CN114622161A - 一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法 - Google Patents
一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114622161A CN114622161A CN202210275606.0A CN202210275606A CN114622161A CN 114622161 A CN114622161 A CN 114622161A CN 202210275606 A CN202210275606 A CN 202210275606A CN 114622161 A CN114622161 A CN 114622161A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- coating
- thickness
- periodic
- cutting tool
- 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.)
- Granted
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 215
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 199
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 title claims abstract description 78
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 63
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 44
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 244
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 27
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 24
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 22
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 15
- 239000002103 nanocoating Substances 0.000 claims description 15
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 12
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- 238000004043 dyeing Methods 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 11
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 11
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 19
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 14
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 10
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 9
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 9
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 9
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 9
- 239000002052 molecular layer Substances 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 229910010037 TiAlN Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 4
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 3
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008482 TiSiN Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- QRXWMOHMRWLFEY-UHFFFAOYSA-N isoniazide Chemical compound NNC(=O)C1=CC=NC=C1 QRXWMOHMRWLFEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000037452 priming Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000004901 spalling Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 transition metal nitride Chemical class 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
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
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
-
- 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
-
- 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
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
- C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
- C23C14/325—Electric arc evaporation
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
Abstract
本发明提供了一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法，所述刀具包括基体和沉积在所述刀具表面的涂层，所述涂层包含依次层叠的第一层、第二层和第三层，其中，所述第一层与所述基体至少一侧表面相连接，所述第一层为AlaTi1‑aN层；所述第二层为周期性涂层，单独一个周期由依次层叠的A层、B层和C层组成；所述第三层为AlaTi1‑aN、TibSi1‑bN之间的一种或两种组成的染色层。所述含有周期性涂层的刀具具有较好的韧性，同时耐磨性高，具有优异的高温抗氧化性能力，且涂层与基体之间表现出良好的结合强度，具有较好的市场运用前景。
Description
技术领域
本发明涉及刀具涂层技术，尤其是一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法。
背景技术
切削工具通常具有利用物理气相沉积(PVD)或者化学气相沉积(CVD)沉积的涂层，通过涂层以增加工具的寿命，一般地，切削工具采用的涂层是Ti、Al、Cr的氮化物。
其中，TiAlN涂层具有高硬度和热稳定性好等优良性能，是目前应用最为普遍的切削刀具涂层材料之一。但TiAlN涂层的抗氧化温度较低，不能满足目前高速切削技术发展的需求。
为了进一步改善涂层的高温性能，TiAlN涂层的多元合金化是改善切削刀具用涂层性能的有效途径。例如，在TiAlN涂层中添加Si元素，可显著提升涂层的高温抗氧化性能和热稳定性，受到广泛关注，并逐步在刀具涂层上取得应用。
具体的，TiSiN纳米复合涂层通过在传统的TiN单相涂层中加入一定含量的Si元素，发生热力学上的调幅分解，生成由1-2各地非晶原子层(Si3N4)包覆纳米晶过渡金属氮化物的骨架式纳米复合结构，由于纳米晶体的强化效应及非晶层限制晶粒的滑移和转动对纳米晶晶界的强化作用。涂层表现出传统硬质涂层难以达到的高硬度，而且涂层高温下的组织稳定性、热硬性和抗氧化性等性能也大幅度提高。
然而，Si的加入使涂层的应力急剧增加，降低了涂层与基体的结合强度，显著影响其使用性能。它们还可能是脆性的，当被沉积到具有高韧度的基材上以及被沉积到具有锐利几何形状的基材上时，这可能引起问题，例如剥落。如果所述涂层还具有高的残留压缩应力，则所述剥落将更严重，特别是在钻具上的刃口、拐角等周围处。
为适应于高速切削条件下对涂层性能的苛刻要求，有必要设计并制备一种具有更高硬度和耐磨性的多层纳米复合涂层刀具。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种含有周期性涂层的刀具，从刀具基体往外，第一层为AlaTi1-aN层，第二层为包含AlaTi1-aN层、AlaTi1-aN/TibSi1-bN纳米叠层、TibSi1-bN纳米涂层组成一个周期的多周期复合功能层，第三层为AlaTi1-aN、TibSi1-bN之间的一种或两种组成的染色层。
发明人认为，两种材料以纳米量级交替沉积形成的纳米多层涂层中，存在着硬度异常升高的超硬效应。此类涂层由两种剪切模量不同的材料组成，借助于界面对位错移动及裂纹扩展的阻滞作用，可使涂层的硬度、弹性模量和断裂强度等力学性能显著提高。
其中多层涂层是由两种或两种以上成分或结构不同的材料在垂直于涂层表面方向上相互交替生长而形成的二维多层材料，对于两种不同结构或组成的多层涂层，每相邻两层形成一个基本单元，其厚度称为调制周期。
本发明中，第二层是一个功能层，通过“A层到B层到C层”循环形成为一个多周期涂层。其中，A层AlaTi1-aN层具有高达800°的使用温度和高韧性，在高温下可以形成阻止进一步氧化的氧化铝薄膜。B层AlaTi1-aN*n/TibSi1-bN纳米叠层不仅可以使多层结构的纳米复合刀具涂层具有良好的抗裂纹扩展性，还可以使多层结构的纳米复合刀具涂层在高温下保持较高的硬度和高的抗氧化性。C层TibSi1-bN容易形成非晶Si3N4包裹TiN纳米晶的纳米复合结构涂层使涂层保持高硬度、优异的高温抗氧化能力及高温稳定性能。“A层到B层到C层”多周期涂层可通过其层间界面释放涂层的生长应力，进而改善复合涂层与刀具基体的结合强度。
本发明还提供一种含有周期性涂层的刀具的制备方法，是采用硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面预处理，然后采用物理气相沉积方式，按照设计结构，以Ti1-aAla、TibSi1-b为靶材在基体表面沉积相应涂层。
最后，本发明还保护所述周期性涂层的刀具在高速切削领域的应用。
具体方案如下：
