切削刀具用多层梯度结构涂层及其制备方法与流程

本发明涉及切削刀具的涂层领域，特别涉及一种切削刀具用多层梯度结构涂层及其制备方法。
背景技术：
：涂层技术是切削领域的一场革命，通过在切削刀具表面沉积一层高耐磨性和抗氧化性涂层可以有效地提高切削刀具的使用寿命、加工效率和被加工材料表面质量。tialn涂层由于具有良好的抗氧化性能和力学性能及综合使用性能，是目前应用较为广泛的涂层材料。然而随着现代制造业的快速发展，高温合金、钛合金和不锈钢合金等难加工材料的广泛应用，针对各种难加工材料的绿色、高速、高效和高精密切削等先进加工对于涂层材质性能的要求是越来越严苛，显然，tialn涂层已无法满足相应的材质性能要求。近年来，广大学者通过大量研究表明在tialn涂层体系中添加如si、zr、cr、nb、ta、w、b等元素可以进一步提升涂层的硬度或抗氧化性能。中国专利“申请号201810789812.7”中在tialn涂层中加入si元素形成的由非晶的si3n4相包裹tialn纳米晶粒的纳米复合结构在改善tialn涂层的抗氧化性能和热稳定性的同时还表现出超硬效应。文献(yangy,xuyx,chenl,etal.improvedti-al-ncoatingsthroughtaalloyingandmultilayerarchitecture[j].surfaceandcoatingstechnology,2017:s0257897217309027)报道在tialn涂层中引入ta元素，ta原子的固溶强化与时效硬化影响增加了tialn涂层的硬度，ta的引入同时还提高了tialn涂层的热稳定性与抗氧化性。上述添加元素改性tialn涂层的研究结果受到刀具涂层研究人员的广泛关注，并逐渐在工业上得到应用。然而此类硬质涂层存在强韧性不足，在半加工与粗加工工况条件下，刀具涂层容易产生剥落、崩刃等现象，从而快速加剧刀具的失效，加工效率与加工质量也随之降低。此外涂层刀具表面与加工材料的摩擦系数较高，增大了切削阻力和刀具表面粘屑程度，在一些对表面质量要求很高的加工领域，以及对排屑和润滑要求较高的场合存在一定的不适用性。中国专利“申请号201711082887.3”报道了一种mo-se-ta+tialtan软硬复合涂层刀具及其制备方法，表层为mo-se-ta软涂层，虽然此类涂层起到一定减摩润滑作用，但由于本身较软，耐磨性不够，很快被磨损掉，不能在涂层刀具完全失效前持续提供润滑保护作用。以上报道的刀具涂层均未能实现强韧耐磨一体化，热稳定性、抗氧化性及高温下刀具表面摩擦系数等有待进一步改善。目前，国内外未见alcrn、tialtan、tialsin多层交替沉积梯度结构涂层的报道。技术实现要素：本发明提供了一种切削刀具用多层梯度结构涂层及其制备方法，其目的是为了克服传统硬质涂层耐磨性与强韧性不可兼具的缺点，制备出耐磨性好、抗氧化性好、高温力学性能优异的切削刀具涂层。为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种切削刀具用多层梯度结构涂层，所述涂层包括交替沉积的m(alcrn/tialtan)层、n(alcrn/tialtan/tialsin)层与k(tialtan/tialsin)层，所述涂层厚度为0.7～9μm；所述m(alcrn/tialtan)层为将alcrn层与tialtan层交替沉积m个周期所得，1≤m≤1500；所述n(alcrn/tialtan/tialsin)层为将alcrn层、tialtan层与tialsin层依次交替沉积n个周期所得，0≤n≤1000；所述k(tialtan/tialsin)层为将tialtan层与tialsin层交替沉积k个周期所得，0≤k≤1500。上述沉积周期中1≤m≤1500、0≤n≤1000、0≤k≤1500，所述的调制周期数1≤m是因为与基体结合的打底层须为alcrn层以增加膜基结合力，效果等同于采用金属层、氮化物层打底以增加膜基结合力；调制周期数0≤n、0≤k是因为可根据实际工况使用需求适当调整(alcrn/tialtan/tialsin)与(tialtan/tialsin)的增减。优选地，所述m(alcrn/tialtan)层厚度为0.02～3μm；所述m(alcrn/tialtan)层中alcrn层或tialtan层的单层厚度为0.001～1.5μm。