物梯度层30上沉积所述金属氧化物层40。
本发明的制备方法具有制备工艺简单、可操作性强、可控性好、生产成本低的优异特性,通过金属氮化物层20、金属氧氮化物梯度层30和金属氧化物层40的梯度结构,成功将刀具基体10与氧化物涂层之间的结合问题转化成了刀具基体10与氮化物、氮化物与氧氮化物、不同氧含量的氧氮化物之间以及氧氮化物与氧化物之间结合的问题。通过氧含量的逐渐变化将每层涂层之间热膨胀系数的差异控制在一个较小的范围内,减小了层与层之间的热应力,从而在刀具基体10上制备出结合力良好的含氧化物涂层。因此,制备的复合涂层刀具100具有强结合力、高耐磨性、高抗冲击性和长久的切削寿命等优点。
在一个具体示例中,金属氮化物层20、金属氧氮化物梯度层30和金属氧化物层40均通过物理气相沉积电弧离子镀法沉积。
具体地,制备方法包括以下步骤:首先提供刀具基体10,对刀具基体10进行预处理,置于基体支架上;经物理气相沉积电弧离子镀法依次沉积金属氮化物层20、金属氧氮化物梯度层30和金属氧化物层40,通过调整沉积时间、靶材的电流来控制各层的厚度,其中金属氧氮化物梯度层30中氧含量的梯度变化通过调整反应气体N2和O2的比例以及靶材的电流来实现。可以理解,沉积方法不限于此,其他沉积方法可根据需要选择。
在一个具体示例中,对刀具基体10进行预处理的步骤包括:在非氧化气氛下采用离子源对刀具基体10进行刻蚀以去除刀具基体10表面的杂质及氧化层。可选地,上述非氧化气氛为惰性气体气氛或氮气气氛,惰性气体为氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)或氙(Xe)中的一种或多种。如此,通过对刀具基体10进行预处理刻蚀除去基体表面的杂质及氧化层,可以增强刀具基体10与金属氮化物层20之间的结合力。
在一个具体示例中,上述刻蚀的条件包括:离子源电流100A~200A,离子源偏压-100V~-300V,离子源气压1.0Pa~4.0Pa。可选地,刻蚀的条件还包括:刻蚀时间20min~50min。
在一个具体示例中,金属氮化物层20的沉积时间为10min~100min,金属氧氮化物梯度层30的沉积时间为10min~80min,金属氧化物层40的沉积时间为5min~60min。
在一个具体示例中,金属氮化物层20的沉积参数为:通入N2,调节气压至1.0Pa~4.0Pa,电弧靶的靶电流为80A~250A,沉积偏压为-40V~-150V。
在一个具体示例中,金属氧氮化物梯度层30的沉积参数为:通入N2和O2并调控N2和O2的压力比,电弧靶的靶电流为80A~250A,沉积偏压为-40V~-150V。
在一个具体示例中,金属氧化物层40的沉积参数为:通入O2,调节气压至0.6Pa~1.5Pa,电弧靶的靶电流为80A~250A,沉积偏压为-40V~-150V。
本发明还提供了上述复合涂层刀具100在机械加工中的应用。可选地,复合涂层刀具100应用于碳素钢(例如中低碳钢)、铸铁或不锈钢的机械加工。可选地,上述机械加工包括车削、铣削、钻削、镗削和磨削中的至少一种。
以下为具体实施例。
实施例1
将硬质合金刀具基体进行超声清洗、烘干后,送入涂层炉中,并通入氩气。在电流为150A、偏压为-300V以及气压为3.0Pa的条件下,采用离子源对刀具基体进行离子刻蚀,刻蚀时间为30min。
之后通入N2,打开TiAl靶,在靶材电流为250A、偏压为-80V、气压为2.0Pa的条件下沉积2μm厚的TiAlN金属氮化物层,沉积时间为100min;接着关闭TiAl靶,通入O2,打开AlCr靶,在气压为3.0Pa、偏压为-80V、靶电流为150A的条件下沉积AlCrON金属氧氮化物梯度层,将O2和N2的压力比分三个阶段依次调整为6%、18%、30%,维持在每个阶段沉积涂层15min,如此可获得具有3个氧含量梯度的金属氧氮化物层,每个金属氧氮化物层的厚度为0.3μm,金属氧氮化物梯度层的总厚度为0.9μm。最后关闭N2,调整O2流量使气压维持在1.5Pa,在靶电流为150A,偏压为-80V的条件下沉积顶部的AlCrO金属氧化物层,沉积时间为30min,厚度为1μm。