一种含有周期性涂层的刀具，所述刀具包括基体和沉积在所述刀具表面的涂层，所述涂层包含依次层叠的第一层、第二层和第三层，
其中，所述第一层与所述基体至少一侧表面相连接，所述第一层为AlaTi1-aN层；
所述第二层为周期性涂层，单独一个周期由依次层叠的A层、B层和C层组成，并且，在一个周期内的所述A层相对所述B层更加靠近所述基体，所述A层为Ti1-aAlaN层，所述B层为Ti1-aAlaN*n/TibSi1-bN纳米叠层，即Ti1-aAlaN、TibSi1-bN同时沉积在所述A层表面，且沉积采用的AlaTi1-a靶材为TibSi1-b靶材总重的n倍；所述C层为TibSi1-bN层；
所述第三层为AlaTi1-aN、TibSi1-bN之间的一种或两种组成的染色层；
上述化学式中，字母各自独立地为：a＝0.4-0.8，b＝0.6-0.9，n＝1-5。
进一步的，所述基体为硬质合金基体，所述硬质合金基体包含以WC为基础的硬质相、以Co为基础的粘结相和以取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物；
任选的，所述涂层的厚度为1-10um，优选为2-8um。
进一步的，所述第一层厚度为0.1-3um，优选为0.5-2.5um。
进一步的，所述第二层厚度为0.8-5um，优选为1-4um；
任选的，所述第三层厚度为0.1-2um，优选为0.2-1.5um。
进一步的，所述第二层包含1-20个周期，每个周期形成的涂层厚度为0.1-2um，优选为0.2-1.5um。
进一步的，单独一个周期内涂层厚度各自独立地为：所述A层的厚度为0.01-1um，所述B层的厚度为0.01-1um，所述C层的厚度为0.01-0.8um，优选地，所述A层的厚度为0.05-1um，所述B层的厚度为0.1-1um，所述C层的厚度为0.03-0.5um。
任选的，所述B层中Ti1-aAlaN纳米涂层的厚度为2-100nm，TibSi1-bN纳米涂层的厚度为2-100nm。
本发明还保护所述含有周期性涂层的刀具的制备方法，包括：采用硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面预处理，然后采用物理气相沉积方式，按照设计结构，以Ti1- aAla、TibSi1-b为靶材在基体表面依次沉积相应涂层。
进一步的，所述物理气相沉积方式包括：通入N2气体，调整镀膜压力为0.8-6Pa，刀具基体负偏压为40V-160V，弧电流为80-200A，涂层温度为400-600℃。
本发明还保护所述含有周期性涂层的刀具在高速切削领域的应用。
有益效果：
本发明中，所述周期性涂层是由依次层叠的A层、B层和C层组成，作为一个循环周期，其中，A层Ti1-aAlaN层具有高达800℃的使用温度和高韧性，在高温下可以形成阻止进一步氧化的氧化铝薄膜。B层Ti1-aAlaN*n/TibSi1-bN层不仅可以使多层结构的纳米复合刀具涂层具有良好的抗裂纹扩展性，还可以使多层结构的纳米复合刀具涂层在高温下保持较高的硬度和高的抗氧化性。C层TibSi1-bN容易形成非晶Si3N4包裹TiN纳米晶的纳米复合结构涂层，使涂层保持高硬度、优异的高温抗氧化能力及高温稳定性能。从A层到B层到C层的周期性涂层通过其层间界面释放涂层的生长应力，进而改善复合涂层与刀具基体的结合强度。
再则，本发明所述含有周期性涂层的刀具，通过至少两个周期性涂层层叠，刀具的综合性能明显提高。其中底层以Ti1-aAlaN层作为打底层，产生韧性支撑，所述周期性涂层能够有效改善整体涂层的应力，最外层的染色层优选TibSi1-bN层，可以大幅提高涂层耐磨性。同时整体涂层具有优异的高温抗氧化性能力和高温稳定性，且涂层与基体之间表现出良好的结合强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1是本发明一个实施例1提供的刀具结构示意图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
一种含有周期性涂层的刀具，如图1所示，所述刀具包括基体和沉积在所述刀具表面的涂层，所述涂层包含依次层叠的第一层、第二层和第三层，其中，所述第一层与所述基体至少一侧表面相连接，所述第一层为AlaTi1-aN层；所述第二层为周期性涂层，单独一个周期由依次层叠的A层、B层和C层组成，并且，在一个周期内的所述A层相对所述B层更加靠近所述基体，所述A层为Ti1-aAlaN层，所述B层为Ti1-aAlaN*n/TibSi1-bN纳米叠层，即Ti1-aAlaN、TibSi1-bN同时沉积在所述A层表面，且沉积采用的AlaTi1-a靶材为TibSi1-b靶材总重的n倍；所述C层为TibSi1-bN层；所述第三层为AlaTi1-aN、TibSi1-bN之间的一种或两种组成的染色层。
刀具的制备方法包括以下步骤：
采用型号为WNMG080408的硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面喷砂、清洗等预处理。
制备时物理气相沉积的具体条件为：通入气体为N2，调整镀膜压力为4Pa，刀具基体负偏压为100V，弧电流为100A，涂层温度为500℃，转速3r/min，以两个Ti0.4Al0.6靶材和一个Ti0.8Si0.2作为靶材，按照涂层结构设计进行涂层然后采用物理气相沉积方式。
在基体上沉积第一层Ti0.4Al0.6N涂层，第一层涂层厚度为0.7um。再在Ti0.4Al0.6N层的外表面上沉积第二层，以“A层到B层到C层”为一个循环周期的2个周期性涂层，单个周期性涂层厚度为1um，第二层总厚度为2um。最后在周期性涂层的外表面沉积TibSi1-bN，涂层厚度为0.3um。所述复合涂层的总厚度为3μm。
