CN115011919A - 含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具 - Google Patents
含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和沉积在该刀具基体上的复合涂层，该复合涂层包括：氮化物底层、CrAlON过渡层、在过渡层上由CrAlO层和AlCrO层交替沉积形成的多周期氧化物层，且CrAlO层和AlCrO层共格外延生长。本发明的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具隔热和抗氧化性能优异，且硬度较高、涂层之间及涂层与刀具基体之间结合强度高、耐冲击韧性好并改善了抗裂纹扩展性能，实现了热稳定性、抗高温氧化性、耐磨性以及涂层韧性的协同提升，特别适用于高速切削的复合涂层切削刀具。
Description
技术领域
本发明属于金属切削加工领域，具体涉及一种切削刀具，尤其涉及一种带有PVD氧化物多层复合涂层的切削刀具。
背景技术
在切削刀具表面沉积高耐磨性和抗氧化性涂层可以大幅提高刀具的使用寿命并且满足高速、高效等恶虐加工条件需要。目前TiAlN涂层、CrAlN涂层、TiAlSiN涂层、CrAlSiN涂层其多层涂层由于具有良好的硬度和抗氧化性能及综合使用性能，是目前应用较为广泛的PVD涂层材料。随着切削技术的发展及被加工材料要求，对切削刀具涂层提出了更加苛刻的要求。近年来，许多研究都报道了在上述传统的涂层中添加其它元素，如Cr,Zr,V,Mo,W,B,Hf等，涂层的性能也会得到进一步提升，但是上述研究成果及应用都集中在PVD涂层氮化物涂层体系。Al2O3是切削刀具CVD涂层材料的重要组层部分，由于氧化物涂层不会被氧化的独特性质，其具有优异的抗高温氧化和隔热效果，在CVD涂层切削刀具领域获得了广泛的应用和关注，特别是高温稳定钢玉结构Al2O3涂层的制备越来越成为主流。因此发展新的PVD氧化物涂层技术，提升现有PVD氮化物涂层抗高温性能成为了从事刀具涂层研究工作者所追求的目标。
早在1982年Shinzato等人发表了论文采用射频溅射技术高达900℃条件下在硬质合金切削工具表面采用射频溅射制备了氧化铝涂层。Knotek等人1993年的论文中也描述了使用Al2O3的PVD涂层用于磨损防护，其中Al2O3层沉积在碳氮化物层上的最表面。
美国专利文献6210726中公开了氧化铝涂层的切削刀具，其氧化物多晶为γ相晶体结构，并具有400或440晶体取向。
美国专利文献5310607中公开了PVD方法沉积的含有大于5％Cr元素的氧化铝涂层，其中当Cr元素含量大于20％的氧化铝涂层中可以发现大于20GP硬度和具有α相晶体结构，对于不添加Cr元素则呈现出无定型结构的氧化铝涂层。
中国专利文献CN 101522950B介绍了一种用于涂覆工件的PVD层体系，其包括至少一层组成为(Me11-xMe2x)2O3的多元氧化物的混晶层。
上述文献中通过PVD方法制备了氧化铝或多元复合氧化物涂层，较过去氮化物涂层提升了抗高温氧化性能，但是另一方面制备的氧化物涂层硬度值不高、韧性较差、晶体结构高温稳定性不够，在实际的应用中容易造成涂层在高温冲击磨损环境下涂层的过早破损失效，因此在刀具切削服役的特定工况条件下综合性能提升也十分有限。
发明内容
本发明要解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种隔热和抗氧化性能优异、且硬度较高、涂层之间及涂层与刀具基体之间结合强度高，特别适用于高速切削的复合涂层切削刀具。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和沉积在所述刀具基体上的复合涂层，所述复合涂层包括：氮化物底层、CrAlON过渡层、在过渡层上由CrAlO层和AlCrO层交替沉积形成的多周期氧化物层，且所述CrAlO层和AlCrO层共格外延生长。
上述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，优选地，所述CrAlO层中，元素原子百分比含量满足0.2≤Al/(Cr+Al)≤0.40；所述AlCrO层中，元素原子百分比含量满足0.5≤Al/(Cr+Al)≤0.75。
上述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，优选地，所述多周期氧化物层的晶体结构为刚玉结构hcp相。由CrAlO层和AlCrO层交替沉积形成的所述多周期氧化物层选择高Al含量和高Cr含量两种不同成分的AlCr靶材为原料，采用脉冲偏压阴极弧涂层的沉积方法实现。
