本发明属于材料表面改性技术领域，具体涉及一种用于刀具的复合层及包括该复合层的刀具及其制备方法。
背景技术：
TiAlN涂层是目前切削刀具应用最为广泛的涂层材料，但其高温抗氧化性的限制，使其热服役温度低于900℃。TiAlN涂层的晶体结构和力学性能在很大程度上取决于涂层中的Al含量，当Al含量超过TiN的固溶度时，立方结构的TiAlN向六方相(w)AlN转化而使其力学和热性能显著下降。另外，在保持涂层为立方结构时，涂层的力学性能和高温抗氧化性能随涂层中的Al含量增加而上升，因此，TiAlN涂层中的Al含量控制显得尤为重要。
切削刀具切削过程中，刀具表面与工件之间剧烈的摩擦使切削区域的温度急剧上升，尤其在切削一些难加工材料时，刀具刃口的温度可能达到1000℃以上，超过了TiAlN涂层的服役温度。一般来说，有两种改善涂层性能的办法来满足切削加工需求：一种是提高涂层材料的热服役温度；另一种是降低涂层材料的摩擦系数来降低切削区域的温度。
在TiAlN涂层中添加合金元素是目前常用的改善TiAlN涂层性能的方法。在TiAlN涂层中添加Si元素可显著提高涂层的耐磨性和高温抗氧化性能，但Si的加入降低了涂层中Al的固溶度，使其涂层结构向六方结构转化而降低其力学性能；若减少Al含量来获得立方结构则会降低其抗氧化性能。另外，在TiAlN涂层中添加Cr元素可在保证涂层为立方结构的前提下提高涂层中Al的固溶度；除此之外，在TiAlN涂层中添加Cr元素可提高涂层的硬度和抗氧化性能。TiAlN涂层在切削刀具得到广泛应用的另一主要因素是其在高温时发生调幅分解而产生时效硬化，因而其切削刀具在使用过程中会产生自硬化效应。Ti1-aAlaN涂层的时效硬化效应与其Al含量密切相关，仅当0.3≤a≤0.70时，涂层具有时效硬化效应；超出此范围时，Ti1-aAlaN涂层无时效硬化效应。
VN涂层在高温时与空气中的氧气反应生成具有低摩擦系数的含钒氧化物，因此，VN涂层刀具在切削过程中会产生自润滑效应。但VN的抗氧化温度和硬度相对较低，也在一定场合上限制了其应用领域。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于刀具的复合层及包括该复合层的刀具及其制备方法，从而使其具有高硬度、高耐磨性、时效硬化及优异的高温抗氧化能力和VN的低摩擦系数的优势，提高了涂层的使用性能和应用领域。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种用于刀具上的复合涂层，包括Ti1-x-y-zCrxAlySizN层，所述Ti1-x-y-zCrxAlySizN层上依次设有具有纳米多层结构的Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层和VN层，其中，0＜x≤0.15，0.3≤y≤0.66，0＜z≤0.15。
优选地，x＜(1-y-z)/2，确保Ti1-x-y-zCrxAlySizN层具有时效硬化效应。
优选地，所述Ti1-x-y-zCrxAlySizN层的厚度为0.5μm～3μm。
优选地，所述Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层和VN层的单层厚度均为2～10nm，优选为2～5nm，使其共格外延生长，利用其界面强化效应提高其硬度和耐磨性。
优选地，所述Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层的厚度为0.1μm～3.0μm，优选为0.5μm。
优选地，所述VN层的厚度为0.5μm～2.0μm，优选为1.0～1.5μm。
优选地，所述VN层为低摩擦系数的VN层，在切削过程中直接与被加工材料接触，可显著降低切削刀具与被加工材料之间的摩擦磨损。
优选地，所述复合涂层的总厚度为1.1μm～8.0μm，优选为3.5～5.5μm，复合涂层如果过薄，会影响到复合涂层的保护性能和保护效果，但过厚的复合涂层不仅会产生过高的应力，导致涂层易剥落，而且成本也随之增加，在这个范围内的复合涂层能起到较好的效果。
优选地，所述Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层和VN层间界面为共格外延界面；其中Ti1-x-y-zCrxAlySizN层、Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层和VN层均为面心立方结构。
另一方面，本发明还提供一种耐磨器具，包括耐磨器具基体，还包括上述的复合涂层，所述复合涂层沉积在所述耐磨器具基体上。
优选地，所述耐磨器具包括刀具、模具及耐磨零件，优选为刀具。
又一方面，本发明还提供上述刀具的制备方法，包括如下步骤：首先采用物理气相沉积方法利用TiCrAlSi靶在耐磨器具上沉积Ti1-x-y-zCrxAlySizN层，再在Ti1-x-y-zCrxAlySizN层上沉积具有纳米多层结构的Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层，最后再沉积VN层，直至该复合涂层的厚度为1.1μm～8.0μm。
本发明的优点在于：通过特定的组分的配比，在保持面心立方结构前提下，增加Al含量会改善涂层的性能，具有纳米多层结构的Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层组合了Ti1-x-y-zCrxAlySizN层的高温抗氧化性能、高耐磨性和VN层的低摩擦系数的优点，并且Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层可显著改善Ti1-x-y-zCrxAlySizN层和VN层之间的结合强度；通过复合涂层组合了各种材料的优势，譬如Ti1-x-y-zCrxAlySizN层的高硬度、高耐磨性、时效硬化及优异的高温抗氧化能力和VN的低摩擦系数的优势，提高了涂层的使用性能和应用领域。并且本发明的耐磨器具的制备方法简单、设备要求低以及生产成本低廉。
附图说明
图1为本发明的具有复合涂层的耐磨器具的结构示意图；
其中：1、基体；2、Ti1-x-y-zCrxAlySizN层；3、Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层中的VN层；4、Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层中的Ti1-x-y-zCrxAlySizN层；5、VN层。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
除非特别指明，以下实施例中的试剂和药品均可从正规渠道商购获得。
实施例1
首先物理气相沉积方法(参见：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti0.50Al0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)，利用TiAlCrSi靶在基体表明沉积Ti1-x-y-zCrxAlySizN层，其中0＜x≤0.15，0.3≤y≤0.66，0＜z≤0.15，且x＜(1-y-z)/2，其厚度控制在0.5μm～3μm；然后利用TiAlCrSi和V靶在Ti1-x-y-zCrxAlySizN层上交替沉积具有纳米多层结构的Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层，其厚度控制在0.1μm～3.0μm，其中Ti1-x-y-zCrxAlySizN层和VN层单层的厚度均控制在2～10nm；最后再沉积VN层，其厚度控制在0.5μm～2.0μm；直至涂层的总厚度控制在1.1μm～8.0μm。
实施例2
对型号为TNMG120408的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相沉积方法沉积厚度为2.0μm的Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N层；然后沉积Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层，其中Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N和VN层的单层厚度均为5nm，经过50个周期后得到厚度为0.5μm的Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层；最后沉积1.0μm的VN层，涂层的总厚度为3.5μm。
对照品同样是以上述标准铣刀作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法(参见：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti0.50Al0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分别沉积普通的TiAlN涂层，TiAlN涂层的成分为Ti0.50Al0.50N。
然后用本实施例制得的复合涂层刀具和对照品进行连续车削不锈钢的对比实验，切削参数：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂层刀片的切削寿命为12分钟，本发明涂层刀片的切削寿命为22分钟。结果表明，本发明的复合涂层的涂层刀具在车削不锈钢时的使用寿命比现有技术下的TiAlN涂层刀具有明显提高。
实施例3
对型号为TNMG120408的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相沉积方法沉积厚度为2.0μm的Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N层；然后沉积Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层，其中Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N单层的厚度为2nm、VN层的单层涂层的厚度为8nm，经过50个周期后得到厚度为0.5μm的Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层；最后沉积1.0μm的VN层，涂层的总厚度为3.5μm。
对照品同样是以上述标准铣刀作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法(参见：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti0.50Al0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分别沉积普通的TiAlN涂层，TiAlN涂层的成分为Ti0.50Al0.50N。
然后用本实施例制得的复合涂层刀具和对照品进行连续车削不锈钢的对比实验，切削参数：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂层刀片的切削寿命为12分钟，本发明涂层刀片的切削寿命为18分钟。
结果说明，本发明的复合涂层的涂层刀具在车削不锈钢时的使用寿命比现有技术下的TiAlN涂层刀具有明显提高，与实施例2对比，仅Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层的Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N和VN层的单层厚度发生变化，其切削性能下降。
实施例4