其中第二层的单个周期性涂层具体结构设计，A层为Ti0.4Al0.6N层，厚度为0.3um。B层为Ti0.4Al0.6N*n/Ti0.8Si0.2N纳米叠层，a＝0.6，b＝0.8，n＝2，Ti0.4Al0.6N纳米层为20nm、Ti0.8Si0.2N纳米涂层单层厚度为10nm，总厚度为0.5um，纳米叠层的单层厚度可以通过大转盘转速及靶材数量及电流去控制；C层TibSi1-bN层，厚度为0.2um。
实施例2
一种含有周期性涂层的刀具，制备方法包括以下步骤：
采用型号为WNMG080408的硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面喷砂、清洗等预处理。
制备时物理气相沉积的具体条件为：通入气体为N2，调整镀膜压力为4Pa，刀具基体负偏压为100V，弧电流为100A，涂层温度为500℃，转速3r/min，以两个Ti0.4Al0.6靶材和一个Ti0.8Si0.2作为靶材，按照涂层结构设计进行涂层。
然后采用物理气相沉积方式，在基体上沉积Ti1-aAlaN层，涂层厚度为0.7um。再在Ti1-aAlaN层的外表面上沉积以A层到B层到C层”为一个循环周期的5个周期性涂层，单个周期性涂层厚度为0.4um。最后在周期性涂层的外表面沉积TibSi1-bN，涂层厚度为0.3um。所述复合涂层的总厚度为3μm。
其中第二层的单个周期性涂层具体结构设计，A层为Ti0.4Al0.6N层，厚度为0.1um。B层为Ti0.4Al0.6N*n/Ti0.8Si0.2N纳米叠层，Ti0.4Al0.6N纳米层为20nm、Ti0.8Si0.2N纳米涂层单层厚度为10nm，总厚度为0.2um，纳米叠层的单层厚度可以通过大转盘转速及靶材数量及电流去控制；C层TibSi1-bN层，厚度为0.1um。
实施例3
一种含有周期性涂层的刀具，制备方法包括以下步骤：
采用型号为WNMG080408的硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面喷砂、清洗等预处理。
制备时物理气相沉积的具体条件为：通入气体为N2，调整镀膜压力为4Pa，刀具基体负偏压为100V，弧电流为100A，涂层温度为500℃，转速3r/min，以两个Ti0.4Al0.6靶材和一个Ti0.8Si0.2作为靶材，按照涂层结构设计进行涂层。
然后采用物理气相沉积方式，在基体上沉积Ti1-aAlaN层，涂层厚度为0.7um。再在Ti1-aAlaN层的外表面上沉积以A层到B层到C层”为一个循环周期的10个周期性涂层，单个周期性涂层厚度为0.2um。最后在周期性涂层的外表面沉积TibSi1-bN，涂层厚度为0.3um。所述复合涂层的总厚度为3μm。
其中第二层的单个周期性涂层具体结构设计，A层为Ti0.4Al0.6N层，厚度为0.05um。B层为Ti0.4Al0.6N*n/Ti0.8Si0.2N纳米叠层，Ti0.4Al0.6N纳米层为20nm、Ti0.8Si0.2N纳米涂层单层厚度为10nm，总厚度为0.12um，纳米叠层的单层厚度可以通过大转盘转速及靶材数量及电流去控制；C层TibSi1-bN层，厚度为0.03um。
实施例4
一种含有周期性涂层的刀具，制备方法包括以下步骤：
采用型号为WNMG080408的硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面喷砂、清洗等预处理。
制备时物理气相沉积的具体条件为：通入气体为N2，调整镀膜压力为4Pa，刀具基体负偏压为80V，弧电流为80A，涂层温度为420℃，转速3r/min，以两个Ti0.4Al0.6靶材和一个Ti0.9Si0.1作为靶材，按照涂层结构设计进行涂层然后采用物理气相沉积方式。
在基体上沉积第一层Ti0.4Al0.6N涂层，第一层涂层厚度为0.4um。再在Ti0.4Al0.6N层的外表面上沉积第二层，以“A层到B层到C层”为一个循环周期的4个周期性涂层，单个周期性涂层厚度为1um，第二层总厚度为4um。最后在周期性涂层的外表面沉积TibSi1-bN，涂层厚度为0.3um。所述复合涂层的总厚度为4.7μm。
其中第二层的单个周期性涂层具体结构设计，A层为Ti0.4Al0.6N层，厚度为0.4um。B层为Ti0.4Al0.6N*n/Ti0.9Si0.1N纳米叠层，Ti0.4Al0.6N纳米涂层单层为20nm、Ti0.9Si0.1N纳米涂层单层厚度为10nm，总厚度为0.4um，纳米叠层的单层厚度可以通过大转盘转速及靶材数量及电流去控制；C层Ti0.9Si0.1N层，厚度为0.2um。
实施例5
一种含有周期性涂层的刀具，制备方法包括以下步骤：
采用型号为WNMG080408的硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面喷砂、清洗等预处理。
制备时物理气相沉积的具体条件为：通入气体为N2，调整镀膜压力为4Pa，刀具基体负偏压为150V，弧电流为100A，涂层温度为600℃，转速5r/min，以两个Ti0.3Al0.7靶材和一个Ti0.8Si0.2作为靶材，按照涂层结构设计进行涂层然后采用物理气相沉积方式。
在基体上沉积第一层Ti0.3Al0.7N涂层，第一层涂层厚度为1.0um。再在Ti0.3Al0.7N层的外表面上沉积第二层，以“A层到B层到C层”为一个循环周期的2个周期性涂层，单个周期性涂层厚度为0.5um，第二层总厚度为1um。最后在周期性涂层的外表面沉积TibSi1-bN，涂层厚度为0.5um。所述复合涂层的总厚度为2.5μm。
其中第二层的单个周期性涂层具体结构设计，A层为Ti0.3Al0.7层，厚度为0.2um。B层为Ti0.3Al0.7N*n/Ti0.8Si0.2N纳米叠层，Ti0.3Al0.7N纳米层为20nm、Ti0.8Si0.2N纳米涂层单层厚度为10nm，总厚度为0.2um，纳米叠层的单层厚度可以通过大转盘转速及靶材数量及电流去控制；C层TibSi1-bN层，厚度为0.1um。
