一种用于刀具的复合涂层及其制备方法和用途与流程

本发明涉及涂层，具体涉及一种用于刀具的复合涂层及其制备方法和用途。

背景技术：

1、目前，随着工业化进程的快速推进，制造行业向精细化赛道快速切换。对于产品品质提升、生产效率提高的追求，将会成为主要方向之一。在保证加工品质的前提下，利用一款刀具产品加工多种材料，可极大的降低生产成本，提高生产效率。

2、刀具表面制备涂层是提升刀具加工能力、加工寿命以及加工品质的有效手段。目前，刀具涂层技术一款涂层仅可满足一种被加工材料的加工需求。加工钢铁材料常用的刀具涂层是tialn、craln、tisin等，可提升刀具的加工能力和使用寿命。

3、如cn111945152a公开了一种钛合金表面的tialn涂层的制备方法。以激光为能量源，利用送粉式激光快速成形设备，通过设置合理的工艺参数，以市售的tial粉作为原料，在喷丸处理后的钛合金基板上直接熔化沉积获得tialn涂层，得到的tialn涂层致密无缺陷，涂层中氮化物主要以枝晶的形式存在。该方法制备tialn涂层过程无需模具，涂层成形质量好，组织均匀，具有较好的综合力学性能。

4、如cn108129152a公开了一种耐磨耐高温tisin涂层陶瓷铣刀的制备方法，属于铣刀制备技术领域。本发明以镁粉、硼粉、铝粉按一定摩尔比混合得到混合粉末，加入丙酮后混合搅拌得到悬浮液，经球磨、装模、烧结、粉碎得到almgb14粉末，本发明应用fapas烧结炉在高压、高温下烧结得到的致密块体中尖晶石杂质少，因而具有很高的硬度，其中tib2能提高铣刀基体材料表面的高温抗氧化性能，铣刀基体材料中粉体间的结合力提高，提高了铣刀的耐磨性能；该方案的tisin涂层为三元体系，即便是高温之下，各组成相具有很高强度同时两相界面具有很高的结合能，受高温影响时不会发生almgb14粉末与tib2超细粉体膨胀系数不同产生裂纹渗入空气而使熔点降低，从而避免铣刀基体材料的膨胀软化。

5、然而当前的涂层体系对加工目标材料具有显著的针对性，普遍适用性较差，当加工不同的目标材料时会导致刀具寿命出现明显的下降，且影响所得加工产品的表面质量。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于刀具的复合涂层及其制备方法和用途。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种用于刀具的复合涂层，所述复合涂层包括依次设置的多金属氮化物层和氮化物层；

4、所述多金属氮化物层的化学式为me1an，me1包括ti、cr、zr、v、c、b、mo或nb中的1种或至少2种的组合，a包括al和/或si，原子比为0.4≤a/me1≤3；

5、所述氮化物层的化学式为me2n，me2包括ti、cr、zr、al、v、c、b、mo或nb中的1种或至少2种的组合，原子比为0.3≤me2/n≤4；

6、所述多金属氮化物层和刀具基体相邻。

7、本发明提供的复合涂层，通过采用多层复合的形式，以多金属氮化物层和氮化物层相配合，利用二者之间的协同效果，实现了涂层性能的整体提升，从而延长了刀具的使用寿命。与各层单独设置相比，本发明中多金属氮化物层耐磨性高，但由于涂层内应力较大，刀具刃口处涂层常随着高速切削的进行而破碎，变得参差不齐，这将影响工件的表面质量尤其是有色金属材料工件的表面质量通过配合特定的氮化物涂层，其内应力小且韧性高在高速切削过程中，可有效抑制多金属氮化物层的异常崩缺，保证刃口处涂层均匀磨损，无参差不齐的现象，提高工件表面加工的光洁度。

8、本发明中，所述多金属氮化物层a/me1的原子比为0.4-3，例如可以是0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9或3等，但不限于所列举的数值，该范围内其它未列举的数值同样适用。

9、本发明中，所述氮化物层me2/n的原子比为0.3-4，例如可以是0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9或4等，但不限于所列举的数值，该范围内其它未列举的数值同样适用。

10、作为本发明优选的技术方案，所述多金属氮化物层的厚度为0.2-15μm，例如可以是0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm或15μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其它未列举的数值同样适用。

11、作为本发明优选的技术方案，所述氮化物层的厚度为0.1-8μm，例如可以是0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm或8μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其它未列举的数值同样适用。

12、作为本发明优选的技术方案，所述多金属氮化物层和刀具基体之间还设置有过渡层。

13、本发明提供的复合涂层中，在多金属氮化物层和刀具基体之间引入过渡层，可以进一步提升涂层的使用性能，这是因为过渡层引入后，可有效减少多金属氮化物层与刀具基体之间的应力和成分差异，提高多金属氮化物层与基体之间的结合力，可减少多金属氮化物的异常脱落，提高刀具寿命。

14、作为本发明优选的技术方案，所述过渡层中包括金属me3和/或金属氮化物me3n，me3包括ti、cr、zr、w或c中1种或至少2种的组合。

15、作为本发明优选的技术方案，所述过渡层中me3的厚度为0.1-1μm，例如可以是0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其它未列举的数值同样适用。

16、优选地，所述过渡层中me3n的厚度为0.1-3μm，例如可以是0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2μm、2.2μm、2.4μm、2.6μm、2.8μm或3μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其它未列举的数值同样适用。