对型号为TNMG120408的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相沉积方法沉积厚度为3.0μm的Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N层；然后沉积Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层，其中Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N和VN层的单层厚度均为5nm，经过100个周期后得到厚度为1.0μm的Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层；最后沉积1.5μm的VN层，涂层的总厚度为5.5μm。
对照品同样是以上述标准铣刀作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法(参见：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti0.50Al0.50 target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分别沉积普通的TiAlN涂层，TiAlN涂层的成分为Ti0.50Al0.50N。
然后用本实施例制得的复合涂层刀具和对照品进行连续车削不锈钢的对比实验，切削参数：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂层刀片的切削寿命为12分钟，本发明涂层刀片的切削寿命为24分钟。本发明的复合涂层的涂层刀具在车削不锈钢时的使用寿命比现有技术下的TiAlN涂层刀具有明显提高。
与实施例2对比，其中复合涂层的Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N的层、Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层和VN层三层涂层的厚度均增加，其切削性能得到提高。
实施例5
对型号为TNMG120408的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相沉积方法沉积厚度为2.0μm的Ti0.29Cr0.10Al0.55Si0.06N层；然后沉积Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层，其中Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N和VN层的单层厚度均为5nm，经过50个周期后得到厚度为0.5μm的Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层；最后沉积1.0μm的VN层，涂层的总厚度为3.5μm。
对照品同样是以上述标准铣刀作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法(参见：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti0.50Al0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分别沉积普通的TiAlN涂层，TiAlN涂层的成分为Ti0.50Al0.50N。
然后用本实施例制得的复合涂层刀具和对照品进行连续车削不锈钢的对比实验，切削参数：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂层刀片的切削寿命为12分钟，本发明涂层刀片的切削寿命为18分钟。本发明的复合涂层的涂层刀具在车削不锈钢时的使用寿命比现有技术下的TiAlN涂层刀具有明显提高。
与实施例2对比，其中复合涂层的Ti1-x-y-zCrxAlySizN层的成分和Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层中Ti1-x-y-zCrxAlySizN层的成分发生变化，其切削性能下降。
实施例6
对型号为TNMG120408的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相沉积方法沉积厚度为2.0μm的Ti0.29Cr0.10Al0.55Si0.06N层；然后沉积Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层，其中Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N和VN层的单层厚度均为2nm，经过125个周期后得到厚度为0.5μm的Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层；最后沉积1.0μm的VN层，涂层的总厚度为3.5μm。
对照品同样是以上述标准铣刀作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法(参见：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti0.50Al0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分别沉积普通的TiAlN涂层，TiAlN涂层的成分为Ti0.50Al0.50N。
然后用本实施例制得的复合涂层刀具和对照品进行连续车削不锈钢的对比实验，切削参数：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂层刀片的切削寿命为12分钟，本发明涂层刀片的切削寿命为24分钟。本发明的复合涂层的涂层刀具在车削不锈钢时的使用寿命比现有技术下的TiAlN涂层刀具有明显提高。
