CN206940975U - 纳米复合涂层刀具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种纳米复合涂层刀具，该纳米复合涂层刀具包括刀具基体，所述刀具基体的外表面设有由内至外依次层叠的第一涂层、第二涂层、第三涂层和第四涂层；所述第一涂层为多种VIB族金属元素形成的合金涂层，所述第二涂层为第一氮化物层和第二氮化物层交替层叠而成的纳米超晶格涂层，所述第一氮化物层为氮元素和多种VIB族金属元素形成的氮化物层，所述第二氮化物层为TiBN纳米涂层，所述第三涂层为TiBCN纳米涂层，所述第四涂层为TiBC纳米涂层。该纳米复合涂层刀具具有较高的硬度、良好的耐磨耐腐蚀及自润滑性能，对有色金属加工，特别是铝合金材料加工具有良好的使用效果，且成本较低，极易大规模工业化生产。

Description

纳米复合涂层刀具

技术领域

本实用新型涉及刀具领域，特别是涉及一种纳米复合涂层刀具。

背景技术

随着中国汽车、飞机、航空航天、模具等精密制造业的快速发展，金属加工刀具的生产规模越来越大，质量要求也越来越高。近年我国高端刀具市场约有200亿元人民币以上规模，但高端市场基本上为进口刀具，国产比率不足20％，依据2005-2013年我国进口刀具规模变化趋势分析，呈逐年增长趋势。

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。目前发达国家90％刀具采用涂层处理，我国涂层刀具比例较低，不足50％。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。

在高速高效切削加工中，对于高硬度、高耐磨难加工材料的切削加工，目前所使用的涂层刀具已无法满足要求，特别是近年来随着3C产品的开发应用，有色金属加工，特别是铝合金材料的加工成为刀具应用的一个重要领域。目前市场上存在的有色金属加工用刀具，在高端领域一般采用金刚石涂层刀具，大大增加了生产成本，同时金刚石涂层的生产过程对刀具基体要求严格，一般高速钢刀具无法涂覆金刚石涂层，而且金刚石涂层刀具耐温温度低，在切削过程中，需要使用大量的冷却液，目前市场上金刚石涂层加工产能有限，无法满足日益增长的市场要求。面对金刚石涂层的市场现状，对于一些中低端应用领域的铝合金切削加工刀具，为了控制成本，只能采用不涂层刀具进行加工，在铝合金切削加工中，由于铝合金材料粘刀造成的排屑不畅导致刀具失效是刀具报废的主要原因。

实用新型内容

针对上述现有的涂层刀具成本较高及生产难度大的问题，有必要提供一种具有高性能、低成本、易生产的纳米复合涂层刀具。

具体的技术方案如下：

一种纳米复合涂层刀具，包括刀具基体，所述刀具基体的外表面设有由内至外依次层叠的第一涂层、第二涂层、第三涂层和第四涂层；所述第一涂层为多种VIB族金属元素形成的合金涂层，所述第二涂层为第一氮化物层和第二氮化物层交替层叠而成的纳米超晶格涂层，所述第一氮化物层为氮元素和多种VIB族金属元素形成的氮化物层，所述第二氮化物层为TiBN纳米涂层，所述第三涂层为TiBCN纳米涂层，所述第四涂层为TiBC纳米涂层。

本实用新型的纳米复合涂层刀具的第一涂层作为合金粘结层，可以极大地提高后续涂层的附着力；第二涂层通过第一氮化物层和第二氮化物层交替层叠形成纳米复合超晶格结构，提高了涂层对刀具基体的结合力、涂层韧性和抗裂纹扩展能力；第三涂层为非晶纳米晶复合结构，具有长程无序和短程有序的特点，没有晶界和位错等缺陷，不会由于位错运动而产生滑移现象，且原子间的键合作用比一般晶态合金强，具有较高的强度、硬度和耐磨性，同时由于组织均匀且本身活性很高，因而能够在表面快速形成均匀致密的钝化膜，可以阻止内部进一步腐蚀，使刀具具有较高的硬度和良好的耐腐蚀性；第三涂层与第四涂层中的元素B、C与有色金属亲和性低，在加工过程中不粘刀、排屑顺畅，具有自润滑性，对有色金属加工，特别是铝合金材料加工具有良好的使用效果，且成本较低，极易大规模工业化生产。

