CN115011920A - 含双层氧化物的复合涂层切削刀具 - Google Patents

含双层氧化物的复合涂层切削刀具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含双层氧化物的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和在刀具基体上沉积的复合涂层，该复合涂层包括：至少一层氮化物底层、CrAlON过渡层、在过渡层上的AlCrO混晶结构氧化物层和在混晶结构氧化物层上的CrAlO单相结构氧化物层。该复合涂层切削刀具耐高温磨损性能好、抗冲击性能高、抗氧化性能良好、涂层之间及涂层与刀具基体之间结合强度高，实现了热稳定性、抗高温氧化性、耐磨性以及复合涂层层间结合力的协同提升，特别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。

Description

含双层氧化物的复合涂层切削刀具
技术领域
本发明属于金属切削加工领域，尤其涉及一种带有PVD氧化物的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。传统的氮化物涂层一般在800～1000℃条件下就会发生明显的氧化现象，制约了涂层刀具的高温服役性能的进一步提升。由于氧化物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，被认为是一种非常理想的刀具涂层材料，目前在CVD涂层切削刀具领域获得了广泛的应用和关注，特别是高温稳定相钢玉结构Al2O3涂层的制备越来越成为主流。但是在PVD涂层切削刀具领域，目前商业化应用的氧化物涂层产品相对较少，一方面由于氧化物涂层的不导电特性造成工艺敏感性高、并且工业生产成本相对较高，另一方面现有低温PVD制备条件下的氧化物涂层整体性能不佳也制约了相关涂层技术的应用和推广。因此发展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 101522950 B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，并且由于氧化物层与氮化物底层之间涂层成分及涂层晶体结构上的明显差异造成的层间结合力较差，在实际的切削应用中容易造成涂层氧化物层的剥落和过早失效，对切削刀具综合性能的改善也十分有限。
发明内容
本发明要解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种耐高温磨损性能、高抗冲击性能及良好抗氧化性能且改进了刀具基体与涂层间及涂层内层间结合力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：
一种含双层氧化物的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和在所述刀具基体上沉积的复合涂层，所述复合涂层包括：至少一层氮化物底层、CrAlON过渡层、在过渡层上的AlCrO混晶结构氧化物层和在混晶结构氧化物层上的CrAlO单相结构氧化物层。
上述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，优选地，所述AlCrO混晶结构氧化物层由刚玉结构hcp相和立方结构fcc相构成。所述AlCrO混晶结构氧化物层可选择高Al含量的AlCr靶材为原料，采用脉冲偏压阴极弧涂层的沉积方法实现。
上述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，优选地，所述CrAlO单相结构氧化物层由刚玉结构hcp相构成。所述CrAlO单相结构氧化物层可选择高Cr含量的CrAl靶材为原料，采用脉冲偏压阴极弧涂层的沉积方法实现。
上述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，优选地，所述AlCrO混晶结构氧化物层中，元素原子百分比满足0.5≤Al/(Cr+Al)≤0.75。
上述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，优选地，所述CrAlO单相结构氧化物层中，元素原子百分比满足0.2≤Al/(Cr+Al)≤0.40。
上述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，优选地，所述CrAlON过渡层由面心立方结构fcc相构成。所述CrAlON过渡层采用脉冲偏压阴极弧涂层的沉积方法实现。
上述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，优选地，所述氮化物底层由面心立方结构fcc相构成。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。
上述的含双层氧化物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中的任意一种涂层或由其中任意两种交替沉积而成的多层结构涂层。
上述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，优选地，所述AlCrO混晶结构氧化物层的厚度为0.2～1.5μm；
所述CrAlO单相结构氧化物层的厚度为0.2～2.5μm；
所述CrAlON过渡层涂层厚度为0.1～0.5μm；
所述氮化物底层涂层厚度为1～8μm。
上述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，优选地，所述复合涂层的总厚度为2～10μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过大量研究，开发出一种耐高温磨损性能、高抗冲击性能及良好抗氧化性能且改进了刀具基体与涂层间以及涂层内部层间结合力的复合涂层切削刀具。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，其中底层氮化物提供了良好的结合及硬度支撑，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，同时表面氧化物涂层提供了更好的抗氧化和隔热性能，并且双层氧化物层设计进一步缓解了中间过渡层到氧化物层的相结构突变，改善了涂层的层间结合力。
2、本发明的复合涂层，由基体表面开始向外依次为fcc结构氮化物底层，fcc结构CrAlON过渡层，fcc和hcp混晶结构AlCrO层，hcp单相结构CrAlO层，实现了连续相结构及成分变化，避免了相结构突变可能造成的界面结合不良，极大改善了刀具与涂层以及涂层之间的结合力，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。
3、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hcp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层叠加高Al含量的AlCrO层的双层氧化物设计，通过采用现有的常规脉冲偏压阴极弧涂层方法实现了外层高Cr含量的CrAlO层呈现出刚玉结构hcp相单相结构，保持了优异的高温稳定性能和隔热效果，且fcc结构CrAlON过渡层与刚玉结构hcp单相CrAlO外层之间的混晶结构AlCrO层同时具有fcc结构相和hcp结构相，进一步缓和了fcc结构相过渡层向hcp结构相氧化物层的相结构突变，极大的改善了氧化物层在传统氮化物底层之上的结合力，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。
4、本发明中，通过优化氮化物底层、CrAlON过渡层、混晶结构AlCrO层、单相结构CrAlO层的厚度以及总涂层厚度，均有利于优化和提升多元复合涂层的性能。
5、本发明复合涂层通过对涂层结构和组分的设计，克服了传统PVD硬质涂层抗氧化、隔热效果不佳，耐磨损性能不好，容易发生早期破损失效的缺陷，并进一步改善了涂层的层间结合力，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、耐磨性以及复合涂层层间结合力的协同提升，特别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为本发明刀具涂层的结构示意图。
1－刀具基体
2－氮化物
3－CrAlON
4－混晶结构AlCrO
5－单相结构CrAlO
具体实施方式
本发明提供具有耐高温磨损性能、高抗冲击性能及良好抗氧化性能，且改进了氧化物层与氮化物层之间的层间结合力，从而能够有效避免在实际的切削应用中涂层氧化物层的剥落和过早失效的复合涂层的切削刀具。本发明涂层包括直接涂覆在刀具基体表面的TiAlN或TiAlSiN或CrAlN或CrAlSiN或其中两者交替沉积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沉积混晶结构氧化物AlCrO层；再在混晶结构氧化物AlCrO层上采用物理气相沉积工艺沉积单相结构氧化物CrAlO层，最终形成本发明多层复合涂层切削刀具。本发明的涂层结构如图1所示，由基体表面向外依次为氮化物底层、CrAlON过渡层、混晶结构AlCrO层和单相结构CrAlO层。
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层双层氧化物复合涂层切削刀可用以下方法制备：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，将氮化物底层制备成面心立方结构fcc相，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，将CrAlON中间过渡层制备成面心立方结构fcc相，再在CrAlON过渡层上采用脉冲偏压模式，通过选择高Al含量的AlCr靶材为原料，沉积一层包含刚玉结构hcp相和立方结构fcc相的高Al含量AlCrO混晶结构氧化物层，再通过选择高Cr含量的CrAl靶材为原料，在AlCrO混晶结构层上采用脉冲偏压模式沉积一层高Cr含量的CrAlO单相刚玉结构hcp相氧化物层，最终形成所述的多层复合涂层。
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(PVD)沉积涂层。
实施例1
一种本发明的涂层刀具，刀具基体为ZTFD0303型硬质合金切槽刀片，涂层采用上述方法制备获得；其结构示意图如图1所示，由基体表面向外依次为氮化物底层、CrAlON过渡层、混晶结构AlCrO层和单相结构CrAlO层；其中AlCrO混晶结构层由刚玉结构hcp和立方结构fcc相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.65，AlCrO层厚度约0.8μm；其中CrAlO单相结构层由刚玉结构hcp相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.4；CrAlO层由面心立方结构fcc相构成，其厚度1.0μm；Ti0.40Al0.60N底层由面心立方结构fcc相构成，厚度约3.0μm；CrAlON过渡层厚度0.1μm，由面心立方结构fcc相构成。
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切槽刀片，涂层为常规物理气相沉积方法制备的AlTiN/TiSiN交替周期性多层结构涂层。
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HT300；
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＝0.12mm/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840个槽后刀具剧烈磨损失效；对照刀具1加工655个槽后刀具剧烈磨损失效；对照刀具2加工432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28％，相比较对照刀具2提高约94％。
实施例2
一种本发明的涂层刀具，刀具基体为ZTFD0303型硬质合金切槽刀片，涂层采用上述方法制备获得；其结构示意图如图1所示，由基体表面向外依次为氮化物底层、CrAlON过渡层、混晶结构AlCrO层和单相结构CrAlO层；其中AlCrO混晶结构层由刚玉结构hcp和立方结构fcc相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.75，AlCrO层厚度约0.8μm；其中CrAlO单相结构层由刚玉结构hcp相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.3，CrAlO层由面心立方结构fcc相构成，厚度1.0μm；Ti0.50Al0.50N底层由面心立方结构fcc相构成，厚度约3.0μm；CrAlON过渡层厚度0.2μm，由面心立方结构fcc相构成。
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TiAlN/TiN交替周期性多层结构涂层。
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AlTiN/TiSiN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42CrMo；
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＝0.12mm/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550个槽后刀具剧烈磨损失效；对照刀具1加工350个槽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57％，相比较对照刀具2提高约30％。
实施例3
一种本发明的涂层刀具，刀具基体为CNM120408型硬质合金车削刀片，涂层采用上述方法制备获得；其结构示意图如图1所示，由基体表面向外依次为氮化物底层、CrAlON过渡层、混晶结构AlCrO层和单相结构CrAlO层；其中AlCrO混晶结构层由刚玉结构hcp和立方结构fcc相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.5，AlCrO层厚度约0.4μm；其中CrAlO单相结构层由刚玉结构hcp相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.3；CrAlO层由面心立方结构fcc相构成，厚度0.8μm；Ti0.5Al0.5N/Ti0.5Al0.4Si0.1N交替周期性多层结构底层厚度约2.5μm，由面心立方结构fcc相构成；CrAlON过渡层厚度0.2μm，由面心立方结构fcc相构成。
对照刀具为与实施例3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1Cr18Ni9Ti；
加工方式为外圆车削；
切削数度Vc＝160m/min；
切削深度ap＝1mm；
每转进给量f＝0.3mm/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38分钟后，刀具剧烈磨损失效；对照刀具加工25分钟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提高50％以上。
实施例4
一种本发明的涂层刀具，刀具基体为APKT11T308型硬质合金铣削刀片，涂层采用上述方法制备获得；其结构示意图如图1所示，由基体表面向外依次为氮化物底层、CrAlON过渡层、混晶结构AlCrO层和单相结构CrAlO层；其中AlCrO混晶结构层由刚玉结构hcp和立方结构fcc相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.5，AlCrO层厚度约0.3μm；其中CrAlO单相结构层由刚玉结构hcp相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.2；CrAlO层由面心立方结构fcc相构成，厚度1.5μm；Ti0.5Al0.5N/Ti0.33Al0.67N交替周期性多层结构底层厚度约3.5μm，由面心立方结构fcc相构成；CrAlON过渡层厚度0.1μm，由面心立方结构fcc相构成。
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铣削刀片，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AlCrN/AlCrSiN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718H；
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＝12mm；
每齿进给量fz＝0.15mm/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50分钟后，磨损量达到0.4mm，正常磨损失效；对照刀具1加工32分钟后刀具剧烈磨损失效；对照刀具2加工25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55％以上，相比较对照刀具2提高约100％。
实施例5
一种本发明的涂层刀具，刀具基体为APKT11T308型硬质合金铣削刀片，涂层采用上述方法制备获得；其结构示意图如图1所示，由基体表面向外依次为氮化物底层、CrAlON过渡层、混晶结构AlCrO层和单相结构CrAlO层；其中AlCrO混晶结构层由刚玉结构hcp和立方结构fcc相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.6，AlCrO层厚度约0.3μm；其中CrAlO单相结构层由刚玉结构hcp相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.25；CrAlO层由面心立方结构fcc相构成，厚度0.5μm；Ti0.5Al0.5N/Al0.6Cr0.4N交替周期性多层结构底层厚度约2.0μm，由面心立方结构fcc相构成；CrAlON过渡层厚度0.2μm，由面心立方结构fcc相构成。
对照刀具1为与实施例5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。
对照刀具2为与实施例5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SKD61；
加工方式为平面铣削；
切削速度Vc＝140m/min；
切削深度ap＝0.25mm；
切削宽度ae＝12mm；
每齿进给量fz＝0.15mm/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65分钟后，刃口崩缺失效；对照刀具1加工40分钟后，刃口崩缺失效；对照刀具2加工52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60％以上，相比较对照刀具2提高25％。
实施例6
一种本发明的涂层刀具，刀具基体为SEET12T3型硬质合金铣削刀片，涂层采用上述方法制备获得；其结构示意图如图1所示，由基体表面向外依次为氮化物底层、CrAlON过渡层、混晶结构AlCrO层和单相结构CrAlO层；其中AlCrO混晶结构层由刚玉结构hcp和立方结构fcc相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.5，AlCrO层厚度约0.5μm；其中CrAlO单相结构层由刚玉结构hcp相构成，元素成分Al/(Cr+Al)＝0.4；CrAlO层由面心立方结构fcc相构成，厚度0.3μm；Ti0.5Al0.5N/Al0.6Cr0.4N交替周期性多层结构底层厚度约3.0μm，由面心立方结构fcc相构成；CrAlON过渡层厚度0.2μm，由面心立方结构fcc相构成。
对照刀具为与实施例6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/TiSiN双层结构涂层。
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＝240m/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110分钟后，刃口崩缺失效；对照刀具加工85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)

1.一种含双层氧化物的复合涂层切削刀具，包括刀具基体和在所述刀具基体上沉积的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层包括：至少一层氮化物底层、CrAlON过渡层、在过渡层上的AlCrO混晶结构氧化物层和在混晶结构氧化物层上的CrAlO单相结构氧化物层。
2.如权利要求1所述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述AlCrO混晶结构氧化物层由刚玉结构hcp相和立方结构fcc相构成。
3.如权利要求1所述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述CrAlO单相结构氧化物层由刚玉结构hcp相构成。
4.如权利要求2所述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述AlCrO混晶结构氧化物层中，元素原子百分比满足0.5≤Al/(Cr+Al)≤0.75。
5.如权利要求3所述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述CrAlO单相结构氧化物层中，元素原子百分比满足0.2≤Al/(Cr+Al)≤0.40。
6.如权利要求1～5任意一项所述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述CrAlON过渡层由面心立方结构fcc相构成。
7.如权利要求1～5任意一项所述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述氮化物底层由面心立方结构fcc相构成。
8.如权利要求7所述的含双层氧化物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中的任意一种涂层或由其中任意两种交替沉积而成的多层结构涂层。
9.如权利要求1～5任意一项所述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述AlCrO混晶结构氧化物层的厚度为0.2～1.5μm；
所述CrAlO单相结构氧化物层的厚度为0.2～2.5μm；
所述CrAlON过渡层涂层厚度为0.1～0.5μm；
所述氮化物底层涂层厚度为1～8μm。
10.如权利要求9所述的含双层氧化物的复合涂层切削刀具，其特征在于，所述复合涂层的总厚度为2～10μm。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115505882A (zh) * 2022-09-14 2022-12-23 广东工业大学 氮化物结合氧化物双涂层的制备方法及涂层刀具

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070269610A1 (en) * 2004-12-28 2007-11-22 Haruyo Fukui Coated Cutting Tool and Manufacturing Method Thereof
WO2008043606A1 (de) * 2006-10-10 2008-04-17 Oerlikon Trading Ag, Trübbach Schichtsystem mit zumindest einer mischkristallschicht eines mehrfachoxids
JP2011224768A (ja) * 2010-03-31 2011-11-10 Hitachi Tool Engineering Ltd 硬質皮膜被覆工具及びその製造方法
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
JP2013116509A (ja) * 2011-12-01 2013-06-13 Mitsubishi Materials Corp 表面被覆切削工具
WO2020099605A1 (en) * 2018-11-14 2020-05-22 Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfäffikon Coating for enhanced performance and lifetime in plastic processing applications
US20200181757A1 (en) * 2017-07-31 2020-06-11 Walter Ag Coated cutting tool and a process for its manufacture
CN111448339A (zh) * 2017-12-22 2020-07-24 欧瑞康表面处理解决方案股份公司普费菲孔 用于燃气轮机的涡轮叶片的防腐耐蚀涂层
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
CN212335269U (zh) * 2020-08-27 2021-01-12 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真空镀膜装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070269610A1 (en) * 2004-12-28 2007-11-22 Haruyo Fukui Coated Cutting Tool and Manufacturing Method Thereof
WO2008043606A1 (de) * 2006-10-10 2008-04-17 Oerlikon Trading Ag, Trübbach Schichtsystem mit zumindest einer mischkristallschicht eines mehrfachoxids
JP2011224768A (ja) * 2010-03-31 2011-11-10 Hitachi Tool Engineering Ltd 硬質皮膜被覆工具及びその製造方法
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
JP2013116509A (ja) * 2011-12-01 2013-06-13 Mitsubishi Materials Corp 表面被覆切削工具
US20200181757A1 (en) * 2017-07-31 2020-06-11 Walter Ag Coated cutting tool and a process for its manufacture
CN111448339A (zh) * 2017-12-22 2020-07-24 欧瑞康表面处理解决方案股份公司普费菲孔 用于燃气轮机的涡轮叶片的防腐耐蚀涂层
WO2020099605A1 (en) * 2018-11-14 2020-05-22 Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfäffikon Coating for enhanced performance and lifetime in plastic processing applications
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
CN212335269U (zh) * 2020-08-27 2021-01-12 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真空镀膜装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LI QINGYU等人: "Thickness Dependence of Structural and Optical Properties of Chromium Thin Films as an Infrared Reflector for Solar-thermal Conversion Applications", JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY-MATER, pages 1239 - 1247 *
刘杰;秦聪祥;: "PVD法制备的TiAlN/Al_2O_3复合涂层氧化铝陶瓷刀具切削性能研究", 组合机床与自动化加工技术, no. 06 *
刘海浪;羊建高;黄如愿;: "硬质合金涂层刀具研究进展", 凿岩机械气动工具, no. 02 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115505882A (zh) * 2022-09-14 2022-12-23 广东工业大学 氮化物结合氧化物双涂层的制备方法及涂层刀具

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