上述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，优选地，所述多周期氧化物层中，CrAlO层的单层厚度为2～60nm；AlCrO层的单层厚度为2～60nm。
上述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，优选地，所述CrAlON过渡层的晶体结构为面心立方结构fcc相。所述CrAlON过渡层采用脉冲偏压阴极弧涂层的沉积方法实现。
上述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，优选地，所述氮化物底层为TiAlN、TiAlSiN、CrAlN和CrAlSiN中的任意一种结构涂层或其中任意两种以上交替沉积的多层结构涂层；
所述氮化物底层的晶体结构为面心立方结构fcc相；所述氮化物底层采用直流偏压阴极弧涂层的沉积方法或脉冲偏压阴极弧涂层的沉积方法实现。
上述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，优选地，所述多周期氧化物层的厚度为0.3～3μm。
上述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，优选地，所述CrAlON过渡层的厚度为0.1～0.5μm。
上述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，优选地，所述氮化物底层的厚度为1～8μm。
上述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，优选地，所述涂层的总厚度为2～10μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的复合涂层切削刀具中，相对于传统氮化物涂层，本发明氮化物叠加氧化物涂层组合，底层氮化物提供了良好的结合及硬度支撑，表面的由CrAlO层和AlCrO层交替沉积共格外延生长形成的多周期氧化物层提供了更好的抗氧化和隔热性能，而中间的CrAlON过渡层减缓了氮化物层到氧化物涂层的成分和性能突变，改善了氮化物层和氧化物层之间的层间结合力，涂层可以承受更高的冲击载荷，减少早期氧化物层的剥落破损失效，为实际的切削加工提供更好的防护。
2、传统PVD方法低温条件下制备的Al2O3涂层晶体结构不理想，一般只能获得高温稳定性较差的γ相和无定型结构，通过Cr元素的添加可以诱发促进刚玉结构α相的形成，特别是当涂层中的Cr元素含量提升至较高的水平则更有利于在涂层制备中稳定获得与刚玉结构Cr2O3相同结构的α相氧化物。本发明技术方案采用高Cr含量的CrAlO层和高Al含量的AlCrO层周期性交替沉积，通过采用脉冲偏压阴极弧涂层的沉积方法，一方面实现了高Al含量的AlCrO层在高Cr含量CrAlO层上的共格外延生长，且整体氧化物涂层呈现出刚玉结构α相，保持了优异的高温稳定性能，另一方面本发明的多层涂层的界面强化效应进一步提升了氧化物涂层的纳米硬度和耐磨损性能，涂层的抗裂纹扩展性能也得到改善，在相同冲击载荷条件下氧化物涂层的厚度可以设计得更厚，从而进一步改善涂层的隔热、抗氧化效果，为实际的切削加工提供更好的防护，特别是高速切削领域。
3、为进一步优化和提升多层复合涂层性能，由CrAlO层和AlCrO层交替沉积所组成的氧化物层涂层厚度控制在0.3～3μm；CrAlON中间过渡层涂层厚度控制在0.1～0.5μm；氮化物底层涂层厚度控制在1～8μm；根据实际加工状况和加工刀具类型多层复合涂层的涂层总厚度在2～10μm范围内合理选择。
4、本发明多层复合涂层通过对涂层结构和组分的设计，克服了传统PVD氮化物硬质涂层抗氧化、隔热效果不佳，耐磨损性能不好，氧化物涂层与氮化物底层的层间结合力不佳，容易发生早期破损失效的缺陷，为刀具产品在整个切削磨损过程提供稳定可靠的保护。本发明涂层刀具实现了热稳定性、抗高温氧化性、耐磨性以及涂层韧性的协同提升，并且被涂覆涂层与基体结合力强，适用于硬质合金可转位刀片，同时也适用于金属陶瓷、非金属陶瓷等其他切削刀具材料。
附图说明
图1为本发明刀具涂层结构示意图，其中：
1－刀具基体；
2－氮化物层；
3－CrAlON层；
4－多层氧化物层；
图2为多周期氧化物层结构示意图，其中：
5－CrAlO层；
6－AlCrO层。
具体实施方式
