刀具复合涂层和具有该复合涂层的刀具的制作方法

本实用新型属于刀具涂层技术领域，尤其涉及一种刀具复合涂层和具有该复合涂层的刀具。

背景技术：

随着经济社会的发展，市场上出现大量的石墨材料、铝合金、炭纤维复合材料、金属复合材料、陶瓷基板等难加工材料，对刀具提出了更高的要求。首先该类材料硬度高，硬质合金微型刀具的磨损极大，寿命很短；其次刃口容易形成积削瘤，严重降低加工品质；再次切屑容易堵塞在刀具的排屑槽内，造成排尘不良，严重降低产品品质。由于未涂层微型刀具不能满足现有加工要求，急需将新型涂层材料运用到微型刀具上，以克服这一加工难题。

为了提高微型刀具的寿命及加工质量，国内外很多企业都对微型刀具进行表面改性处理，如化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)等，同时该技术已经广泛运用在钢铁等金属加工上，可以提升未微型刀具的寿命达2倍以上，但是在石墨材料、铝合金、炭纤维复合材料、金属复合材料、陶瓷基板等难加工材料的运用较少，急需开发新型材料解决该问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种刀具复合涂层和具有该复合涂层的刀具，其可以显著提升微型刀具的耐磨性能，又能避免积削瘤和堵塞排屑槽问题。

本实用新型的技术方案是：一种刀具复合涂层，包括涂覆于刀具本体的基底层和位于最外侧的顶层，所述基底层为金刚石层或立方氮化硼层，所述基底层的厚度为1至40μm，所述顶层为四面体非晶碳膜层且厚度为0.01至15μm。

可选地，所述基底层与所述顶层之间还设置有至少一层中间层，所述中间层包括过渡层和核心层中的任意一层，或者，所述中间层包括层叠的过渡层和核心层。

可选地，所述过渡层为Me层且厚度为0.01至10μm，所述核心层为MeX层且厚度为0.01至15μm，其中Me代表Al、Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、 Zr以及非金属元素Si中的至少一种，X代表N、C、B中的一种或两种或三种。

可选地，所述四面体非晶碳膜层由为C元素组成的四面体非晶碳膜层，由 50％至90％的sp3键碳原子为骨架构成。

可选地，所述基底层的厚度为4至20μm。

可选地，所述核心层的厚度为0.1至5μm。

可选地，四面体非晶碳膜的厚度可以为0.05至7μm。

可选地，所述四面体非晶碳膜层的厚度为0.05至5μm。

本实用新型还提供了一种刀具，所述刀具包括刀具基体，所述刀具基体的部分表面或全部表面设置有上述的刀具复合涂层。

可选地，所述刀具基体的刃径为0.02至0.5mm。

本实用新型所提供的刀具复合涂层和具有该复合涂层的刀具，通过在硬质合金微型刀具表面沉积出硬度高、摩擦系数低、结合力好、耐高温性好的多层纳米复合涂层，在加工石墨材料、铝合金、炭纤维复合材料、金属复合材料、陶瓷基板等难加工材料时，既能显著提升微型刀具的耐磨性能，大大减少断针率，提升微型刀具使用寿命提高至4至20倍，又能避免积削瘤和堵塞排屑槽问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的刀具复合涂层的平面放大示意图；

图2是本实用新型实施例提供的刀具复合涂层中四面体非晶碳膜层的拉曼光谱分析图；

图3是本实用新型实施例提供的刀具复合涂层中四面体非晶碳膜层的纳米硬度随压入深度的变化曲线图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”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。

还需要说明的是，本实用新型实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的一种刀具复合涂层，包括涂覆于刀具本体的基底层1和位于最外侧的顶层4，所述基底层1为金刚石层或立方氮化硼层，所述基底层1的厚度为1至40μm，所述顶层4为四面体非晶碳膜层且厚度为0.01至15μm，顶层4的四面体非晶碳膜(ta-c结构的类金刚石) 的纳米硬度高达40至80Gpa，可以采用物理气相沉积方式制备四面体非晶碳膜，提升了四面体非晶碳膜与基体的结合力，而且，由于顶层4四面体非晶碳膜的摩擦系数可以低于0.1，其硬度高且摩擦系数小，通过在硬质合金微型刀具表面沉积出硬度高、摩擦系数低、结合力好、耐高温性好的多层纳米复合涂层，在加工石墨材料、铝合金、炭纤维复合材料、金属复合材料、陶瓷基板等难加工材料时，既能显著提升微型刀具的耐磨性能，大大减少断针率，提升微型刀具使用寿命提高至4至20倍，可以显著提升微型刀具的耐磨性能，又能避免积削瘤和堵塞排屑槽问题。

具体应用中，四面体非晶碳膜的厚度可以为0.05至10μm，优选地，四面体非晶碳膜的厚度可以为0.05至7μm，本实施例中，四面体非晶碳膜的厚度可以为0.05至5μm，例如，0.1至5μm。

具体应用中，所述基底层1与所述顶层4之间还设置有至少一层中间层，所述中间层包括过渡层2和核心层3中的至少一层，或者，所述中间层包括至少一组层叠的过渡层2和核心层3；即可以包括过渡层2-核心层3-过渡层2- 核心层3依次层叠的结构。

所述过渡层2为Me层且厚度为0.01至10μm，所述核心层3为MeX层且厚度为0.01至15μm，其中Me代表Al、Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr以及非金属元素Si中的至少一种，X代表N、C、B中的一种或两种或三种。所述四面体非晶碳膜层由为C元素组成的四面体非晶碳膜层，由40％至95％的sp3 键碳原子为骨架构成，优选地，四面体非晶碳膜层由40％至90％的sp3键碳原子为骨架构成，本实施例中，四面体非晶碳膜层由50％至90％的sp3键碳原子为骨架构成。

具体地，四面体非晶碳膜层(Ta-C)的拉曼光谱分析，如图2。

通过拉曼光谱分析，确定Ta-C膜的ID和IG值，ID表示Diamond峰强度，波数在1300至1400(例如1340或左右)；IG表示Graphite峰强度，波数在 1500至1600(例如1580或左右)。ID峰的强度在一定程度上代表着Sp3键的含量。拟合方法采用高斯函数拟合，峰与横坐标的面积代表sp2或者sp3键成分含量。

本实施例中，所述涂层靠近基材的打底层为纯金属Me层，厚度为10至 100nm；过渡层2为MeX层，厚度80至300nm；核心层3是MeAlX复合层，厚度为0.4至5.0μm；顶层4为ta-c结构的类金刚石(四面体非晶碳膜层)，厚度0.05至5.0μm。

本实用新型实施例还提供了一种刀具，所述刀具包括刀具基体，刀具基体的刃径可以为0.02至0.5mm。所述刀具基体的部分表面或全部表面设置有上述的刀具复合涂层。通过在硬质合金微型刀具表面沉积出硬度高、摩擦系数低、结合力好、耐高温性好的多层纳米复合涂层，在加工石墨材料、铝合金、炭纤维复合材料、金属复合材料、陶瓷基板等难加工材料时，既能显著提升微型刀具的耐磨性能，大大减少断针率，提升微型刀具使用寿命提高至4至20倍，同时又能保证加工品质，大幅度提升加工效率，降低生产成本。

本实用新型实施例还提供一种刀具复合涂层的制备方法，可用于制备上述刀具复合涂层和刀具，包括以下步骤：

(1)制备基底层1：将刀具基体放入CVD设备中，通过CVD设备于刀具基体的表面形成基底层1，得到第一半成品；所述基底层1可以为金刚石层或立方氮化硼层。

(2)制备四面体非晶碳膜层：将具有基底层1的刀具基体放入物理气相设备中在最外侧形成四面体非晶碳膜层，物理气相设备中设置有碳靶，以在涂层的最外层形成四面体非晶碳膜层。

具体地，制备所述基底层1之后且制备所述四面体非晶碳膜层之前，所述制备方法还包括以下两个步骤中的至少一个步骤：

(1)制备过渡层2：将所述第一半成品放入PVD复合涂层设备中，开启金属蒸汽真空电弧离子源，进行Me离子注入，Me离子注入到第一半成品的表面，再电弧离子镀技术在第一半成品的表面沉积Me过渡层2，所述Me代表Al、Ti、 Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、非金属元素Si中的至少一种得到第二半成品；