优选地，所述n(alcrn/tialtan/tialsin)层厚度为0.03～3μm，所述n(alcrn/tialtan/tialsin)层中alcrn层、tialtan层或tialsin层的单层厚度为0.001～1μm。优选地，所述k(tialtan/tialsin)层厚度为0.02～3μm，所述k(tialtan/tialsin)层中tialtan层或tialsin层的单层厚度为0.001～1.5μm。优选地，所述alcrn层的原子个数百分比满足0.3≤al≤0.75。优选地，所述tialtan层的原子个数百分比满足0.3≤al≤0.7，且0.01≤ta≤0.25。优选地，所述tialsin层的原子个数百分比满足0.3≤al≤0.7，且0.01≤si≤0.2。其中，al的原子个数百分比大于0.3，小于0.7的范围是为了保证原有tin、crn立方相晶体结构，使得保证涂层原有的高硬度与红硬性前提下，固溶更多的al含量，进而提高涂层的抗高温氧化性能。若al的原子个数百分比高于0.7，涂层晶体结构将转变为六方晶格，涂层综合性能骤降。本发明还提供一种切削刀具用多层梯度结构涂层的制备方法，包括如下步骤：(1)用氩离子轰击刻蚀，去除刀具表面脏化物，并对刀具表面进行活化处理；(2)用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上交替沉积alcrn层与tialtan层，交替次数为1～1500次；(3)用阴极电弧离子镀技术在步骤(2)所得涂层表面上交替沉积alcrn层、tialtan层与tialsin层，交替次数为0～1000次；(4)用阴极电弧离子镀技术在步骤(3)所得涂层表面上交替沉积alcrn层、tialtan层或tialsin层，交替次数为0～1500次；于真空下将自然随炉冷却至温度小于200℃，得到一种切削刀具用多层梯度结构涂层。优选地，所述阴极电弧离子镀技术所用工作气体为氮气，压力为3～3.5pa。本发明的上述方案有如下的有益效果：本发明的多层梯度结构涂层刀具中的多层梯度结构涂层综合了三种不同成分涂层的特点和优势，其中与基体结合的alcrn保证良好膜基结合力的同时，为整体涂层体系提供足够的强韧性，对刀具表层萌生的裂纹向基体内部扩展起到很好的抑制作用。tialtan涂层中ta元素的固溶强化与时效硬化增加了tialn涂层的硬度；ta的加入使得退火过程中化学驱动力的降低，抑制了w-aln相的生成，从而有效地提高了tialn涂层的热稳定性，其中tialtan涂层w-aln相生成的起始温度比tialn高300℃左右。此外在tialn中添加ta，可减少金红石tio2(γ-tio2)中的氧缺陷、促进刚玉al2o3和早期γ-tio2形成以及减少甚至完全阻碍锐钛矿tio2(α-tio2)形成，进而显著提高涂层抗氧化性。在tialn涂层中加入si元素形成的由非晶的si3n4相包裹tialn纳米晶粒的纳米复合结构在改善tialn涂层的抗氧化性能和热稳定性的同时还表现出超硬效应。本发明的多层梯度涂层通过涂层结构和组分的设计搭配，克服了传统硬质涂层耐磨性与强韧性不可兼具的矛盾，同时表现出优异的抗氧化性能与高温稳定性。此外循序渐进、连续过渡的梯度结构大大改善了涂层与基体、涂层与涂层间的结合以及涂层内的应力状态。多层交替涂层的界面强化效应还能进一步改善涂层的力学性能。表层tialtan/tialsin涂层保持高硬度耐磨性好的同时，高温工况下，al2o3、(ti,ta)no2n-1自润滑层的生成，大大降低了刀具与工件的摩擦系数，进而减小切削阻力和刀具表面粘屑现象。本发明的多层梯度涂层适用于硬质合金可转位刀片和整体硬质合金铣刀、车刀、钻头等产品，同时适用于高速钢、金属陶瓷、立方氮化硼等切削刀具用基体材料的涂覆应用，在高温合金、钛合金和不锈钢合金等难加工材料的精加工、半精加工以及粗加工多工况条件下具有很好的胜任性、适用性与匹配性。附图说明图1为本发明实施例1切削刀具用多层梯度结构涂层的结构示意图；图2为实施例1涂层刀具前刀面与后刀面磨损失效图；图3为对比例1的对比刀具1的前刀面与后刀面磨损失效图；图4为对比例1的对比刀具2的前刀面与后刀面磨损失效图；图5为实施例2与对比例2刀具的前刀面磨损失效图；图6为实施例2与对比例2刀具的后刀面磨损失效图。附图标记：0、刀具基体；1、alcrn涂层；2、tialtan涂层；3、tialsin涂层；4、高温工况下生成的al2o3、(ti,ta)no2n-1自润滑层。具体实施方式为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。