实施例6
一种含有周期性涂层的刀具，制备方法包括以下步骤：
采用型号为WNMG080408的硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面喷砂、清洗等预处理。
制备时物理气相沉积的具体条件为：通入气体为N2，调整镀膜压力为4Pa，刀具基体负偏压为120V，弧电流为120A，涂层温度为580℃，转速3r/min，以两个Ti0.25Al0.75靶材和一个Ti0.9Si0.1作为靶材，按照涂层结构设计进行涂层然后采用物理气相沉积方式。
在基体上沉积第一层Ti0.25Al0.75N涂层，第一层涂层厚度为1.5um。再在Ti0.25Al0.75N层的外表面上沉积第二层，以“A层到B层到C层”为一个循环周期的2个周期性涂层，单个周期性涂层厚度为1.5um，第二层总厚度为3um。最后在周期性涂层的外表面沉积TibSi1-bN，涂层厚度为0.5um。所述复合涂层的总厚度为5μm。
其中第二层的单个周期性涂层具体结构设计，A层为Ti0.25Al0.75N层，厚度为1.0um。B层为Ti0.25Al0.75N*n/Ti0.9Si0.1N纳米叠层，Ti0.25Al0.75N纳米层为20nm、Ti0.9Si0.1N纳米涂层单层厚度为10nm，总厚度为0.5um，纳米叠层的单层厚度可以通过大转盘转速及靶材数量及电流去控制；C层Ti0.9Si0.1N层，厚度为1.5um。
实施例7
一种含有周期性涂层的刀具，制备方法包括以下步骤：
采用型号为WNMG080408的硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面喷砂、清洗等预处理。
制备时物理气相沉积的具体条件为：通入气体为N2，调整镀膜压力为4Pa，刀具基体负偏压为160V，弧电流为180A，涂层温度为550℃，转速3r/min，以两个Ti0.2Al0.8靶材和一个Ti0.8Si0.2作为靶材，按照涂层结构设计进行涂层然后采用物理气相沉积方式。
在基体上沉积第一层Ti0.2Al0.8N涂层，第一层涂层厚度为2.0um。再在Ti0.2Al0.8N层的外表面上沉积第二层，以“A层到B层到C层”为一个循环周期的2个周期性涂层，单个周期性涂层厚度为1um，第二层总厚度为2um。最后在周期性涂层的外表面沉积TibSi1-bN，涂层厚度为0.2um。所述复合涂层的总厚度为4.2μm。
其中第二层的单个周期性涂层具体结构设计，A层为Ti0.2Al0.8N层，厚度为0.3um。B层为Ti0.2Al0.8N*n/Ti0.8Si0.2N纳米叠层，Ti0.2Al0.8N纳米层为20nm、Ti0.8Si0.2N纳米涂层单层厚度为10nm，总厚度为0.5um，纳米叠层的单层厚度可以通过大转盘转速及靶材数量及电流去控制；C层TibSi1-bN层，厚度为0.2um。
实施例8
一种含有周期性涂层的刀具，制备方法包括以下步骤：
采用型号为WNMG080408的硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面喷砂、清洗等预处理。
制备时物理气相沉积的具体条件为：通入气体为N2，调整镀膜压力为4Pa，刀具基体负偏压为60V，弧电流为120A，涂层温度为450℃，转速3r/min，以两个Ti0.4Al0.6靶材和一个Ti0.70Si0.30作为靶材，按照涂层结构设计进行涂层然后采用物理气相沉积方式。
在基体上沉积第一层Ti0.4Al0.6N涂层，第一层涂层厚度为2.2um。再在Ti0.4Al0.6N层的外表面上沉积第二层，以“A层到B层到C层”为一个循环周期的3个周期性涂层，单个周期性涂层厚度为1um，第二层总厚度为4.5um。最后在周期性涂层的外表面沉积Ti0.7Si0.3N，涂层厚度为0.3um。所述复合涂层的总厚度为7μm。
其中第二层的单个周期性涂层具体结构设计，A层为Ti0.4Al0.6N层，厚度为0.5um。B层为Ti0.4Al0.6N*n/Ti0.7Si0.3N纳米叠层，Ti0.4Al0.6N纳米层为20nm、Ti0.6Si0.4N纳米涂层单层厚度为10nm，总厚度为0.5um，纳米叠层的单层厚度可以通过大转盘转速及靶材数量及电流去控制；C层Ti0.7Si0.3N层，厚度为0.5um。
实施例9
一种含有周期性涂层的刀具，制备方法包括以下步骤：
采用型号为WNMG080408的硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面喷砂、清洗等预处理。
制备时物理气相沉积的具体条件为：通入气体为N2，调整镀膜压力为4Pa，刀具基体负偏压为80V，弧电流为80A，涂层温度为400℃，转速3r/min，以两个Ti0.4Al0.6靶材和一个Ti0.8Si0.2作为靶材，按照涂层结构设计进行涂层然后采用物理气相沉积方式。
在基体上沉积第一层Ti0.4Al0.6N涂层，第一层涂层厚度为2.5um。再在Ti0.4Al0.6N层的外表面上沉积第二层，以“A层到B层到C层”为一个循环周期的20个周期性涂层，单个周期性涂层厚度为0.1um，第二层总厚度为2um。最后在周期性涂层的外表面沉积Ti0.8Si0.2N，涂层厚度为0.1um。所述复合涂层的总厚度为4.6μm。
其中第二层的单个周期性涂层具体结构设计，A层为Ti0.4Al0.6N层，厚度为0.02um。B层为Ti0.4Al0.6N*n/Ti0.8Si0.2N纳米叠层，Ti0.4Al0.6N纳米层为20nm、Ti0.8Si0.2N纳米涂层单层厚度为10nm，总厚度为0.05um，纳米叠层的单层厚度可以通过大转盘转速及靶材数量及电流去控制；C层Ti0.8Si0.2N层，厚度为0.03um。