经过上述步骤可沉积多层结构的含氧化物涂层,如图2所示。TiAlN层的各元素原子百分比为Al:24at.%,Ti:25at.%,N:51at.%;第一层AlCrON层中各个元素原子百分比为Al:20at.%,Cr:20at.%,N:45at.%,O:15at.%,之后各AlCrON层中Al和Cr元素含量不变,氧含量依次增加,氮含量依次减少,相邻每层氧含量变化幅度为15%,即氧含量依次为15at.%、30at.%、45at.%;AlCrO层中各元素原子百分比为Al:15at.%,Cr:25at.%,O:60at.%。
将实施例1的复合涂层刀具和仅含单层AlCrO涂层的刀具进行涂层结合力测试,结果如图3所示。由图可知,单层AlCrO涂层在加载力为30N时就出现了剥落现象,而当加载力增加到75N时,复合涂层刀具的含氧化物复合涂层才开始出现剥落现象,说明多层梯度结构能够保证涂层与刀具基体良好的结合力,满足切削加工中对涂层结合力的要求。
将实施例1的复合涂层刀具和仅含单层AlCrO涂层的刀具进行涂层力学性能测试,结果如图4所示。由图可知,实施例1的复合涂层刀具的含氧化物复合涂层的硬度及H/E值相比于单层氧化物涂层而言有着明显的提升,这说明本发明复合涂层的韧性优异。
将实施例1的复合涂层刀具和仅含单层AlCrN涂层的刀具进行切削寿命测试,结果如图5所示。由图可知,当具有厚度为4μm常规AlCrN涂层的刀具与实施例1具有厚度为4μm的复合涂层刀具分别切削304不锈钢时,复合涂层刀具的切削寿命是具有常规AlCrN涂层刀具的160%,说明通过本发明的多层梯度结构能够有效地提高氧化物涂层的结合力,充分发挥氧化物涂层耐热隔热的作用,从而实现长寿命切削。
实施例2
将硬质合金刀具基体进行超声清洗、烘干后,送入涂层炉中,并通入氩气。在电流为200A、偏压为-200V以及气压为4.0Pa的条件下,采用离子源对刀具基体进行离子刻蚀,刻蚀时间为20min。
之后通入N2,打开CrAl靶,在靶材电流为180A、偏压为-50V、气压为3.0Pa的条件下沉积2μm厚的CrAlN金属氮化物层,沉积时间为100min;接着通入O2,在气压为2.0Pa、偏压为-100V、靶电流为180A的条件下沉积AlCrON金属氧氮化物梯度层,将O2和N2的压力比分6个阶段依次调整为2%、6%、10%、14%、18%、22%,维持在每个阶段沉积涂层10min,如此可获得具有6个氧含量梯度的金属氧氮化物层,每个金属氧氮化物层的厚度为0.2μm,金属氧氮化物梯度层的总厚度为1.2μm。最后关闭N2和AlCr靶,打开CrSi靶,调整O2流量使气压维持在1.0Pa,在靶电流为120A,偏压为-100V的条件下沉积顶部的CrSiO金属氧化物层,沉积时间为60min,厚度为2μm。
AlCrN层的各元素原子百分比为Al:25at.%,Cr:20at.%,N:55at.%;第一层AlCrON层中各元素原子百分比为Al:25at.%,Cr:20at.%,N:47at.%,O:8at.%,之后各AlCrON层中Al和Cr元素含量不变,氧含量依次增加,氮含量依次减少,相邻每层氧含量变化幅度为8at.%,即氧含量依次为8at.%、16at.%、24at.%、32at.%、40at.%、48at.%;CrSiO层中各元素原子百分比为Cr:20at.%,Si:15at.%,O:65at.%。
实施例3
将硬质合金刀具基体进行超声清洗、烘干后,送入涂层炉中,并通入氩气。在电流为100A、偏压为-250V以及气压为1.5Pa的条件下,采用离子源对刀具基体进行离子刻蚀,刻蚀时间为45min。
之后通入N2,打开TiAl靶,在靶材电流为120A、偏压为-150V、气压为3.0Pa的条件下沉积1.5μm厚的TiAlN金属氮化物层,沉积时间为80min;接着通入O2,在气压为2.0Pa、偏压为-120V、靶电流为150A的条件下沉积TiAlON金属氧氮化物梯度层,将O2和N2的压力比分5个阶段依次调整为4%、8%、12%、16%、20%,维持在每个阶段沉积涂层20min,如此可获得具有5个氧含量梯度的金属氧氮化物层,每个金属氧氮化物层的厚度为0.3μm,金属氧氮化物梯度层的总厚度为1.5μm。最后关闭N2和TiAl靶,打开AlCr靶,调整O2流量使气压维持在2.0Pa,在靶电流为150A,偏压为-60V的条件下沉积顶部的AlCrO金属氧化物层,沉积时间为45min,厚度为1.5μm。