实施例1一种如图1所示的本发明的多层梯度结构涂层刀具，由内向外依次为刀具基体、2(alcrn/tialtan)、2(alcrn/tialtan/tialsin)、2(tialtan/tialsin)涂层组成，涂层总厚度为3.18μm。2(alcrn/tialtan)涂层厚度为0.82μm，2(alcrn/tialtan/tialsin)涂层厚度为1.29μm，2(tialtan/tialsin)涂层厚度为1.08μm。2(alcrn/tialtan)复合涂层包括由内向外设置的周期性相互交替沉积的alcrn层与tialtan层，包含两个周期，alcrn单层厚度为0.16μm，tialtan单层厚度为0.25μm。2(alcrn/tialtan/tialsin)复合涂层包括由内向外设置的周期性相互交替沉积的alcrn层、tialtan层与tialsin层，包含两个周期，alcrn层单层厚度为0.16μm，tialtan单层厚度为0.24μm，tialsin单层厚度为0.22μm。2(tialtan/tialsin)复合涂层包括由内向外设置的周期性相互交替沉积的tialtan层与tialsin层，包含两个周期，tialtan单层厚度为0.27μm，tialsin单层厚度为0.25μm。上述三种周期交替沉积涂层中alcrn层按原子比组成为al0.7cr0.3n，tialsin层按原子比组成为ti0.3al0.6si0.1n，tialtan层按原子比组成为ti0.3al0.6ta0.1n。刀具基体为型号wnmg080408-bm硬质合金不锈钢车削用刀片。上述本实施案例的多层梯度结构涂层刀具的制备方法，具体步骤如下：1)利用粉末冶金方法对w、co、ti、ta、cr、v、c、n、o等元素及其化合物进行湿磨、喷雾干燥、压制、烧结成型后并经过一系列工序的机械后序加工和后续工艺处理得到刀具基体研磨品；对刀具基体研磨品涂层处理与超声清洗，以达到去污要求和良好的表面质量，然后送入涂层设备进行相应涂层的涂覆沉积。涂层炉内本底真空为5x10-2pa，采用红外线加热管方式将刀具产品加热至300℃。然后继续用红外线加热管结合等离子体继续加热(通入ar，流量为50sccm)，并辅以h2还原处理(通入h2，流量为300sccm)，加热控制温度设定为480℃，处理时间为48min。2)涂层前采用氩离子对刀具基体表面进行轰击刻蚀，进一步去除刀具基体表面脏化物，并活化刀具基体表面改善刀具基体与涂层的结合：通入工作气体ar，保持炉内压力为2.1x10-1pa；开启偏压电源，电压为170v；开启离子源，电流为140a。刻蚀时间为40min。3)利用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上沉积2(alcrn/tialtan)复合交替涂层：通入工作气体n2并保持压力为3.5pa，设定偏压为50v，工件架转速为30％(约1.58r/min)，alcr弧源电流为200a，沉积时间22min；然后关闭arcr弧源，并开启tialta弧源，电流为200a，偏压降为40v，沉积时间30min。然后关闭tialta弧源，并开启alcr弧源，电流为200a，偏压升为50v，沉积时间22min；然后关闭arcr弧源，并开启tialta弧源，电流为200a，偏压降为40v，沉积时间30min。4)利用阴极电弧离子镀技术在2(alcrn/tialtan)涂层上沉积2(alcrn/tialtan/tialsin)复合交替涂层：关闭tialta弧源，并开启alcr弧源，电流为200a，偏压升为50v，沉积时间22min；然后关闭arcr弧源，并开启tialta弧源，电流为200a，偏压降为40v，沉积时间30min；然后关闭tialta弧源，并开启tialsi弧源，电流为200a，沉积时间27min。关闭tialsi弧源，并开启alcr弧源，电流为200a，偏压升为50v，沉积时间22min；然后关闭arcr弧源，并开启tialta弧源，电流为200a，偏压降为40v，沉积时间30min；然后关闭tialta弧源，并开启tialsi弧源，电流为200a，沉积时间27min。5)利用阴极电弧离子镀技术在2(alcrn/tialtan/tialsin)涂层上沉积2(tialtan/tialsin)复合交替涂层：关闭tialsi弧源，并开启tialta弧源，电流为200a，偏压升为80v，沉积时间33min；然后关闭tialta弧源，并开启tialsi弧源，电流为200a，沉积时间30min。