(2)制备核心层3：将所述第二半成品或第一半成品放入电弧离子镀设备中，通入含N、C、B中至少一种元素的气体，电弧离子镀设备所用靶材为Me 靶材，采用电弧离子镀技术在所述过渡层2上沉积形成MeX核心层3并得到第三半成品，所述X代表N、C、B中的一种或两种或三种；再在核心层3上沉积四面体非晶碳膜层，或者，继续在核心层3上沉积过渡层2以及继续在过渡层 2上沉积核心层3，最后，再在涂层的最外侧形成四面体非晶碳膜层。

具体地，所述过渡层2为Me层且厚度可为0.01至10μm；所述核心层3为 MeX层的为0.01至15μm，所述四面体非晶碳膜层的厚度为0.01至15μm。

具体地，所述基底层1的厚度可为4至20μm，所述过渡层2为Me层且厚度可为0.1至3μm；所述核心层3的厚度可为0.1至5μm，所述四面体非晶碳膜层的厚度为0.05至5μm。

具体地，通入的气体可以为CH₄、N₂的混合气体，CH₄气体的流量0至 100sccm，N₂的流量0至100sccm，电弧离子镀设备的弧电流50至100A，脉冲偏压峰值-100至-300V，占空比30％至50％。

本实用新型实施例所提供的刀具复合涂层和具有该复合涂层的刀具，采用 CVD方法制作基底层1(金刚石涂层或立方氮化硼层)，主要是因为热丝CVD 方法装炉量大，可在复杂刀具表面均匀沉积基底层1，如图1，Raman光谱图显示该层为金刚石。

制备中间层(过渡层2)时，通过采用强流金属蒸汽真空电弧离子源(MEVVA 源)产生的Me等离子体进行离子注入和清洗，改变微型刀具表面的物理化学性能。首先，离子源产生的高能离子撞击刀具表面时，高能离子对刀具产生强烈的溅射作用，可以清除吸附在刀具表面的气体、液体和粉尘等杂质，为硬质涂层的沉积提供极其洁净的表面，增强微型刀具与后续的硬质涂层的结合力；其次，高能离子在刀具基体表面产生强烈的碰撞和级联碰撞，部分高能离子取代刀具基体原有的原子，改变刀具表面的化学成分，在表面形成一层混合界面，该混合界面既提高了刀具表面的强度、硬度等力学性能，同时也可以增强硬质涂层与刀具基体的结合力。

通过采用电弧离子镀技术沉积金属Me过渡层2与MeX核心层3，主要是利用了阴极电弧离子镀离化率高的特点，能够进一步提高涂层与基材的结合力；通过采用新型物理气相技术制备四面体非晶碳膜，提升了四面体非晶碳膜与基体的结合力，使得四面体非晶碳膜的厚度可以增加到5μm或以上。

通过本实用新型提供的方法制备的金刚石/Me/MeX/四面体非晶碳膜，顶层 4四面体非晶碳膜的纳米硬度高达40至80GPa，如图3；顶层4四面体非晶碳膜的摩擦系数低于0.1；核心层3MeX的纳米硬度高达30至45Gpa或更高，同时与硬质合金基材的结合力大于130N。顶层4的四面体非晶碳膜(ta-c结构的类金刚石)的纳米硬度高达40至80Gpa，可以采用物理气相沉积方式制备四面体非晶碳膜，提升了四面体非晶碳膜与基体的结合力，而且，由于顶层4四面体非晶碳膜的摩擦系数可以低于0.1，其硬度高且摩擦系数小，通过在硬质合金微型刀具表面沉积出硬度高、摩擦系数低、结合力好、耐高温性好的多层纳米复合涂层，在加工石墨材料、铝合金、炭纤维复合材料、金属复合材料、陶瓷基板等难加工材料时，既能显著提升微型刀具的耐磨性能，大大减少断针率，提升微型刀具使用寿命提高至4至20倍，又能避免积削瘤和堵塞排屑槽问题。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。