对比例1-3
采用实施例1相同的基体，按照同样的制备方法在基体表面沉积Ti1-aAlaN涂层，a＝0.6，厚度为3.0μm，作为对比刀具1。
采用实施例1相同的基体，按照同样的制备方法，在基体上沉积Ti1-aAlaN层，涂层厚度为0.5um。再在Ti1-aAlaN层的外表面上沉积Ti1-aAlaN*n/TibSi1-bN纳米叠层(靶材与实施例1相同)，厚度为2.5um。复合涂层总厚度为3um，作为对比刀具2。
用实施例1相同的基体，按照同样的制备方法，在基体上沉积Ti1-aAlaN层，涂层厚度为1um。再在Ti1-aAlaN层的外表面上沉积第二层Ti1-aAlaN*n/TibSi1-bN纳米叠层(靶材与实施例1相同)，厚度为1um。最后在纳米叠涂层的外表面沉积TibSi1-bN，涂层厚度为1um。所述复合涂层的总厚度为3μm。作为对比刀具3。
对刀具耐磨性及韧性进行测试，方法如下：
实验1：耐磨性
使用水冷的方式对进行切削实验，重复进行5次切削实验测试取平均值，具体测试条件如下：
工件：圆柱棒材料：1Cr18Ni9Ti刀片型号：WNMG0804082；
切削参数：V＝180m/min,ap＝1mm，F＝0.20mm/r；
刀具寿命标准：刀尖磨损量超过0.3mm。
测试结果见表1，从表1可以看出，本发明实施例1-3制备的刀具耐磨性能均优于对照组。
表1耐磨性测试结果表
| 序号 | 样品 | 刀片平均寿命 |
| 1 | 实施例1 | 18.5min |
| 2 | 实施例2 | 23.3min |
| 3 | 实施例3 | 29.7min |
| 4 | 对比例1 | 15.4min |
| 5 | 对比例2 | 17.9min |
| 6 | 对比例3 | 15.2min |
实验2：韧性
使用水冷的方式对进行切削实验，重复进行10次切削实验测试取平均值，具体测试条件如下：
工件：带4个断槽的圆柱棒材料：45#钢刀片型号：WNMG080408；
切削参数：V＝160r/min,ap＝1.5mm,F＝0.2mm/r。
测试结果见表2，从表2可以看出，本发明实施例2-3制备的刀具韧性均优于对照组
表2刀具韧性检测结果表
| 序号 | 样品 | 冲击平均次数 | 备注 |
| 1 | 实施例1 | 2571 | 崩掉 |
| 2 | 实施例2 | 4956 | 崩掉 |
| 3 | 实施例3 | 6269 | 崩掉 |
| 4 | 对比例1 | 4532 | 崩掉 |
| 5 | 对比例2 | 2737 | 崩掉 |
| 6 | 对比例3 | 2164 | 崩掉 |
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种含有周期性涂层的刀具，其特征在于：所述刀具包括基体和沉积在所述刀具表面的涂层，所述涂层包含依次层叠的第一层、第二层和第三层，
其中，所述第一层与所述基体至少一侧表面相连接，所述第一层为AlaTi1-aN层；
所述第二层为周期性涂层，单独一个周期由依次层叠的A层、B层和C层组成，并且，在一个周期内的所述A层相对所述B层更加靠近所述基体，所述A层为Ti1-aAlaN层，所述B层为Ti1-aAlaN*n/TibSi1-bN纳米叠层，即Ti1-aAlaN、TibSi1-bN同时沉积在所述A层表面，且沉积采用的AlaTi1-a靶材为TibSi1-b靶材总重的n倍；所述C层为TibSi1-bN层；
所述第三层为AlaTi1-aN、TibSi1-bN之间的一种或两种组成的染色层；
上述化学式中，字母各自独立地为：a＝0.4-0.8，b＝0.6-0.9，n＝1-5。
2.根据权利要求1所述含有周期性涂层的刀具，其特征在于：所述基体为硬质合金基体，所述硬质合金基体包含以WC为基础的硬质相、以Co为基础的粘结相和以取自周期表IVb、Vb和/或VIb族金属元素的立方相化合物；
任选的，所述涂层的厚度为1-10um，优选为2-8um。
3.根据权利要求2所述含有周期性涂层的刀具，其特征在于：所述第一层厚度为0.1-3um，优选为0.5-2.5um。
4.根据权利要求2所述含有周期性涂层的刀具，其特征在于：所述第二层厚度为0.8-5um，优选为1-4um；
任选的，所述第三层厚度为0.1-2um，优选为0.2-1.5um。
5.根据权利要求4所述含有周期性涂层的刀具，其特征在于：所述第二层包含1-20个周期，每个周期形成的涂层厚度为0.1-2um，优选为0.2-1.5um。
6.根据权利要求5所述含有周期性涂层的刀具，其特征在于：单独一个周期内涂层厚度各自独立地为：所述A层的厚度为0.01-1um，所述B层的厚度为0.01-1um，所述C层的厚度为0.01-0.8um，优选地，所述A层的厚度为0.05-1um，所述B层的厚度为0.1-1um，所述C层的厚度为0.03-0.5um。
7.根据权利要求1-6任一项所述含有周期性涂层的刀具，其特征在于：所述B层中Ti1- aAlaN纳米涂层的厚度为2-100nm，TibSi1-bN纳米涂层的厚度为2-100nm。
8.一种权利要求1-7任一项所述含有周期性涂层的刀具的制备方法，其特征在于：采用硬质合金刀片作为基体，先对基体进行表面预处理，然后采用物理气相沉积方式，按照设计结构，以Ti1-aAla、TibSi1-b为靶材在基体表面依次沉积相应涂层。
9.根据权利要求8所述含有周期性涂层的刀具的制备方法，其特征在于：所述物理气相沉积方式包括：通入N2气体，调整镀膜压力为0.8-6Pa，刀具基体负偏压为40V-160V，弧电流为80-200A，涂层温度为400-600℃。