然后关闭tialsi弧源，并开启tialta弧源，电流为200a，沉积时间33min；然后关闭tialta弧源，并开启tialsi弧源，电流为200a，沉积时间30min。6)关闭所有弧源，关闭偏压电源，关闭加热电源，关闭气体，真空状态下自然冷却至产品温度小于200℃，涂层结束。7)上述方法主要是根据各种刀具的要求使用不同成分的靶材alcrn靶、tialtan靶与tialsin靶，从刀具基体由内向外的顺序，依次得到不同靶材搭配的三种周期性交替沉积涂层，涂层体系整体上呈现成分梯度结构，多层梯度结构涂层总厚度为3.18μm。对比例1对比刀具1为与实施例1的多层梯度结构涂层刀具具有相同刀具基体成分与相同机械设计外形的wnmg080408-bm硬质合金不锈钢车削用刀片，采用相同的阴极电弧离子镀技术沉积制备ti0.33al0.67n单层均一涂层，涂层厚度3.12μm。对比刀具2为与实施例1的多层梯度结构涂层刀具具有相同刀具基体成分与相同机械设计外形的wnmg080408-bm硬质合金不锈钢车削用刀片，采用相同的阴极电弧离子镀技术沉积制备al0.3cr0.7n单层均一涂层，涂层厚度2.95μm。采用csm公司micro-combitester型纳米压痕模块对各涂层的纳米硬度和弹性模量进行测定，结果如表1所示。实施例1所得涂层的纳米硬度和弹性模量分别为36.7gpa、395.2gpa；对比例1对比刀具1的涂层纳米硬度和弹性模量分别为32.4gpa、376.2gpa；对比例1对比刀具2的涂层纳米硬度和弹性模量分别为30.6gpa、329.5gpa。实施例1的涂层、对比例1对比刀具1的涂层及对比例1对比刀具2的涂层的h3/e2值分别为0.316、0.240及0.264(h3/e2可反映涂层的韧性，其值越大，代表涂层韧性越好)。结果表明相对于对比例1对比刀具1的涂层和对比例1对比刀具2，实施例1涂层具有更好的耐磨性与韧性。表1实施例1与对比例1刀具涂层的纳米压痕实验结果将实施例1的多层梯度结构涂层刀具、对比刀具1、对比刀具2按照相同的切削加工条件进行加工，具体切削参数如下：加工材料sus304不锈钢切削速度vc＝250/min每齿进给量fz＝0.15mm/r切削深度ap＝0.8mm冷却方式干冷产品性能评估采用同寿命和全寿命两种标准，同寿命即切削相同时间，对比刀具前后刀面的磨损失效情况；全寿命以后面均匀磨损量vb达到0.25mm或刀具涂层剥落、崩刃明显、机床震动较大。试刀结果显示，同寿命下，在连续车削20分钟后实施例1涂层刀具后刀面磨损量vb为0.107mm，如图2所示。对比刀具1后刀面磨损量vb为0.214mm，如图3所示。对比刀具2刀具磨损量vb为1.037mm，已完全失效，如图4所示。对比刀具1和对比刀具2前刀面磨损程度均大于本案例实施涂层刀具。全寿命下，实施例1涂层刀具、对比刀具1、对比刀具2完全失效时切削时间分别为38分钟、29分钟、20分钟，本实施案例涂层刀具寿命相对于对比刀具1、对比刀具2分别提升了31％、90％。表2实施例1与对比例1刀具寿命实施例2一种如图1所示的本发明的多层梯度结构涂层刀具，由内向外依次为刀具基体、80(alcrn/tialtan)、80(alcrn/tialtan/tialsin)、50(tialtan/tialsin)涂层组成，涂层总厚度为2.45μm。80(alcrn/tialtan)涂层厚度为0.78μm，80(alcrn/tialtan/tialsin)涂层厚度为1.19μm，50(tialtan/tialsin)涂层厚度为0.48μm。80(alcrn/tialtan)复合涂层包括由内向外设置的周期性相互交替沉积的alcrn层与tialtan层，包含80个周期，alcrn单层厚度为4.3nm，tialtan单层厚度为5.5nm；80(alcrn/tialtan/tialsin)复合涂层包括由内向外设置的周期性相互交替沉积的alcrn层、tialtan层与tialsin层，包含80个周期，alcrn层单层厚度为4.2nm，tialtan单层厚度为5.2nm，tialsin单层厚度为5.4nm；50(tialtan/tialsin)复合涂层包括由内向外设置的周期性相互交替沉积的tialtan层与tialsin层，包含50个周期，tialtan单层厚度为4.7nm，tialsin单层厚度为4.9nm。