在其中一个实施例中，所述第一涂层中的VIB族金属元素的种类和所述第一氮化物层中的VIB族金属元素的种类相同。

在其中一个实施例中，所述第二涂层中的最内层为所述第一氮化物层。

在其中一个实施例中，所述第一涂层为CrMo、MoW或CrW合金涂层。

在其中一个实施例中，所述第一涂层的厚度为50～200nm。

在其中一个实施例中，所述第二涂层的厚度为500～2000nm。

在其中一个实施例中，所述第三涂层的厚度为200～1000nm。

在其中一个实施例中，所述第四涂层的厚度为200～500nm。

在其中一个实施例中，所述第二涂层中，单层所述第一氮化物层和单层所述第二氮化物层的厚度均为10～30nm。

在其中一个实施例中，所述刀具基体由高速钢或硬质合金制成。

附图说明

图1为一实施例的纳米复合涂层刀具的单边涂层截面示意图；

图2为本实用新型的实施例中所采用的物理气相沉积设备的结构示意图；

图3为实施例1所制备的纳米复合涂层刀具的硬度随压入深度变化曲线图；

图4为实施例1所制备的纳米复合涂层刀具的摩擦系数随磨损时间变化曲线图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“安装于”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“连通”另一个元件，它可以是直接连通到另一个元件或者可能同时存在居中元件。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。

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实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型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，不是旨在于限制本实用新型。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，本实用新型一实施例的纳米复合涂层刀具100包括刀具基体10，刀具基体10的外表面设有由内至外依次层叠的第一涂层20、第二涂层30、第三涂层40及第四涂层50。第一涂层20为多种VIB族金属元素形成的合金涂层，第二涂层30为第一氮化物层和第二氮化物层交替层叠而成的纳米超晶格涂层，第一氮化物层为氮元素和多种VIB族金属元素形成的氮化物层，第二氮化物层为TiBN纳米涂层，第三涂层40为TiBCN纳米涂层，第四涂层50为TiBC纳米涂层。

值得一提的是，纳米复合涂层是将具有纳米结构的不同成分的膜层进行两层及以上的相互叠加，垂直覆盖在集体材料上形成的涂层。在纳米复合涂层的制备过程中，正是通过控制涂层每一层的成分和厚度及其相互之间的配合来获得具有不同性能的涂层。

本实施例的纳米复合涂层刀具100的第一涂层20作为合金粘结层，可以极大地提高后续涂层的附着力；第二涂层30通过第一氮化物层和第二氮化物层的交替层叠形成了纳米复合超晶格结构，提高了涂层对刀具基体10的结合力、涂层韧性和抗裂纹扩展能力；第三涂层40为非晶纳米晶复合结构，具有长程无序和短程有序的特点，没有晶界和位错等缺陷，不会由于位错运动而产生滑移现象，且原子间的键合作用比一般晶态合金强，具有较高的强度、硬度和耐磨性，同时由于组织均匀且本身活性很高，因而能够在表面快速形成均匀致密的钝化膜，可以阻止内部进一步腐蚀，使刀具具有较高的硬度和良好的耐腐蚀性；第三涂层40与第四涂层50中的元素B、C与有色金属亲和性低，在加工过程中不粘刀、排屑顺畅，具有自润滑性，对有色金属加工，特别是铝合金材料加工具有良好的使用效果，且成本较低，极易大规模工业化生产。

具体地，第一涂层20中的VIB族金属元素和第一氮化物层中的VIB族金属元素均选自Cr、Mo和W中的至少两种。对应地，第一涂层20为CrMo、MoW、CrW或CrMoW合金涂层。更优选地，第一涂层20为CrMo、MoW或CrW合金涂层。

可选地，在同一实施例中，第一涂层20中的VIB族金属元素的种类和第一氮化物层中的VIB族金属元素的种类相同，元素种类相同粘结效果更好，从而可增强第一涂层20和第二涂层30之间的附着力。可以理解，第一涂层20中的VIB族金属元素的种类和第一氮化物层中的VIB族金属元素的种类可以不完全相同。

可选地，第二涂层30中的最内层为第一氮化物层，即第二涂层30由内至外按照第一氮化物层、第二氮化物层的顺序交替层叠，与第一涂层20相邻的为第一氮化物层，VIB族金属元素与其氮化物之间距离更近，粘结效果更好，从而可进一步提高第一涂层20和第二涂层30之间的附着力。

可选地，第一涂层20的厚度为50～200nm，第二涂层30的厚度为500～2000nm，第三涂层40的厚度为200～1000nm，第四涂层50的厚度为200～500nm。

可选地，第二涂层30中，单层第一氮化物层和单层第二氮化物层的厚度均为10～30nm。

可选地，刀具基体10由高速钢或硬质合金制成。

上述纳米复合涂层刀具100的制备方法，包括以下步骤：采用物理气相沉积方法，在刀具基体的外表面依次沉积第一涂层、第二涂层、第三涂层及第四涂层，得到所述纳米复合涂层刀具100。

物理气相沉积是指在真空情况下，利用物理方法使得固态的靶材被蒸发或者溅射变成气态的原子、离子或等离子体，与气氛中被电离的气体或反应或碰撞，并在电场作用下加速沉积在基体表面形成具有特殊功能的薄膜材料的过程。

采用物理气相沉积技术制备纳米复合涂层刀具100的方法，具体包括以下步骤S1～S6。

步骤S1、将刀具基体进行加热处理。

具体地，将刀具基体在真空度为0.005～0.03Pa，温度为350～500℃的条件下加热1～3小时。

步骤S2、加热处理完毕后，对刀具基体进行Ar等离子体刻蚀。

具体地，加热处理完毕后，在真空度为0.05～3Pa，温度为400～480℃，刀具基体的转速为1～5rpm，偏压为-600～-1000V的条件下，对刀具基体进行Ar等离子体刻蚀20～30min，进一步去除表面的氧化层和污物，提高膜/基结合强度。

步骤S3、刻蚀结束后，在刀具基体的外表面沉积第一涂层。

具体地，步骤S3的条件为：真空度为0.2～2Pa，沉积气氛为氩气气氛，温度为400～480℃，刀具基体的转速为1～5rpm，偏压为-80～-150V，使多种VIB族金属元素沉积在刀具基体表面形成第一涂层。更具体的，沉积靶材可以是多种不同的VIB族金属单质靶材，也可以是所需多种VIB族金属对应的合金靶材。例如，第一涂层20为CrMo时，采用的沉积靶材可以为Cr单质靶材和Mo单质靶材，也可以为CrMo合金靶材。

步骤S4、在第一涂层上沉积第二涂层。

具体地，步骤S4的条件为：真空度为0.5～2Pa，沉积气氛为氮气气氛，温度为400～480℃，刀具基体的转速为1～5rpm，偏压为-50～-100V，使多种VIB族金属元素和TiB₂交替与气氛中被电离的氮气反应或碰撞后分别形成第一氮化物层和第二氮化物层沉积在第一涂层表面，得到第二涂层。

步骤S5、在第二涂层上沉积第三涂层。

具体地，步骤S5的条件为：真空度为2～5Pa，沉积气氛为氮气和含碳元素气体气氛，温度为400～480℃，刀具基体的转速为1～5rpm，偏压为-40～-80V，使TiB₂与气氛中被电离的氮气及含碳元素气体反应或碰撞后形成TiBCN沉积在第二涂层表面，得到第三涂层。其中，含碳元素气体可以是C₂H₂或CH₄。

步骤S6、在第三涂层上沉积第四涂层，得到上述纳米复合涂层刀具100。

具体地，步骤S6的条件为：真空度为0.3～1Pa，沉积气氛为含碳元素气体气氛，温度为400～480℃，刀具基体的转速为1～2rpm，偏压为-50～-100V，使TiB₂与气氛中被电离的含碳元素气体反应或碰撞后形成TiBC沉积在第三涂层表面，得到第四涂层。其中，含碳元素气体可以是C₂H₂或CH₄。

进一步地，该制备方法还包括以下步骤：第四涂层沉积结束后，在真空环境下自然冷却，温度降至150℃以下后，取出上述纳米复合涂层刀具100。

采用本制备方法制备的纳米复合涂层刀具100，具有较高的硬度、良好的耐磨耐腐蚀及自润滑性能，对有色金属加工，特别是铝合金材料加工具有良好的使用效果，且成本较低，极易大规模工业化生产。

在其中一个具体实施例中，所采用的物理气相沉积设备如图2所示，该设备的沉积室由炉壁围成，沉积室侧面设有炉门，方便工件的装卸。沉积室设有抽气口，抽真空机组通过抽气口对沉积室进行抽真空，抽真空机组可由分子泵和机械泵组成。沉积室炉壁四周安装有靶材和加热器，其中A和B为VIB族金属靶，C和D为TiB₂合金靶。可以理解，A和B可以是不同的VIB族金属单质靶，也可以是对应所需的VIB族金属合金靶。E为加热器，加热功率10～35千瓦，能提高加热效率。刀具基体可安装在沉积室的工件架上，工件架的下方连接有转动装置，用于带动工件架及刀具基体一起转动，转动使刀具基体两面的沉积效果相同，从而避免涂层只能单面沉积以及沉积不均的问题，保证涂层沉积过程的均匀性。

以下结合具体实施例对本实用新型的纳米复合涂层刀具作进一步详细的说明。

本实用新型实施例均所采用如图2所示的物理气相沉积设备，其中A和B为相应的合金靶，C和D为TiB₂合金靶。

实施例1

首先，对刀具基体10表面进行抛光处理，用酒精进行除锈、除油、除杂清洗，再用超声波进行最后的清洗工作，并用热风机烘干。

接着将刀具基体10装夹在设备工件架上，关闭炉门，将沉积室抽真空，当真空度达到0.005Pa时，通过沉积室内的加热器对刀具基体10进行加热，加热至350℃并维持3个小时。

加热完毕后，设定沉积室内真空度为0.05Pa，温度为400℃，工件架转速为1rpm，偏压为-600V，开启离子源对刀具基体10进行Ar等离子体刻蚀30分钟。

刻蚀结束后，在氩气气氛中，设定沉积室真空度为0.2Pa，温度为400℃、工件架转速为1rpm、偏压为-80V，启动CrW合金靶，在刀具基体10上沉积50nm厚的第一涂层20：CrW合金涂层。

第一涂层20沉积结束后，在氮气气氛中，设定沉积室真空度为0.5Pa，温度为400℃，工件架转速为1rpm，偏压为-50V，依次交替启动CrW合金靶和TiB₂合金靶，在第一涂层20上沉积2000nm厚的第二涂层30：CrWN和TiBN交替层叠构成的纳米超晶格结构层，其中单层CrWN和单层TiBN的厚度分别为10nm。

第二涂层30沉积结束后，在氮气和乙炔气氛中，设定沉积室真空度为2Pa，温度为400℃，工件架转速为1rpm，偏压为-40V，启动TiB₂合金靶，在第二涂层30上沉积1000nm厚的第三涂层40：TiBCN非晶纳米晶复合层。

第三涂层40沉积结束后，在乙炔气氛中，设定沉积室真空度为0.3Pa，温度为400℃，工件架转速为1rpm，偏压为-50V，启动TiB₂合金靶，在第三涂层40上沉积200nm厚的第四涂层50：TiBC涂层。

第四涂层50沉积结束后，在真空环境下自然冷却，当温度降低到150℃以下时，打开沉积室炉门，取出纳米复合涂层刀具100冷却至室温。

实施例2

首先，对刀具基体10表面进行抛光处理，用酒精进行除锈、除油、除杂清洗，再用超声波进行最后的清洗工作，并用热风机烘干。

接着将刀具基体10装夹在设备工件架上，关闭炉门，将沉积室抽真空，当真空度达到0.008Pa时，通过沉积室内的加热器对刀具基体10进行加热，加热至400℃并维持2个小时。

加热完毕后，设定沉积室内真空度为1Pa，温度为420℃，工件架转速为1rpm，偏压为-700V，开启离子源对刀具基体10进行Ar等离子体刻蚀25分钟。

刻蚀结束后，在氩气气氛中，设定沉积室真空度为1Pa，温度为420℃、工件架转速为1rpm、偏压为-100V，启动CrMo合金靶，在刀具基体10上沉积100nm厚的第一涂层20：CrMo合金涂层。

第一涂层20沉积结束后，在氮气气氛中，设定沉积室真空度为1Pa，温度为420℃，工件架转速为3rpm，偏压为-80V，依次交替启动CrMo合金靶和TiB₂合金靶，在第一涂层20上沉积1500nm厚的第二涂层30：CrMoN和TiBN交替层叠构成的纳米超晶格结构层，其中单层CrWN和单层TiBN的厚度分别为15nm。

第二涂层30沉积结束后，在氮气和乙炔气氛中，设定沉积室真空度为3Pa，温度为420℃，工件架转速为1rpm，偏压为-50V，启动TiB₂合金靶，在第二涂层30上沉积200nm厚的第三涂层40：TiBCN非晶纳米晶复合层。

第三涂层40沉积结束后，在甲烷气氛中，设定沉积室真空度为0.5Pa，温度为420℃，工件架转速为1rpm，偏压为-80V，启动TiB₂合金靶，在第三涂层40上沉积300nm厚的第四涂层50：TiBC涂层。

第四涂层50沉积结束后，在真空环境下自然冷却，当温度降低到150℃以下时，打开沉积室炉门，取出纳米复合涂层刀具100冷却至室温。

实施例3

首先，对刀具基体10表面进行抛光处理，用酒精进行除锈、除油、除杂清洗，再用超声波进行最后的清洗工作，并用热风机烘干。

接着将刀具基体10装夹在设备工件架上，关闭炉门，将沉积室抽真空，当真空度达到0.03Pa时，通过沉积室内的加热器对刀具基体10进行加热，加热至500℃并维持1个小时。

加热完毕后，设定沉积室内真空度为3Pa，温度为480℃，工件架转速为2rpm，偏压为-1000V，开启离子源对刀具基体10进行Ar等离子体刻蚀20分钟。

刻蚀结束后，在氩气气氛中，设定沉积室真空度为2Pa，温度为480℃、工件架转速为2rpm、偏压为-150V，启动MoW合金靶，在刀具基体10上沉积200nm厚的第一涂层20：MoW合金涂层。

第一涂层20沉积结束后，在氮气气氛中，设定沉积室真空度为2Pa，温度为480℃，工件架转速为5rpm，偏压为-100V，依次交替启动MoW合金靶和TiB₂合金靶，在第一涂层20上沉积500nm厚的第二涂层30：MoWN和TiBN交替层叠构成的纳米超晶格结构层，单层CrWN和单层TiBN的厚度分别为25nm。

第二涂层30沉积结束后，在氮气和乙炔气氛中，设定沉积室真空度为5Pa，温度为480℃，工件架转速为5rpm，偏压为-80V，启动TiB₂合金靶，在第二涂层30上沉积1000nm厚的第三涂层40：TiBCN非晶纳米晶复合层。

第三涂层40沉积结束后，在乙炔气氛中，设定沉积室真空度为1Pa，温度为480℃，工件架转速为5rpm，偏压为-100V，启动TiB₂合金靶，在第三涂层40上沉积500nm厚的第四涂层50：TiBC涂层。

第四涂层50沉积结束后，在真空环境下自然冷却，当温度降低到150℃以下时，打开沉积室炉门，取出纳米复合涂层刀具100冷却至室温。

图3所示为实施例1所制备的纳米复合涂层刀具100的硬度随压入深度变化曲线图，从图可知，纳米复合涂层刀具100的硬度可达40Gpa，硬度性能表现优异。图4所示为实施例1所制备的纳米复合涂层刀具100的摩擦系数随磨损时间变化曲线图，从图可知，纳米复合涂层刀具100在磨损时间达到15min后，摩擦系数不再发生明显增长，稳定在0.25～0.28之间，具有十分优异的耐摩擦性能。

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实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种纳米复合涂层刀具，其特征在于，包括刀具基体，所述刀具基体的外表面设有由内至外依次层叠的第一涂层、第二涂层、第三涂层和第四涂层；所述第一涂层为多种VIB族金属元素形成的合金涂层，所述第二涂层为第一氮化物层和第二氮化物层交替层叠而成的纳米超晶格涂层，所述第一氮化物层为氮元素和多种VIB族金属元素形成的氮化物层，所述第二氮化物层为TiBN纳米涂层，所述第三涂层为TiBCN纳米涂层，所述第四涂层为TiBC纳米涂层。

2.根据权利要求1所述的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述第一涂层中的VIB族金属元素的种类和所述第一氮化物层中的VIB族金属元素的种类相同。

3.根据权利要求1所述的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述第二涂层中的最内层为所述第一氮化物层。

4.根据权利要求1所述的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述第一涂层为CrMo、MoW或CrW合金涂层。

5.根据权利要求1所述的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述第一涂层的厚度为50～200nm。

6.根据权利要求1所述的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述第二涂层的厚度为500～2000nm。

7.根据权利要求1所述的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述第三涂层的厚度为200～1000nm。

8.根据权利要求1所述的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述第四涂层的厚度为200～500nm。

9.根据权利要求1所述的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述第二涂层中，单层所述第一氮化物层和单层所述第二氮化物层的厚度均为10～30nm。

10.根据权利要求1所述的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述刀具基体由高速钢或硬质合金制成。