CN115961240B - 一种涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涂层,包覆于切削工具表面,包括依次设置的基层、功能层以及外层,其中:基层为AlCrN层,涂覆于切削工具表面;功能层包括第一层和第二层,第一层与第二层交错层叠循环多次,第一层位于基层背离切削工具的一侧,第一层为AlCrN层,第二层为AlCrN层和TiSiBNbN层的复合层;外层为TiSiBNbN层,位于第二层背离第一层的一侧,通过上述方式获得的涂层具有立方相氮化硼,有助于提高涂层硬度,涂层还具有Nb元素,能有效缓解AlCrN热分解的过程,并细化晶粒,有利于提高涂层的强度,以及涂层设为特定结构比例的纳米多层,即特定结构比例的基层、功能层以及外层,能有缓解效涂层残余应力。

Description

一种涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料切削领域,特别是涉及一种涂层及其制备方法。
背景技术
现代切削工具例如数控刀具所采用的材料一般为高速钢、硬质合金、陶瓷等材料,利用切削工具对金属机械或者其他材料进行切削加工时,在某些情况下,上述切削工具的硬度已不能满足对其他物品进行铣削加工。
为了增加切削工具的硬度,目前对切削工具表面进行涂层处理,这些涂层 一般使用CVD(化学气相沉积)工艺和/或PVD(物理气相沉积)工艺施加,使得具有涂层的切削工具拥有更长的使用寿命,且切削工具涂层一般选用含AlCrN成分的涂层,这种涂层因其具有高硬度、高耐磨性、高抗氧化能力等优点在材料切削领域得到广泛应用。
但将具有AlCrN成分涂层的切削工具应用至铣削加工P20钢或者更高硬度的材料时,涂层硬度不高,耐磨性能较差,切削工具磨损快,使用寿命不足以满足生产需要。
发明内容
基于此,有必要针对切削工具表面涂层硬度低,耐磨性差的问题,提供一种涂层及其制备方法。
一种涂层,包覆于切削工具表面,包括依次设置的基层、功能层以及外层,其中:
所述基层为AlCrN层,涂覆于所述切削工具表面;
所述功能层包括第一层和第二层,所述第一层与所述第二层交错层叠循环多次,所述第一层位于所述基层背离所述切削工具的一侧,所述第一层为AlCrN层,所述第二层为AlCrN层和TiSiBNbN层的复合层,其中所述复合层中具有立方相氮化硼;
所述外层为TiSiBNbN层,位于所述第二层背离所述第一层的一侧,且所述外层具有立方相氮化硼。
上述涂层,通过将基层设为耐磨性好、抗氧化性好的AlCrN,有助于提高涂层硬度,并使涂层耐磨性能得到提高;以及将功能层设为交错层叠循环多次的第一层和第二层,第一层为AlCrN层,第二层为AlCrN层与TiSiBNbN层的复合层,即功能层结合了AlCrN的优良耐磨性和抗氧化性以及TiSiBNbN的高硬度、摩擦系数低的特点,一方面有助于提高涂层硬度和耐磨性,另一方面在对切削工具进行镀膜的过程中,涂层中含有Nb元素有效缓解AlCrN热分解的过程,并细化晶粒,有利于提高涂层的强度;将外层设为硬度高、摩擦系数低的TiSiBNbN层时,也有助于提高涂层硬度和耐磨性,从而当具有上述涂层的切削工具应用在铣削过程中时,会减少切削工具的磨损,利于保护切削工具,提高切削工具的使用寿命。
在其中一个实施方式中,所述第一层与所述第二层交错层叠的循环次数为3次-10次。
在其中一个实施方式中,所述第二层中的AlCrN层与TiSiBNbN层的厚度均少于20nm,且AlCrN层与TiSiBNbN层厚度比例为2:1。
在其中一个实施方式中,所述第一层与所述第二层层厚度比例为1:1。
在其中一个实施方式中,所述功能层总厚度在0.5um-3.0um。
在其中一个实施方式中,所述基层厚度在0.2um-2.0um。
在其中一个实施方式中,所述外层厚度在0.2um-1.0um。
在其中一个实施方式中,所述涂层总厚度在1um-5um。
另外,如图2所示,本发明还公开了一种上述任一实施例中的涂层的制备方法,与镀膜设备配合使用,包括如下步骤:
S1、提供一个基体样品;