与实施例5对比，其中复合涂层的Ti0.35Cr0.05Al0.50Si0.10N/VN层的单层厚度发生变化，其切削性能提高。
实施例7
对型号为TNMG120408的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相沉积方法沉积厚度为2.0μm的Ti0.54Cr0.01Al0.30Si0.15N层；然后沉积Ti0.54Cr0.01Al0.30Si0.15N/VN层，其中Ti0.54Cr0.01Al0.30Si0.15N和VN层的单层厚度均为2nm，经过125个周期后得到厚度为0.5μm的Ti0.54Cr0.01Al0.30Si0.15N/VN层；最后沉积1.0μm的VN层，涂层的总厚度为3.5μm。
对照品同样是以上述标准铣刀作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法(参见：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti0.50Al0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分别沉积普通的TiAlN涂层，TiAlN涂层的成分为Ti0.50Al0.50N。
然后用本实施例制得的复合涂层刀具和对照品进行连续车削不锈钢的对比实验，切削参数：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂层刀片的切削寿命为12分钟，本发明涂层刀片的切削寿命为14分钟。本发明的复合涂层的涂层刀具在车削不锈钢时的使用寿命比现有技术下的TiAlN涂层刀具有明显提高。
与实施例6对比，其中复合涂层的Ti1-x-y-zCrxAlySizN层的成分和Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层中Ti1-x-y-zCrxAlySizN层的成分发生变化，其切削性能下降。
实施例8
对型号为TNMG120408的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相沉积方法沉积厚度为2.0μm的Ti0.18Cr0.15Al0.66Si0.01N层；然后沉积Ti0.18Cr0.15Al0.66Si0.01N/VN层，其中Ti0.18Cr0.15Al0.66Si0.01N和VN层的单层厚度均为2nm，经过125个周期后得到厚度为0.5μm的Ti0.18Cr0.15Al0.66Si0.01N/VN层；最后沉积1.0μm的VN层，涂层的总厚度为3.5μm。
对照品同样是以上述标准铣刀作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法(参见：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti0.50Al0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分别沉积普通的TiAlN涂层，TiAlN涂层的成分为Ti0.50Al0.50N。
然后用本实施例制得的复合涂层刀具和对照品进行连续车削不锈钢的对比实验，切削参数：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂层刀片的切削寿命为12分钟，本发明涂层刀片的切削寿命为16分钟。本发明的复合涂层的涂层刀具在车削不锈钢时的使用寿命比现有技术下的TiAlN涂层刀具有明显提高。
与实施例6对比，其中复合涂层的Ti1-x-y-zCrxAlySizN层的成分和Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层中Ti1-x-y-zCrxAlySizN层的成分发生变化，其切削性能下降。
实施例9
对型号为TNMG120408的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相沉积方法沉积厚度为2.0μm的Ti0.39Cr0.08Al0.45Si0.08N层；然后沉积Ti0.39Cr0.08Al0.45Si0.08N/VN层，其中Ti0.39Cr0.08Al0.45Si0.08N和VN层的单层厚度均为2nm，经过125个周期后得到厚度为0.5μm的Ti0.39Cr0.08Al0.45Si0.08N/VN层；最后沉积1.0μm的VN层，涂层的总厚度为3.5μm。
对照品同样是以上述标准铣刀作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法(参见：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti0.50Al0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分别沉积普通的TiAlN涂层，TiAlN涂层的成分为Ti0.50Al0.50N。
然后用本实施例制得的复合涂层刀具和对照品进行连续车削不锈钢的对比实验，切削参数：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂层刀片的切削寿命为28分钟，本发明涂层刀片的切削寿命为16分钟。本发明的复合涂层的涂层刀具在车削不锈钢时的使用寿命比现有技术下的TiAlN涂层刀具有明显提高。
与实施例6对比，其中复合涂层的Ti1-x-y-zCrxAlySizN层的成分和Ti1-x-y-zCrxAlySizN/VN层中Ti1-x-y-zCrxAlySizN层的成分发生变化，其切削性能提高。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。