本发明涂层包括直接涂覆在刀具基体表面的TiAlN或CrAlN或两者交替沉积而成的多层结构的氮化物底层，然后在氮化物底层上采用物理气相沉积工艺沉积CrAlON中间过渡层，再在CrAlON过渡层上采用物理气相沉积工艺交替沉积CrAlO层和AlCrO层而成的多周期涂层，最终形成本发明多层复合涂层切削刀具。且氮化物底层的晶体结构为面心立方结构fcc相，CrAlON过渡层的晶体结构为面心立方结构fcc相，多周期氧化物层的晶体结构为刚玉结构hcp相。本发明涂层结构如图1所示，由基体表面向外依次为氮化物底层、CrAlON过渡层、多周期氧化物层。多周期氧化物层如图2所示，其中每一个CrAlO单层和AlCrO单层循环为一个周期，从CrAlON过渡层表面向外本发明涂层的多周期氧化物层中CrAlO单层和AlCrO单层的交替顺序既可以呈现出从CrAlO到AlCrO的周期变化，也可以呈现出从AlCrO到CrAlO的周期变化。
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。
下述各实施例中的本发明含高Cr含量CrAlO层和高Al含量AlCrO层的多层复合涂层切削刀可以用以下方法制备：首先根据现有的粉末冶金方法制作硬质合金坯料，并经过后期的研磨加工制备出特定形状的刀具，得到硬质合金刀具基体。刀具基体在准备涂层以前首先要经过刃口处理，表面处理和超声波清洗以达到良好的刃口和表面质量。在正式涂层之前采用氩离子对刀具表面进行轰击进一步改善涂层与基体的结合，根据各种刀具的要求使用不同成分的靶材作为涂层源，并采用阴极弧涂层方式，首先在刀具基体表面采用直流偏压模式或脉冲偏压模式条件下沉积氮化物底层，然后在氮化物底层上采用脉冲偏压模式条件下沉积一层CrAlON中间过渡层，最后在CrAlON过渡层上采用脉冲偏压模式条件下沉积由高Cr含量CrAlO层和高Al含量AlCrO层共格外延生长的交替多周期结构层，最终形成多层复合涂层，通过靶材成分和采用脉冲偏压阴极弧涂层的沉积方法进行周期结构控制将交替沉积的多周期结构氧化物层制备成刚玉结构hcp相。
下述各对照刀具采用与各实施例刀具相同的制备方法制备得到，即在沉积涂层前，对刀具基体做相同的预处理，然后也采用物理气相沉积法沉积涂层。
实施例1
一种本发明的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和沉积在刀具基体上的复合涂层，刀具基体为CNM120408型硬质合金车削刀片，复合涂层采用上述方法制备获得；复合涂层包括：氮化物底层、CrAlON过渡层、在过渡层上由CrAlO层和AlCrO层交替沉积形成的多周期氧化物层，且所述CrAlO层和AlCrO层共格外延生长；由CrAlO层和AlCrO层交替沉积所组成的氧化物层共40个周期；其中CrAlO单层元素成分Al/(Cr+Al)＝0.3，CrAlO单层厚度约10nm；其中AlCrO单层元素成分Al/(Cr+Al)＝0.5，AlCrO单层厚度约10nm；Ti0.5Al0.5N底层厚度约2.8μm，CrAlON过渡层厚度约0.1μm。
本实施例中，氮化物底层的晶体结构为面心立方结构fcc相，CrAlON过渡层的晶体结构为面心立方结构fcc相，多周期氧化物层的晶体结构为刚玉结构hcp相。
对照刀具1为与实施例1具有相同形状和相同基体组分的硬质合金车削刀片，涂层为常规物理气相沉积方法制备的TiAlN/TiSiN双层结构涂层。
对照刀具2为与实施例1具有相同形状和相同基体组分的硬质合金车削刀片，涂层为常规物理气相沉积方法制备的AlTiN/TiAlN交替周期性多层结构涂层。
将上述三种对比刀具按照如下切削加工条件进行对比试验：
加工材料为1Cr18Ni9Ti；
加工方式为外圆车削；
切削数度Vc＝200m/min；
切削深度ap＝1mm；
每转进给量f＝0.2mm/r；
冷却方式：水性冷却液；
产品寿命标准为刀具后刀面损量Vb超过0.2mm。
本实施例刀具加工22分钟后，磨损量达到0.25mm，正常磨损失效；对照刀具1加工18分钟后刀具剧烈磨损失效；对照刀具2加工16分钟后，磨损量达到0.28mm，正常磨损失效。该条件下本实施例刀具寿命相比较对照刀具1提高20％以上，相比较对照刀具2提高35％以上。
实施例2
一种本发明的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和沉积在刀具基体上的复合涂层，刀具基体为ZTFD0303型硬质合金切槽刀片，复合涂层采用上述方法制备获得；复合涂层包括：氮化物底层、CrAlON过渡层、在过渡层上由CrAlO层和AlCrO层交替沉积形成的多周期氧化物层，且所述CrAlO层和AlCrO层共格外延生长；由CrAlO层和AlCrO层交替沉积所组成的多周期氧化物层共150个周期；其中CrAlO单层元素成分Al/(Cr+Al)＝0.4，CrAlO单层厚度约5nm；其中AlCrO单层元素成分Al/(Cr+Al)＝0.7，AlCrO单层厚度约5nm；Ti0.5Al0.5N底层厚度约4μm，CrAlON过渡层厚度约0.2μm。
本实施例中，氮化物底层的晶体结构为面心立方结构fcc相，CrAlON过渡层的晶体结构为面心立方结构fcc相，多周期氧化物层的晶体结构为刚玉结构hcp相。
对照刀具1为与实施例2具有相同形状和相同基体组分的硬质合金切槽刀片，涂层为常规物理气相沉积方法制备的AlTiN涂层。
对照刀具2为与实施例2具有相同形状和相同基体组分的硬质合金切槽刀片，涂层为常规物理气相沉积方法制备的AlCrN/TiAlN交替周期性多层结构涂层。
将上述三种对比刀具按照如下切削加工条件进行对比试验：
加工材料为45#钢；
加工方式为外圆切槽；
切削数度Vc＝150m/min；
切削深度ap＝3mm；
切削深度ae＝5mm；
每转进给量f＝0.2mm/r；
冷却方式：压缩空气；
产品寿命标准为刀具后刀面损量Vb超过0.2mm。
本实施例刀具加工587个槽后刀具剧烈磨损失效；对照刀具1加工345后刀具剧烈磨损失效；对照刀具2加工420个槽后刀具剧烈磨损失效。该条件下本实施例刀具寿命相比较对照刀具1提高约70％，相比较对照刀具2提高约40％。
实施例3
一种本发明的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和沉积在刀具基体上的复合涂层，刀具基体为APMT1135PDR型硬质合金铣削刀片，复合涂层采用上述方法制备获得；复合涂层包括：氮化物底层、CrAlON过渡层、在过渡层上由CrAlO层和AlCrO层交替沉积形成的多周期氧化物层，且所述CrAlO层和AlCrO层共格外延生长；由CrAlO层和AlCrO层交替沉积所组成的多周期氧化物层共60个周期；其中CrAlO单层元素成分Al/(Cr+Al)＝0.2，CrAlO单层厚度约20nm；其中AlCrO单层元素成分Al/(Cr+Al)＝0.7，AlCrO单层厚度约15nm；Cr 0.3Al0.7N底层厚度约2.5μm，CrAlON过渡层厚度约0.2μm。
本实施例中，氮化物底层的晶体结构为面心立方结构fcc相，CrAlON过渡层的晶体结构为面心立方结构fcc相，多周期氧化物层的晶体结构为刚玉结构hcp相。
对照刀具1为与实施例3具有相同形状和相同基体组分的硬质合金铣削刀片，涂层为常规物理气相沉积方法制备的AlCrN涂层。
对照刀具2为与实施例3具有相同形状和相同基体组分的硬质合金铣削刀片，涂层为常规物理气相沉积方法制备的AlCrN/AlCrSiN交替周期性多层结构涂层。
将上述三种对比刀具按照如下切削加工条件进行对比试验：
加工材料为Nak80；
加工方式为平面铣削；
切削速度Vc＝220m/min；
切削深度ap＝1.0mm；
切削宽度ae＝8mm；
每齿进给量fz＝0.2mm/z；
冷却方式：压缩空气；
产品寿命标准为刀具后刀面损量Vb超过0.2mm或刀具崩缺失效。
本实施例刀具加工160分钟后，磨损量达到0.5mm，正常磨损失效；对照刀具1加工125分钟后刀具剧烈磨损失效；对照刀具2加工90分钟后，刃口崩缺失效。该条件下本实施例刀具寿命相比较对照刀具1提高25％以上，相比较对照刀具2提高75％以上。
实施例4
一种本发明的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和沉积在刀具基体上的复合涂层，刀具基体为SEET12T3型硬质合金铣削刀片，复合涂层采用上述方法制备获得；复合涂层包括：氮化物底层、CrAlON过渡层、在过渡层上由CrAlO层和AlCrO层交替沉积形成的多周期氧化物层，且所述CrAlO层和AlCrO层共格外延生长；由CrAlO层和AlCrO层交替沉积所组成的多周期氧化物层共40个周期；其中CrAlO单层元素成分Al/(Cr+Al)＝0.2，CrAlO单层厚度约20nm；其中AlCrO单层元素成分Al/(Cr+Al)＝0.75，AlCrO单层厚度约10nm；Ti0.4Al0.6N底层厚度约2.5μm，CrAlON过渡层厚度约0.4μm。
本实施例中，氮化物底层的晶体结构为面心立方结构fcc相，CrAlON过渡层的晶体结构为面心立方结构fcc相，多周期氧化物层的晶体结构为刚玉结构hcp相。
对照刀具1为与实施例4具有相同形状和相同基体组分的硬质合金车削刀片，涂层为常规物理气相沉积方法制备的TiAlSiN涂层。
对照刀具2为与实施例4具有相同形状和相同基体组分的硬质合金铣削刀片，涂层为常规物理气相沉积方法制备的TiAlN/TiAlSiN双层结构涂层。
将上述三种对比刀具按照如下切削加工条件进行对比试验：
加工材料为Naka80；
加工方式为平面铣削；
切削速度Vc＝220m/min；
切削深度ap＝1.0mm；
切削宽度ae＝30mm；
每齿进给量fz＝0.2mm/z；
冷却方式：压缩空气；
产品寿命标准为刀具后刀面损量Vb超过0.2mm或刀具崩缺失效。
本实施例刀具加工完35分钟后，磨损量为0.35mm，正常磨损失效；对照刀1具加工24分钟后，磨损量达到0.45mm，正常磨损失效；对照刀具2加工27分钟后，刃口崩缺失效。该条件下本实施例刀具寿命相比较对照刀具1提高约45％，相比较对照刀具2提高约30％。
实施例5
一种本发明的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和沉积在刀具基体上的复合涂层，刀具基体为SEET12T3型硬质合金铣削刀片，复合涂层采用上述方法制备获得；复合涂层包括：氮化物底层、CrAlON过渡层、在过渡层上由CrAlO层和AlCrO层交替沉积形成的多周期氧化物层，且所述CrAlO层和AlCrO层共格外延生长；由CrAlO层和AlCrO层交替沉积所组成的多周期氧化物层共100个周期；其中CrAlO单层元素成分Al/(Cr+Al)＝0.3，CrAlO单层厚度约5nm，其中AlCrO单层元素成分Al/(Cr+Al)＝0.6，AlCrO单层厚度约3nm；多层结构Ti0.5Al0.5N/Al0.6Cr0.4N底层厚度约1.8μm，CrAlON过渡层厚度约0.2μm。
本实施例中，氮化物底层的晶体结构为面心立方结构fcc相，CrAlON过渡层的晶体结构为面心立方结构fcc相，多周期氧化物层的晶体结构为刚玉结构hcp相。
对照刀具为与实施例5具有相同形状和相同基体组分的硬质合金车削刀片，涂层为常规物理气相沉积方法制备的AlCrN涂层。
将上述两种对比刀具按照如下切削加工条件进行对比试验：
加工材料为Nak80；
加工方式为平面铣削；
切削速度Vc＝180m/min；
切削深度ap＝1.0mm；
切削宽度ae＝50mm；
每齿进给量fz＝0.2mm/z；
冷却方式：压缩空气；
产品寿命标准为刀具后刀面损量Vb超过0.2mm或刀具崩缺失效。
本实施例刀具加工完46分钟后，磨损量为0.35mm，正常磨损失效；对照刀具加工35分钟后，刃口崩缺失效。该条件下本实施例刀具寿命相比较对照刀具提高约30％。
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 (10)
1.含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和沉积在所述刀具基体上的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层包括：氮化物底层、CrAlON过渡层、在过渡层上由CrAlO层和AlCrO层交替沉积形成的多周期氧化物层，且所述CrAlO层和AlCrO层共格外延生长。
2.如权利要求1所述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述CrAlO层中，元素原子百分比含量满足0.2≤Al/(Cr+Al)≤0.40；所述AlCrO层中，元素原子百分比含量满足0.5≤Al/(Cr+Al)≤0.75。
3.如权利要求1所述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述多周期氧化物层的晶体结构为刚玉结构hcp相。
4.如权利要求1～3任意一项所述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述多周期氧化物层中，CrAlO层的单层厚度为2～60nm；AlCrO层的单层厚度为2～60nm。
5.如权利要求1～3任意一项所述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述CrAlON过渡层的晶体结构为面心立方结构fcc相。
6.如权利要求1～3任意一项所述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述氮化物底层为TiAlN、TiAlSiN、CrAlN和CrAlSiN中的任意一种结构涂层或其中任意两种以上交替沉积的多层结构涂层；所述氮化物底层的晶体结构为面心立方结构fcc相。
7.如权利要求1～3任意一项所述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述多周期氧化物层的厚度为0.3～3μm。
8.如权利要求1～3任意一项所述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述CrAlON过渡层的厚度为0.1～0.5μm。
9.如权利要求1～3任意一项所述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述氮化物底层的厚度为1～8μm。