10.一种权利要求1-7任一项所述含有周期性涂层的刀具在高速切削领域的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210275606.0A CN114622161B (zh) | 2022-03-21 | 2022-03-21 | 一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210275606.0A CN114622161B (zh) | 2022-03-21 | 2022-03-21 | 一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114622161A true CN114622161A (zh) | 2022-06-14 |
| CN114622161B CN114622161B (zh) | 2024-03-22 |
Family
ID=81903606
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210275606.0A Active CN114622161B (zh) | 2022-03-21 | 2022-03-21 | 一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114622161B (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080233374A1 (en) * | 2007-03-23 | 2008-09-25 | Markus Lechthaler | Wear Resistant Hard Coating for A Workpiece and Method for Producing the Same |
| SE0900739A1 (sv) * | 2009-06-01 | 2010-12-02 | Seco Tools Ab | Nanolaminerat belagt skärverktyg |
| JP2011189436A (ja) * | 2010-03-12 | 2011-09-29 | Mitsubishi Materials Corp | 表面被覆切削工具 |
| CN102242338A (zh) * | 2011-06-28 | 2011-11-16 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 含周期性涂层的复合涂层刀具及其制备方法 |
| CN102268637A (zh) * | 2011-06-28 | 2011-12-07 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具及其制备方法 |
| US20120308845A1 (en) * | 2010-02-11 | 2012-12-06 | Taegutec, Ltd. | Cutting Insert |
| JP2014188637A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Mitsubishi Materials Corp | 表面被覆切削工具 |
| CN105112858A (zh) * | 2015-08-31 | 2015-12-02 | 科汇纳米技术（深圳）有限公司 | 一种多层结构的纳米复合刀具涂层 |
| CN110373639A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-10-25 | 艾瑞森表面技术（苏州）股份有限公司 | 切削工具复合涂层及其制备方法 |
| CN110468373A (zh) * | 2019-07-30 | 2019-11-19 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 一种复合涂层刀具及其制备方法 |
| CN112840062A (zh) * | 2018-08-01 | 2021-05-25 | Osg株式会社 | 硬质被膜和硬质被膜被覆构件 |
| CN113652632A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-16 | 科汇纳米技术（常州）有限公司 | 一种高附着力纳米刀具涂层及其制备方法 |
-
2022
- 2022-03-21 CN CN202210275606.0A patent/CN114622161B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080233374A1 (en) * | 2007-03-23 | 2008-09-25 | Markus Lechthaler | Wear Resistant Hard Coating for A Workpiece and Method for Producing the Same |
| SE0900739A1 (sv) * | 2009-06-01 | 2010-12-02 | Seco Tools Ab | Nanolaminerat belagt skärverktyg |
| US20120308845A1 (en) * | 2010-02-11 | 2012-12-06 | Taegutec, Ltd. | Cutting Insert |
| JP2011189436A (ja) * | 2010-03-12 | 2011-09-29 | Mitsubishi Materials Corp | 表面被覆切削工具 |
| CN102242338A (zh) * | 2011-06-28 | 2011-11-16 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 含周期性涂层的复合涂层刀具及其制备方法 |