S2、将所述基体样品置于以AlxCry和TiaSibBcNbd为靶材的所述镀膜设备内其中x、y以及a、b、c、d是原子比,并且x+y=1,0.5≤x≤0.7以及a+b+c+d=1, 0.5≤a≤0.8,0.1≤b≤0.4, 0.02≤c≤0.1, 0.01≤d≤0.1;
S3、在所述基体样品表面沉积基层;
S4、在所述基层表面沉积功能层;
S5、在所述功能层表面沉积外层。
上述涂层制备方法,先通过步骤S1提供一个基体样品以提供涂层附着的物品,即模拟实际过程中的切削工具;再通过步骤S2将基体样品置于以AlxCry和TiaSibBcNbd为靶材的镀膜设备内以获得能提供立方氮化硼(CBN)和Nb元素的靶材;然后通过步骤S3在基体样品表面沉积基层,以获得AlCrN层;再通过步骤S4在基层表面沉积功能层,以获得交错层叠的第一层和第二层,使涂层具有特定的结构,便于后续缓解残余应力;接着通过步骤S5在功能层表面沉积外层,以获得TiSiBNbN;整个操作简单方便,可操作性强。以及通过上述方式获得的涂层具有立方相氮化硼,有助于提高涂层硬度,涂层还具有Nb元素,能有效缓解AlCrN热分解的过程,并细化晶粒,有利于提高涂层的强度,以及涂层设为特定结构比例的纳米多层,即特定结构比例的基层、功能层以及外层,能有缓解效涂层残余应力。
在其中一个实施方式中,在步骤S1后且在步骤S2之前,还包括如下步骤:对所述基体样品进行离子轰击清洗。
附图说明
图1为本发明提供的一种涂层结构示意图;
图2为本发明提供的一种涂层制备方法流程图。
其中:
10、涂层;100、基层;200、功能层;210、第一层;220、第二层;300、外层。
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。
下面结合附图介绍本发明实施方式提供的技术方案。如图1所示,本发明的一个实施方式提供了一种涂层10,应用于材料切削领域,设置于切削工具例如数控刀具表面以提高切削工具的硬度和耐磨性,使得切削工具的应用范围广,能对多种材料进行切削加工,提高切削工具的使用寿命,使得切削工具满足生产需要。
本申请中的涂层10,包覆于切削工具表面,涂层10包括依次设置的基层100、功能层200以及外层300,在具体设置时,切削工具可以是刀具或者是切削材料的其他工具,基层100、功能层200以及外层300依次结合为一体,其中:
基层100为AlCrN层,涂覆于切削工具表面,在具体设置时,一般将需要设置涂层10的切削工具置于复合离子镀膜设备进行镀膜,可以采用脉冲多弧离子镀膜或者高能磁控镀膜进行,具体为在真空条件下,利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离,并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下,将蒸发物质或其反应物沉积在切削工具上,以及通过将首个沉积在切削工具表面的基层100设为耐磨性好、抗氧化性好的AlCrN,有助于提高涂层10硬度,并使涂层10耐磨性能得到提高;
功能层200包括第一层210和第二层220,第一层210与第二层220交错层叠循环多次,第一层210位于基层100背离切削工具的一侧,第一层210为AlCrN层,第二层220为AlCrN层和TiSiBNbN层的复合层,通过上述设置,在涂层10中掺入了立方相氮化硼(CBN),CBN是非金属的硼化物,晶体结构为面心立方体,是一种人造材料,具有很高地硬度,从而有助于提高涂层10硬度,并使其耐磨性能得到提高,功能层200还结合了AlCrN的优良耐磨性和抗氧化性以及TiSiBNbN的高硬度、摩擦系数低的特点,一方面有助于提高涂层10硬度和耐磨性,另一方面在对切削工具进行镀膜的过程中,涂层10中含有Nb元素有效缓解AlCrN热分解的过程,并细化晶粒,有利于提高涂层10的强度;
外层300为TiSiBNbN层,外层300位于第二层220背离第一层210的一侧,通过上述设置,外层300中具有立方相氮化硼,有助于提高外层300硬度和耐磨性,在对需切削的材料进行切削时,可增加对材料进行切削的次数,提高工作效率。通过上述设置,将具有上述涂层10的切削工具应用在铣削P20钢的过程中时,由于界面键合、相干应变和界面分层的存在,AlCrN与TiSiBNbN之间的界面可以吸收能量,会导致裂纹偏转,阻碍裂纹向内部扩散,使具有涂层10的切削工具在铣削加工P20钢时,有效提高耐磨性以及抗冲击性。
上述涂层10,通过将基层100设为耐磨性好、抗氧化性好的AlCrN,有助于提高涂层10硬度,并使涂层10耐磨性能得到提高;以及将功能层200设为交错层叠循环多次的第一层210和第二层220,第一层210为AlCrN层,第二层220为AlCrN层与TiSiBNbN层的复合层,即功能层200结合了AlCrN的优良耐磨性和抗氧化性以及TiSiBNbN的高硬度、摩擦系数低的特点,一方面有助于提高涂层10硬度和耐磨性,另一方面在对切削工具进行镀膜的过程中,涂层10中含有Nb元素有效缓解AlCrN热分解的过程,并细化晶粒,有利于提高涂层10的强度;将外层300设为硬度高、摩擦系数低的TiSiBNbN层时,也有助于提高涂层10硬度和耐磨性,从而当具有上述涂层10的切削工具应用在铣削过程中时,会减少切削工具的磨损,利于保护切削工具,提高切削工具的使用寿命。
为了更好地提高涂层10的硬度和耐磨性,一种优选实施方式,第一层210与第二层220交错层叠的循环次数为3次-10次,在具体设置时,循环次数可以为4次、6次、8次、9次以及4-10中的任一值,以及将第一层210与第二层220交错层叠的循环次数设置为3次-10次是经过多次实验所得的最优设置方式。
为了进一步提高涂层10的硬度和耐磨性,一种优选实施方式,第二层220中的AlCrN层与TiSiBNbN层的厚度均少于20nm,且AlCrN层与TiSiBNbN层厚度比例为2:1,在具体设置时,第二层220中的AlCrN层与TiSiBNbN层的厚度均位于0nm-20nm之间。
为了减少涂层10的残余应力,一种优选实施方式,第一层210与第二层220层厚度比例为1:1,通过上述设置,以及在第一层210与第二层220交错层叠的循环次数设置为3次-10次,第二层220中的AlCrN层与TiSiBNbN层的厚度均少于20nm,且AlCrN层与TiSiBNbN层厚度比例为2:1时,涂层10为特定结构比例的纳米多层,AlCrN与TiSiBNbN多层膜形成了一个相干的外延生长结构,并在相应的调制周期范围内表现出超线束效应,使用XRD(X-rayDiffraction,X射线衍射)进行了结构分析,纳米多层涂层10的峰展宽增加,表明晶粒尺寸减小,其中层界面阻碍了多层涂层10的柱状生长,使得涂层10残余应力能有效缓解,并随着晶粒尺寸减小,涂层10硬度得到提高。
为了更好地客户使用体验,一种优选实施方式,功能层200总厚度在0.5um-3.0um,在具体设置时,功能层200总厚度可以为0.9um、1.3um、1.7um、2.1um、2.5um以及0.5um-3.0um中的任一值。
为了在保证质量的同时减少涂层10的厚度,一种优选实施方式,基层100厚度在0.2um-2.0um,在具体设置时,基层100总厚度可以为0.5um、0.8um、1.2um、1.5um、1.8um以及0.2um-2.0um中的任一值。
为了外层300具有更好地减磨效果,一种优选实施方式,外层300厚度在0.2um-1.0um,在具体设置时,外层300总厚度可以为0.3um、0.5um、0.7um、0.9um以及0.2um-1.0um中的任一值,外层300是直接与被切削材料接触的面,外层300的耐磨性是极其重要的,通过多次测试得出当外层300厚度在0.2um-1.0um时,具有更好地耐磨性。
为了保证切削工具具有优良硬度和耐磨性的同时保持轻薄的使用感,一种优选实施方式,涂层10总厚度在1um-5um,在具体设置时,涂层10总厚度可以为2um、2.5um、3um、3.5um、4um以及1um-5um中的任一值。
另外,如图2所示,本发明还公开了一种上述任一实施例中的涂层10的制备方法,与镀膜设备配合使用,包括如下步骤:
步骤S1、提供一个基体样品,以基体样品模拟实际中的切削工具,在具体设置时,基体样品可以选用单晶硅片,单晶硅片的取向是100,以及单晶硅片的尺寸一般为长20mm、宽10mm 以及高0.5mm的长方片;基体样品可以选用奥氏体不锈钢片,奥氏体不锈钢片的尺寸一般为长50mm、宽10mm 以及高0.6mm的长方片;基体样品可以选用硬质合金测试块,硬质合金测试块的尺寸一般为长20mm、宽20mm 以及高5mm的长方体;基体样品可以选用硬质合金片,硬质合金片的尺寸一般为长20mm、宽10mm 以及高0.5mm的长方片;基体样品还可以选用多晶氧化铝片,多晶氧化铝片的尺寸一般为长20mm、宽10mm 以及高0.5mm的长方片。
步骤S2、将基体样品置于以AlxCry和TiaSibBcNbd为靶材的镀膜设备内,其中x、y以及a、b、c、d是原子比,并且x+y=1,0.5≤x≤0.7以及a+b+c+d=1, 0.5≤a≤0.8,0.1≤b≤0.4, 0.02≤c≤0.1, 0.01≤d≤0.1。在具体设置时,基体样品置于镀膜设备内可以采用脉冲多弧离子镀膜或高能磁控镀膜的方式进行镀膜以获得涂层10,具体为基体样品放置于双重旋转式工件架上,基体样品距离阴极弧源25cm。
步骤S3、在基体样品表面沉积基层100,基层100为AlCrN层,在对基体样品进行镀膜处理以获得基层100时,具体的操作和参数如下:通入氮气,腔压维持在3.5pa至4.5pa,腔压具体可以为3.8pa、4pa、4.2 pa、4.4 pa以及3.5pa-4.5pa中的任一值;基体偏压设置为-40V至-80V之间,基体偏压可以设置为-50V、-60V、-70V、-75V以及-40V至-80V中的任一值;涂层10温度控制低于500℃;当使用脉冲多弧离子镀膜时,弧电源选用500Hz,占空比设置为20-40,占空比可以设置为25、30、35、38以及20至40中的任一值;平均弧电流控制在200A;
步骤S4、在基层100表面沉积功能层200,在基体样品获得基层100后,接着进行镀膜处理以获得功能层200,具体为先镀膜获得第一层210,再进行镀膜获得第二层220,然后再进行镀膜第一层210和第二层220的循环,循环的次数在3次-10次之间,其中第一层210为AlCrN层,第二层220为AlCrN层和TiSiBNbN层的复合层,在镀膜第二层220时,可以先镀膜形成AlCrN层再形成TiSiBNbN层,或者先镀膜形成TiSiBNbN层再形成AlCrN层,在具体形成功能层200的过程中,具体的操作和参数与S2中的一致;
步骤S5、在功能层200表面沉积外层300,外层300为TiSiBNbN层,在基体样品获得功能层200后,接着进行镀膜处理以获得外层300时,具体的操作和参数与S2中的一致,通过步骤S5以获得外层300后得到了最终具有涂层10的基体样品,可将具有涂层10的基体样品用于性能测试中,例如硬度性能测试、摩擦性能测试、抗高温氧化性能测试等以便确定通过上述方式制出的涂层10是否具有更优异的性能,以及将具有涂层10的基体样品进行残余应力测试,获得其残余应力为-3GPa;将具有涂层10的基体样品进行硬度测试,获得其硬度为40GPa;将具有涂层10的基体样品进行韧性测试,获得其韧性为1.205MPa·m1/2,在高温1000℃时对具有涂层10的基体样品进行硬度测试,其硬度为38.5GPa;在800℃高温下将具有涂层10的基体样品与材料为Al2O3的球进行摩擦测试,具有涂层10的基体样品的摩擦因数为0.35;将具有涂层10的基体样品进行抗高温氧化性能测试,具有涂层10的基体样品抗高温氧化温度为1100℃,以及通过实验得出,具有涂层10的基体样品在铣削P20钢时能达正常工况寿命的2倍以上,上述涂层10有效提高了基体样品即切削工具的耐磨性。
上述涂层10制备方法,先通过步骤S1提供一个基体样品以提供涂层10附着的物品,即模拟实际过程中的切削工具;再通过步骤S2将基体样品置于以AlxCry和TiaSibBcNbd为靶材的镀膜设备内,以获得能提供立方氮化硼和Nb元素的靶材;然后通过步骤S3在基体样品表面沉积基层100,以获得AlCrN层;再通过步骤S4在基层100表面沉积功能层200,以获得交错层叠的第一层210和第二层220,使涂层10具有特定的结构,便于后续缓解残余应力;接着通过步骤S5在功能层200表面沉积外层300,以获得TiSiBNbN;整个操作简单方便,可操作性强。以及通过上述方式获得的涂层10具有立方相氮化硼,有助于提高涂层10硬度,涂层10还具有Nb元素,能有效缓解AlCrN热分解的过程,并细化晶粒,有利于提高涂层10的强度,以及涂层10设为特定结构比例的纳米多层,即特定结构比例的基层100、功能层200以及外层300,能有缓解效涂层10残余应力。
为了使涂层10能更好地沉积在基体样品上,一种优选实施方式,在步骤S1“提供一个基体样品”后且在步骤S2“将基体样品置于以AlxCry和TiaSibBcNbd为靶材的镀膜设备内,其中x、y以及a、b、c、d是原子比,并且x+y=1,0.5≤x≤0.7以及a+b+c+d=1, 0.5≤a≤0.8,0.1≤b≤0.4, 0.02≤c≤0.1, 0.01≤d≤0.1”之前,包括如下步骤:对基体样品进行离子轰击清洗。
在具体设置时,先将基体样品在丙酮和乙醇中超声波清洗3min-8min,具体可以为4min、5min、6min以及3min-8min的任一值,再对基体样品进行离子轰击清洗,具体参数和操作如下:通入氩气,真空度在0.2Pa到1.0Pa之间,具体可以为0.4Pa、0.6Pa、0.8Pa以及0.2Pa-1.0Pa的任一值,温度提高至450℃至600℃,具体可以为500℃、540℃、580℃以及450℃-600℃的任一值,基底的偏压为-100V至-600V,具体可以为-200V、-400V、-500V以及-100V至-600V的任一值,利用电弧增强辉光放电电源或者离子源电源,对基体表面进行氩离子刻蚀,离子轰击清洗的时间为30min-60min,具体可以为35min、40min、50min以及30min-60min的任一值。
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 (10)

1.一种涂层,包覆于切削工具表面,其特征在于,包括依次设置的基层、功能层以及外层,其中:
所述基层为AlCrN层,涂覆于所述切削工具表面;
所述功能层包括第一层和第二层,所述第一层与所述第二层交错层叠循环多次,所述第一层位于所述基层背离所述切削工具的一侧,所述第一层为AlCrN层,所述第二层为AlCrN层和TiSiBNbN层的复合层,其中所述复合层中具有立方相氮化硼;
所述外层为TiSiBNbN层,位于所述第二层背离所述第一层的一侧,且所述外层具有立方相氮化硼。
2.根据权利要求1所述的涂层,其特征在于,所述第一层与所述第二层交错层叠的循环次数为3次-10次。
3.根据权利要求1所述的涂层,其特征在于,所述第二层中的AlCrN层与TiSiBNbN层的厚度均少于20nm,且AlCrN层与TiSiBNbN层厚度比例为2:1。
4.根据权利要求1所述的涂层,其特征在于,所述第一层与所述第二层层厚度比例为1:1。
5.根据权利要求1所述的涂层,其特征在于,所述功能层总厚度在0.5um-3.0um。
6.根据权利要求1所述的涂层,其特征在于,所述基层厚度在0.2um-2.0um。
7.根据权利要求1所述的涂层,其特征在于,所述外层厚度在0.2um-1.0um。
8.根据权利要求1所述的涂层,其特征在于,所述涂层总厚度在1um-5um。
9.一种如权利要求1至8任一项所述的涂层的制备方法,与镀膜设备配合使用,其特征在于,包括如下步骤:
S1、提供一个基体样品;
S2、将所述基体样品置于以AlxCry和TiaSibBcNbd为靶材的所述镀膜设备内其中x、y以及a、b、c、d是原子比,并且x+y=1,0.5≤x≤0.7以及a+b+c+d=1, 0.5≤a≤0.8,0.1≤b≤0.4,0.02≤c≤0.1, 0.01≤d≤0.1;
S3、在所述基体样品表面沉积基层;
S4、在所述基层表面沉积功能层;
S5、在所述功能层表面沉积外层。
10.根据权利要求9所述的涂层制备方法,其特征在于,在步骤S1后且在步骤S2之前,还包括如下步骤:对所述基体样品进行离子轰击清洗。
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