10.如权利要求1～3任意一项所述的含多周期氧化物层的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述涂层的总厚度为2～10μm。
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|---|---|---|---|---|
| WO2024060667A1 (zh) * | 2022-09-20 | 2024-03-28 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 一种涂层切削刀具 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007111834A (ja) * | 2005-10-21 | 2007-05-10 | Mitsubishi Materials Corp | 高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬切削工具 |
| CN101522950A (zh) * | 2006-10-10 | 2009-09-02 | 奥尔利康贸易股份公司（特吕巴赫） | 具有至少一层多元氧化物混晶层的层体系 |
| CN104175682A (zh) * | 2014-08-29 | 2014-12-03 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具及其制备方法 |
| CN111757948A (zh) * | 2017-11-24 | 2020-10-09 | 欧瑞康表面处理解决方案股份公司普费菲孔 | 具有增强热稳定性的Al-Cr基陶瓷涂层 |
| CN111945111A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-11-17 | 威士精密工具(上海)有限公司 | 一种沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层及沉积方法 |
| CN112239855A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-01-19 | 贵州大学 | 一种无基体偏压下获得的刚玉和立方结构三氧化二铝铬混合相涂层及其制备方法 |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007111834A (ja) * | 2005-10-21 | 2007-05-10 | Mitsubishi Materials Corp | 高速重切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬切削工具 |
| CN101522950A (zh) * | 2006-10-10 | 2009-09-02 | 奥尔利康贸易股份公司（特吕巴赫） | 具有至少一层多元氧化物混晶层的层体系 |
| CN104175682A (zh) * | 2014-08-29 | 2014-12-03 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具及其制备方法 |
| CN111757948A (zh) * | 2017-11-24 | 2020-10-09 | 欧瑞康表面处理解决方案股份公司普费菲孔 | 具有增强热稳定性的Al-Cr基陶瓷涂层 |
| CN111945111A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-11-17 | 威士精密工具(上海)有限公司 | 一种沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层及沉积方法 |
| CN112239855A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-01-19 | 贵州大学 | 一种无基体偏压下获得的刚玉和立方结构三氧化二铝铬混合相涂层及其制备方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024060667A1 (zh) * | 2022-09-20 | 2024-03-28 | 株洲钻石切削刀具股份有限公司 | 一种涂层切削刀具 |
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