TiAlN层的各元素原子百分比为Al:20at.%,Ti:25at.%,N:55at.%;第一层TiAlON层中各元素原子百分比为Al:20at.%,Ti:25at.%,N:45at.%,O:10at.%,之后各TiAlON层中Al和Ti元素含量不变,氧含量依次增加,氮含量依次减少,相邻每层氧含量变化幅度为10at.%,即氧含量依次为10at.%、20at.%、30at.%、40at.%、50at.%;AlCrO层中各个元素原子百分比为Cr:25at.%,Al:15at.%,O:60at.%。
实施例4
本实施例与实施例3基本相同,区别仅在于进一步优化了氧氮化物梯度层中相邻两层氧含量的变化幅度以及梯度层的厚度,具体的沉积过程如下,同时通入N2和O2,在总气压为2.0Pa、偏压为-120V、靶电流为150A的条件下沉积TiAlON金属氧氮化物梯度层,将O2和N2的压力比分10个阶段依次调整为2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%,维持在每个阶段沉积涂层10min,如此可获得具有10个氧含量梯度的金属氧氮化物层,每个金属氧氮化物层的厚度约为0.1μm,金属氧氮化物梯度层的总厚度为1.0μm。最后关闭N2和TiAl靶,打开AlCr靶,调整O2流量使气压维持在2.0Pa,在靶电流为150A,偏压为-60V的条件下沉积顶部的AlCrO金属氧化物层,沉积时间为45min,厚度为1.5μm。
TiAlN层的各元素原子百分比为Al:20at.%,Ti:25at.%,N:55at.%;第一层TiAlON层中各元素原子百分比为Al:30at.%,Ti:15at.%,N:45at.%,O:5at.%,之后各TiAlON层中Al和Ti元素含量不变,氧含量依次增加,氮含量依次减少,相邻每层氧含量变化幅度为5at.%,即氧含量依次为5at.%、10at.%、15at.%、20at.%、25at.%、30at.%、35at.%、40at.%、45at.%、50at.%;AlCrO层中各个元素原子百分比为Cr:25at.%,Al:15at.%,O:60at.%。
将实施例3和实施例4的多层复合涂层刀具进行干式切削寿命测试,结果如图6所示。由图可知,通过进一步优化的过渡层相邻层的变化梯度和梯度层厚度,复合涂层刀具切削灰铸铁HT100的性能获得了26%的提升,说明合理的设置和优化金属氧氮化物梯度层中氧含量的变化梯度及梯度层的整理厚度,有助于充分发挥金属氧化物和金属氮化物复合多层涂层的切削性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (14)
1.一种复合涂层刀具,其特征在于,包括刀具基体,所述刀具基体的表面设有依次层叠的金属氮化物层、金属氧氮化物梯度层和金属氧化物层;自所述金属氮化物层至所述金属氧化物层的方向上,所述金属氧氮化物梯度层的氧含量逐渐增大且小于所述金属氧化物层的氧含量。
2.根据权利要求1所述的复合涂层刀具,其特征在于,所述金属氧氮化物梯度层的氧含量的变化幅度为5at.%~50at.%。
3.根据权利要求2所述的复合涂层刀具,其特征在于,所述金属氧氮化物梯度层含有层叠的多个具有不同氧含量的金属氧氮化物层,每个所述金属氧氮化物层的厚度为0.1μm~2μm,相邻所述金属氧氮化物层的氧含量的变化幅度为5at.%~30at.%。
4.根据权利要求1所述的复合涂层刀具,其特征在于,所述金属氮化物层的厚度为0.5μm~2μm,所述金属氧氮化物梯度层的厚度为0.5μm~2μm,所述金属氧化物层的厚度为0.5μm~2μm。
5.根据权利要求1所述的复合涂层刀具,其特征在于,所述金属氮化物层中的金属氮化物的结构式为MeAlN或MeSiN,所述金属氧氮化物梯度层中的金属氧氮化物的结构式为MeAlON或MeSiON,其中Me为钛或铬;所述金属氧化物层中的金属氧化物的结构式为CrAlO或CrSiO。
6.根据权利要求1所述的复合涂层刀具,其特征在于,所述金属氮化物层中的金属氮化物为氮化铝钛、氮化铝铬和氮化硅钛中的至少一种;