| CN102268637A (zh) * | 2011-06-28 | 2011-12-07 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 含TiAlN层和CrAlN层的复合涂层刀具及其制备方法 |
| JP2014188637A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Mitsubishi Materials Corp | 表面被覆切削工具 |
| CN105112858A (zh) * | 2015-08-31 | 2015-12-02 | 科汇纳米技术（深圳）有限公司 | 一种多层结构的纳米复合刀具涂层 |
| CN112840062A (zh) * | 2018-08-01 | 2021-05-25 | Osg株式会社 | 硬质被膜和硬质被膜被覆构件 |
| CN110373639A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-10-25 | 艾瑞森表面技术（苏州）股份有限公司 | 切削工具复合涂层及其制备方法 |
| CN110468373A (zh) * | 2019-07-30 | 2019-11-19 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 一种复合涂层刀具及其制备方法 |
| CN113652632A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-16 | 科汇纳米技术（常州）有限公司 | 一种高附着力纳米刀具涂层及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114622161B (zh) | 2024-03-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102033188B1 (ko) | 경질 피복층이 우수한 내치핑성과 내마모성을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구 | |
| CN106835064B (zh) | 一种具有金刚石/碳化硅复合涂层的工具及其制备方法 | |
| US6887562B2 (en) | Surface coating of a carbide or a nitride | |
| EP2558610B1 (en) | Hard carbon coating and method of forming the same | |
| CN108468028B (zh) | 一种周期性多层结构AlTiYN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用 | |
| JP4427271B2 (ja) | アルミナ保護膜およびその製造方法 | |
| JP2012528733A (ja) | ナノ積層コーティングされた切削工具 | |
| CN102242338B (zh) | 含周期性涂层的复合涂层刀具及其制备方法 | |
| JP2009154287A5 (zh) | ||
| JP2013516331A5 (zh) | ||
| JP2012528732A (ja) | ナノ積層コーティングされた切削工具 | |
| Yuan et al. | New multilayered diamond/β-SiC composite architectures for high-performance hard coating | |
| CN106191772B (zh) | 一种含有多相AlCrN纳米插入层的高硬度CrAlN涂层及其制备方法 | |
| CN103757597A (zh) | 一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法 | |
| IL171284A (en) | Methods for making an alumina membrane | |
| CN104385751B (zh) | 含CrAlVN层和CrAlSiN层的复合涂层刀具及其制备方法 | |
| WO2019072083A1 (zh) | 一种柔性硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具 | |
| JP4398224B2 (ja) | 耐摩耗性部材 | |
| CN105463456A (zh) | 用于切削工具的多层结构化涂层 | |
| CN106756833B (zh) | 一种高硬度TiCrN/TiSiN纳米多层结构涂层及其制备方法 | |
| CN114622161A (zh) | 一种含有周期性涂层的刀具及其制备方法 | |
| CN110468373A (zh) | 一种复合涂层刀具及其制备方法 | |
| CN110551974B (zh) | 一种含TiAlTaN层和TiAlSiN层的多层涂层刀具及其制备方法 | |
| KR20200010252A (ko) | 코팅된 절삭 공구의 제조 방법 및 코팅된 절삭 공구 | |
| CN113564526A (zh) | 一种复合涂层薄膜及其制备方法和应用 |
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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |