[发明专利]一种复合陶瓷刀具结构及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及金属切削加工工具，尤其涉及一种复合陶瓷刀具结构及其制备工艺。

背景技术

应用于金属切削加工的刀具的主要类型有硬质合金刀具、高速钢刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具以及陶瓷刀具。其中，陶瓷刀具具有高硬度、高耐磨性、耐高温、不粘金属碎屑、化学性质稳定因而不易变质等诸方面的优点，并且随着工艺的不断改善，其抵抗冲击断裂的能力也不断提升。另外制备陶瓷刀具的Al₂O₃、SiO₂、N、C等原材料在地球的储量及其丰富，随着技术的进步，成本会不断降低；相反，硬质合金刀具和高速钢刀具的原材料随着长期的开采已经呈现出枯竭的态势，预期成本会日益增高。以上多方面的因素促使对陶瓷刀具的技术研发成为了当前国内外的热点。特别是随着我国传统制造业升级的战略步伐不断迈进，通过对陶瓷刀具新技术的研发和推广，可以增强金属加工能力，降低制造成本，对提高整个基础工业的水平具有较大的意义。

陶瓷刀具技术自上世纪60年代以来不断发展进步，期间又演化出若干主要的产品类型，如氧化铝基陶瓷刀具、氮化硅基陶瓷刀具、晶须增韧陶瓷刀具、相变增韧陶瓷刀具等等。2000年以来，表面涂层陶瓷复合刀具成为了技术发展的重心。

表面涂层陶瓷复合刀具在硬质陶瓷基底上布覆涂层，较好解决了刀具材料韧性和硬度之间的矛盾关系，而且通过涂层可以取得抗表面皲裂、抗磨损、增强润滑性、强化表面化学稳定性、加强表面导电性、降低与被切削金属亲和性等多种有益效果。

目前，表面涂层陶瓷复合刀具已经普遍采用布覆多层涂层的工艺。例如，申请号为201610646873.9的中国专利“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”中公开了以金属、硬质合金或陶瓷作为刀具的基体，而将Al₈₀Cr₂₀N层和Cr₅₀Al₅₀N层交替沉积在基体上，所得的高硬度CrAlN涂层提高了硬度、弹性模量和抗高温氧化性能，可用作高速干式切削。

申请号201510813725.7的中国专利“一种具有超高硬度的纳米结构涂层及其制备方法”公开了由至少一个TiSiN层和至少一个CrAlN层构成的纳米结构涂层，所述TiSiN层和CrAlN层交替沉积在基体上；其制备方法为对基体进行超声清洗、离子清洗之后交替溅射TiSiN层和CrAlN层。交替沉积的TiSiN层和CrAlN层形成共格界面使位错运动得到有效限制，所得涂层具有优异的力学、抗高温氧化性能。

申请号201380049876.9的专利“具有TiAlCrSiN PVD涂层的工具”公开了以陶瓷等作为主体，并通过PVD工艺在主体上施加多层耐磨保护性涂层；耐磨保护性涂层包含至少一个TiAlN层和至少4个交替堆叠的TiSiN和AlCrN子层，还可以包含TiSiN层。以上涂层形成了高硬度和高弹性模量的组合，能够确保高耐磨性，并且降低了脆性，避免涂层的过早损坏。

可见，在陶瓷刀具基体表面布覆多层涂层的技术方案当中，可以通过各类型涂层的相互组合，在硬度和韧性两方面取得平衡，提升涂层的抗磨损和抗表面皲裂、冲击损坏的性能，延长涂层的寿命；并且，还可以通过各种功能性的涂层组合在润滑性、化学稳定性、导电性、防碎屑方面取得明显的改善。

然而，保证基体与涂层之间以及各层涂层相互之间的紧密牢固结合是多层涂层复合陶瓷刀具需要解决的重要问题。为了抵御磨损，涂层需要具备较高的硬度，这也使得涂层之间界面由于材料不同而产生的层间应力增加，结合度不足。结合度不足会导致涂层在切削过程的冲击下发生皲裂脱落，降低刀具的使用寿命。