上述三种周期交替沉积涂层中alcrn层按原子比组成为al0.7cr0.3n，tialsin层按原子比组成为ti0.3al0.6si0.1n，tialtan层按原子比组成为ti0.3al0.6ta0.1n。刀具基体为型号apmt1605pder-fm硬质合金模具钢铣削用刀片。上述本实施案例的多层梯度结构涂层刀具的制备方法，具体步骤如下：1)利用粉末冶金方法对w、co、ti、ta、cr、v、c、n、o等元素及其化合物进行湿磨、喷雾干燥、压制、烧结成型后并经过一系列工序的机械后序加工和后续工艺处理得到刀具基体研磨品；对刀具基体研磨品涂层处理与超声清洗，以达到去污要求和良好的表面质量，然后送入涂层设备进行相应涂层的涂覆沉积。涂层炉内本底真空为5x10-2pa，采用红外线加热管方式将刀具产品加热至300℃。然后继续用红外线加热管结合等离子体继续加热(通入ar，流量为50sccm)，并辅以h2还原处理(通入h2，流量为300sccm)，加热控制温度设定为480℃，处理时间为48min。2)涂层前采用氩离子对刀具基体表面进行轰击刻蚀，进一步去除刀具基体表面脏化物，并活化刀具基体表面改善刀具基体与涂层的结合：通入工作气体，保持炉内压力为2.1x10-1pa；开启偏压电源，电压为170v；开启离子源，电流为140a。刻蚀时间为40min。3)利用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上沉积80(alcrn/tialtan)复合交替涂层：通入工作气体n2并保持压力为3.5pa，设定偏压为40v，工件架转速为28％(约1.47r/min)，开启alcr弧源，电流为120a，开启tialta弧源，电流为200a，沉积时间54.3min，工件架约旋转80圈。4)利用阴极电弧离子镀技术在80(alcrn/tialtan)涂层上沉积80(alcrn/tialtan/tialsin)复合交替涂层：开启tialsi弧源，电流为200a，工件架转速调整为29％(约1.53r/min)，沉积时间52.4min，工件架约旋转80圈。5)利用阴极电弧离子镀技术在80(alcrn/tialtan/tialsin)涂层上沉积50(tialtan/tialsin)复合交替涂层：关闭alcr弧源，工件架转速调整为32％(约1.68r/min)，偏压调整为80v，沉积时间30min，工件架约旋转50圈。6)关闭所有弧源，关闭偏压电源，关闭加热电源，关闭气体，真空状态下自然冷却至产品温度小于200℃，涂层结束。7)上述方法主要是根据各种刀具的要求使用不同成分的靶材alcrn靶、tialtan靶与tialsin靶，从刀具基体由内向外的顺序，依次得到不同靶材搭配的三种周期性交替沉积涂层，涂层体系整体上呈现成分梯度结构，多层梯度结构涂层总厚度为2.45μm。对比例2对比例2刀具为与实施例2的多层梯度结构涂层刀具具有相同刀具基体成分与相同机械设计外形的apmt1605pder-fm硬质合金模具钢铣削用刀片，采用相同的pvd技术沉积制备ti0.33al0.67n单层均一涂层，涂层厚度2.36μm。同样采用csm公司micro-combitester型纳米压痕模块对涂层纳米硬度和弹性模量进行测定，结果如表3所示。实施例2刀具涂层的纳米硬度和弹性模量分别为38.5gpa、415.5gpa，对比例2刀具涂层纳米硬度和弹性模量分别为32.5gpa、375.3gpa。实施例2刀具涂层、对比例2刀具涂层的h3/e2值分别为0.331、0.242。结果表明，相对于对比例2刀具涂层，实施例2刀具涂层具有更好的耐磨性与韧性。表3实施例1与对比例1刀具涂层的纳米压痕实验结果涂层种类纳米硬度(gpa)弹性模量(gpa)h3/e2值实施例2刀具涂层38.5415.50.331对比例2刀具涂层32.5375.30.242将实施例2的多层梯度结构涂层刀具、对比例2刀具按照相同的切削加工条件进行加工，具体切削参数如下：加工材料440c淬火钢(hrc54)切削速度vc＝120/min每齿进给量fz＝0.1mm/r切削深度ap＝0.5mm冷却方式干冷试刀结果显示，在连续铣削4分钟后，实施例2刀具前刀面刀刃崩刃现象明显小于对比例2的刀具，如图5所示。实施例2刀具后刀面磨损量为0.216mm，对比例2刀具后刀面磨损为0.442mm，如图6所示。表4实施例2与对比例2刀具的磨损量以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12