当所述金属氮化物为氮化铝钛时,各元素的原子百分比为铝15at.%~30at.%、钛15at.%~30at.%以及氮40at.%~55at.%;
当所述金属氮化物为氮化铝铬时,各元素的原子百分比为铝15at.%~30at.%、铬15at.%~30at.%以及氮40at.%~55at.%;
当所述金属氮化物为氮化硅钛时,各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、钛30at.%~40at.%以及氮45at.%~55at.%。
7.根据权利要求1所述的复合涂层刀具,其特征在于,所述金属氧氮化物梯度层中的金属氧氮化物为氧氮化铝铬、氧氮化铝钛、氧氮化硅铬和氧氮化硅钛中的至少一种;
当所述金属氧氮化物为氧氮化铝铬时,各元素的原子百分比为铝15at.%~25at.%、铬15at.%~25at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量;
当所述金属氧氮化物为氧氮化铝钛时,各元素的原子百分比为铝15at.%~25at.%、钛15at.%~25at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量;
当所述金属氧氮化物为氧氮化硅铬时,各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、铬35at.%~45at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量;
当所述金属氧氮化物为氧氮化硅钛时,各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、钛35at.%~45at.%、氧5at.%~50at.%以及氮余量。
8.根据权利要求1所述的复合涂层刀具,其特征在于,所述金属氧化物层中的金属氧化物为氧化铝铬和氧化硅铬中的至少一种;
当所述金属氧化物为氧化铝铬时,各元素的原子百分比为铝15at.%~25at.%、铬15at.%~25at.%以及氧55at.%~65at.%;
当所述金属氧化物为氧化硅铬时,各元素的原子百分比为硅5at.%~15at.%、铬20at.%~40at.%以及氧55at.%~65at.%。
9.根据权利要求1~8任一项所述的复合涂层刀具,其特征在于,所述刀具基体的材料为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷和立方氮化硼中的一种或多种。
10.一种权利要求1~9任一项所述的复合涂层刀具的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
提供所述刀具基体;
在所述刀具基体上沉积所述金属氮化物层;
在所述金属氮化物层上沉积所述金属氧氮化物梯度层;
在所述金属氧氮化物梯度层上沉积所述金属氧化物层。
11.根据权利要求10所述的制备方法,其特征在于,所述金属氮化物层、所述金属氧氮化物梯度层和所述金属氧化物层均通过物理气相沉积电弧离子镀法沉积;
所述金属氮化物层的沉积参数为:通入N2,调节气压至1.0Pa~4.0Pa,电弧靶的靶电流为80A~250A,沉积偏压为-40V~-150V;
所述金属氧氮化物梯度层的沉积参数为:通入N2和O2并调控N2和O2的压力比,电弧靶的靶电流为80A~250A,沉积偏压为-40V~-150V;
所述金属氧化物层的沉积参数为:通入O2,调节气压至0.6Pa~1.5Pa,电弧靶的靶电流为80A~180A,沉积偏压为-40V~-150V。
12.根据权利要求11所述的制备方法,其特征在于,所述调控N2和O2的压力比包括以下步骤:在沉积过程中,调节O2和N2的压力比从1%~4%逐渐升高至28%~32%。
13.权利要求1~9任一项所述的复合涂层刀具在机械加工中的应用。
14.根据权利要求13所述的应用,其特征在于,所述机械加工包括车削、铣削、钻削、镗削和磨削中的至少一种,所述机械加工的材料为碳素钢、铸铁或不锈钢。
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