[发明专利]复合涂层刀具及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种复合涂层刀具及其制备方法和应用，复合涂层刀具包括刀具基体，刀具基体的表面设有依次层叠的金属氮化物层、金属氧氮化物梯度层和金属氧化物层；自金属氮化物层至金属氧化物层的方向上，金属氧氮化物梯度层的氧含量逐渐增大且小于金属氧化物层的氧含量。本发明的复合涂层刀具通过梯度结构，成功将刀具基体与氧化物涂层之间的结合问题转化成了刀具基体与氮化物、氮化物与氧氮化物、不同氧含量的氧氮化物之间以及氧氮化物与氧化物之间结合的问题。通过氧含量的逐渐变化将涂层之间热膨胀系数的差异控制在一个较小的范围内，从而在基体上制备出结合力良好的氧化物涂层，该复合涂层刀具具有强结合力、高抗冲击性和长久的切削寿命等优点。

技术领域

本发明涉及刀具技术领域，特别是涉及一种复合涂层刀具及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国工业化进程的快速推进，各种难加工材料以及先进切削加工技术得到了广泛的应用，因此对于刀具的效率、精度、速度，寿命等提出了越来越严苛的要求。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。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。

氮化物涂层硬度高、韧性强，摩擦系数低且抗磨损性能优异，而刀具基体本身韧性好、强度高，涂层刀具能够将二者的优点进行有机的统一，显著提升了刀具的加工寿命以及效率。与传统切削加工不同，高速切削加工的切削温度通常为800℃～1000℃，因此对于涂层的高温性能要求异常苛刻。氧化物涂层在高温环境下具有良好的化学稳定性、硬度以及耐磨性，是未来涂层的刀具发展的重要方向之一。但是由于氧化物与基体材料之间热膨胀系数差别较大(如硬质合金的热膨胀系数为6×10^-6/℃，氧化铝的热膨胀系数为8.5×10^-6/℃)，直接在刀具基体上沉积氧化物往往存在结合力差的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种具有强结合力、高抗冲击以及切削寿命长的优点的复合涂层刀具。

一种复合涂层刀具，包括刀具基体，所述刀具基体的表面设有依次层叠的金属氮化物层、金属氧氮化物梯度层和金属氧化物层；自所述金属氮化物层至所述金属氧化物层的方向上，所述金属氧氮化物梯度层的氧含量逐渐增大且小于所述金属氧化物层的氧含量。

本发明的复合涂层刀具通过金属氮化物层、金属氧氮化物梯度层和金属氧化物层的梯度结构，成功将刀具基体与氧化物涂层之间的结合问题转化成了刀具基体与氮化物、氮化物与氧氮化物、不同氧含量的氧氮化物之间以及氧氮化物与氧化物之间结合的问题。通过氧含量的逐渐变化将每层涂层之间热膨胀系数的差异控制在一个较小的范围内，减小了层与层之间的热应力，从而在刀具基体上制备出结合力良好的含氧化物涂层。因此，该复合涂层刀具具有强结合力、高耐磨性、高抗冲击性和长久的切削寿命等优点。此外，该体系涂层的层与层之间成分与结构相接近，因此减少了层间界面处的界面能，有利于形成共格或者半共格界面，对涂层力学性能及韧性提升有着积极作用，具有较好的经济效益。

在其中一个实施例中，所述金属氧氮化物梯度层的氧含量的变化幅度为5at.％～50at.％。

在其中一个实施例中，所述金属氧氮化物梯度层含有层叠的多个具有不同氧含量的金属氧氮化物层，每个所述金属氧氮化物层的厚度为0.1μm～2μm，相邻所述金属氧氮化物层的氧含量的变化幅度为5at.％～30at.％。

在其中一个实施例中，所述金属氮化物层的厚度为0.5μm～2μm，所述金属氧氮化物梯度层的厚度为0.5μm～2μm，所述金属氧化物层的厚度为0.5μm～2μm。

在其中一个实施例中，所述金属氮化物层中的金属氮化物的结构式为MeAlN或MeSiN，所述金属氧氮化物梯度层中的金属氧氮化物的结构式为MeAlON或MeSiON，其中Me为钛或铬；所述金属氧化物层中的金属氧化物的结构式为CrAlO或CrSiO。