[发明专利]具有多梯度涂层的刀具及制备方法

说明书

本发明涉及具有多梯度涂层的刀具及制备方法，包括基材和在沉积在基材表面的多梯度涂层，多梯度涂层包括由靠近基材的内侧往外侧依次设置的（Al,Cr）N的底层结合层、（Ti,Al）N的耐磨层和（Ti,Al,Cr）N的抗黏着层；（Al,Cr）N的底层结合层为单一的Al_1‑xCr_xN层，（Ti,Al）N的耐磨层为单一的Ti_1‑yAl_yN层，（Ti,Al,Cr）N的抗黏着层由交替的Al_1‑xCr_xN子层和Ti_1‑yAl_yN子层构成层合结构，多层层合结构构成多层纳米层复合结构，其中0.1≤x≤0.3，0.45≤y≤0.55。具有多梯度涂层的刀具能够解决切屑黏着造成的崩刃和耐磨性较差的刀具刃口上的月牙洼磨损，并且能够有效保证涂层和刀具基材之间的结合力。

技术领域

本发明涉及用于成屑金属加工的涂层切削工具技术领域，尤其涉及具有多梯度涂层的刀具及制备方法。

背景技术

立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料，因其在热稳定性和化学稳定性上的优势，很好地弥补了天然金刚石(ND)和聚晶金刚石(PCD)刀具不能加工铁基合金以及钛合金的缺点，在现代金属加工领域迅速崛起，成为汽车零部件、轴承齿轮以及重型机械产业中淬火硬化钢或者球墨铸铁等关键金属部件以车代磨或者替代硬质合金刀具，实现高效率高表面质量加工的首选刀具材料。

但是，CBN脆性大，PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具在加工奥贝球铁或者不锈钢等难加工材料时会发生因为切屑受热而黏着在刀具表面造成CBN颗粒脱落(行业术语崩刃)或者低CBN含量刀具材料的凹槽状磨损(行业术语月牙洼磨损)。物理气相沉积(PVD)硬质涂层是改善刀具在切削难加工金属材料时崩刃和磨损的有效手段。

通常情况下能够数倍甚至十数倍提升硬质合金刀具寿命的的钛铝复合氮化物和钛铝复合碳化物等涂层，在PCBN刀具上的效果非常有限。究其原因，氮化硼是良好的绝缘体，在物理气相沉积过程中，各种电弧、磁控等电磁过程效果不明显，工艺难控制。同时，CBN材料热膨胀系数小，涂层和CBN/PCBN刀体之间的化学和物理相容性差、应力大，造成涂层的结合力差，切削过程中遇到硬质颗粒或者切屑黏着即发生剥落，起不到保护和强化刀体的作用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供具有多梯度涂层的刀具及制备方法，具有多梯度涂层的刀具能够解决切屑黏着造成的崩刃和耐磨性较差的月牙洼磨损，并且能够有效保证涂层和刀具基材之间的结合力。

根据本发明的第一方面，具有多梯度涂层的刀具，包括基材和沉积在基材表面的多梯度涂层，多梯度涂层包括由靠近基材的内侧往外侧依次设置的(Al,Cr)N的底层结合层、(Ti,Al)N的耐磨层和(Ti,Al,Cr)N的抗黏着层；(Al,Cr)N的底层结合层为单一的Al_1-xCr_xN层，(Ti,Al)N的耐磨层为单一的Ti_1-yAl_yN层，(Ti,Al,Cr)N的抗黏着层由交替的Al_1-xCr_xN子层和Ti_1-yAl_yN子层构成层合结构，多层层合结构构成多层纳米层复合结构，其中0.1≤x≤0.3，0.45≤y≤0.55。

根据一个实施方式，底层结合层的厚度为0.2μm～0.4μm，耐磨层的厚度为0.8μm～1.6μm，抗黏着层的厚度为0.3μm～0.6μm。

根据一个实施方式，所述多梯度涂层包括最靠外的表面标识层，表面标识层位于抗黏着层上，表面标识层为TiN层。

根据一个实施方式，所述表面标识层的厚度为0.2μm～0.4μm。

根据一个实施方式，多梯度涂层的总厚度为1.5μm～3μm。