17、作为本发明优选的技术方案，所述氮化物层之上还设置有惰性层；

18、优选地，所述惰性层包括类金刚石涂层或二硼化钛涂层；示例性，类金刚石涂层可以是无氢类金刚石涂层ta-c或a-c，涂层厚度为0.1-5μm，也可以是含氢类金刚石涂层h-dlc，涂层厚度为0.5-20μm；也可以是元素掺杂的类金刚石涂层x-dlc(x＝ti、cr、zr、al、v、b、mo、nb、f、si中的一种或至少2种的组合)，涂层厚度为0.5-30μm。

19、优选地，所述惰性层的厚度为0.1-30μm，例如可以是0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、2μm、4μm、6μm、8μm、10μm、12μm、14μm、16μm、18μm、20μm、22μm、24μm、26μm、28μm或30μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其它未列举的数值同样适用。

20、作为本发明优选的技术方案，所述复合涂层包括依次设置的过渡层、多金属氮化物层、氮化物层和惰性层；

21、所述过渡层中包括金属me3和/或金属氮化物me3n，me3包括ti、cr、zr、w或c中1种或至少2种的组合；所述过渡层中me3的厚度为0.1-1μm；所述过渡层中me3n的厚度为0.1-3μm；

22、所述多金属氮化物层的化学式为me1an，me1包括ti、cr、zr、v、c、b、mo或nb中的1种或至少2种的组合，a包括al和/或si，原子比为0.4≤a/me1≤3；所述多金属氮化物层的厚度为0.2-15μm；

23、所述氮化物层的化学式为me2n，me2包括ti、cr、zr、al、v、c、b、mo或nb中的1种或至少2种的组合，原子比为0.3≤me2/n≤4；，所述氮化物层的厚度为0.1-8μm；

24、所述惰性层包括类金刚石涂层或二硼化钛涂层；所述惰性层的厚度为0.1-30μm；

25、所述多金属氮化物层和刀具基体相邻。

26、本发明中，所述复合涂层包括包括依次设置的过渡层、多金属氮化物层、氮化物层和惰性层，涂层性能更加优异，这是因为过渡层与氮化物层可有效抑制多金属氮化物层在工作时产生的异常脱落和涂层破碎；惰性层摩擦系数低、与有色金属亲和性弱，更有助于切屑排出并抑制切屑瘤的产生；因此，相比于单层或双层或三层结构的涂层，在加工不锈钢、合金钢、普通碳钢、钛合金或有色金属等材料时，刀具可以获得更高的寿命，并且工件表面可以保证良好的光洁度。

27、本发明中，me1、me2和me3中元素为多个时，只需要保证me1、me2和me3的总原子比例符合限定即可，具体各子元素比例如何分配可以随意配置，不会对本发明的复合涂层的效果产生影响。

28、第二方面，本发明提供了如第一方面所述复合涂层的制备方法，所述制备方法包括依据各层参数依次进行沉积，得到所述复合涂层。

29、本发明中，所述沉积进行前可以对沉积目标进行清洗处理，具体可以是将成品刀具置于载料台上，分别浸没在金属清洗剂、酒精和去离子水中进行超声清洗，每种溶液中的超声时间为10-30min。随后，使用100℃以上的热空气，将清洗过的刀具吹干。刀具设置涂层前进行等离子体清洗，将清洗干净的刀具，安装在真空室中的夹具上，真空室内抽真空至气压1×10-3pa以下，加热真空室至200℃以上。利用离子源放电，离化氩气，形成氩离子；刀具表面接通负极性电压，吸引氩离子，对刀具表面进行轰击溅射清洗，去除工件表面的毛刺、氧化物和吸附气体，等离子体清洗过程中，氩气气压为0.05-5pa，负极性电压为120伏-2万伏，溅射时间为5-120min。

30、本发明中，所述涂层的沉积方式可以是物理气相沉积或等离子体增强化学气相沉积技术等本领域中常用的沉积技术。

31、示例性地，如过渡层沉积，利用物理气相沉积技术在刀具表面制备过渡层。在沉积过渡层时，真空室通入氩气或氮气或氩气和氮气的混合气体，维持真空室内的气压0.05-10pa，氩气与氮气混合气中，氩气/氮气的分压比为5-0.2。在阴极上接通负电压，使阴极发射成膜粒子，阴极功率为1千瓦-2万瓦。刀具表面接通负电压，吸引附近离子，在其表面形成涂层。负电压的大小为50-2000伏。涂层沉积时间为10-120min。

32、示例性地，如多金属氮化物层的沉积，利用物理气相沉积技术在刀具表面制备高硬层。在沉积高硬层时，真空室通入氮气或氩气和氮气的混合气体，维持真空室内的气压0.1-10pa，氩气与氮气混合气中，氩气/氮气的分压比为8-0.5。在阴极上接通负电压，使阴极发射成膜粒子，。阴极功率为1千瓦-5万瓦。刀具表面接通负电压，吸引附近离子，在其表面形成涂层。负电压的大小为60-3000伏，涂层沉积时间为10-720min。

33、示例性地，如氮化物层的沉积，利用物理气相沉积技术在刀具表面制备韧性层。在沉积韧性层时，真空室通入氮气或氩气和氮气的混合气体，维持真空室内的气压0.5-8pa，氩气与氮气混合气中，氩气/氮气的分压比为10-1。在阴极上接通负电压，使阴极发射成膜粒子，阴极功率为2千瓦-1万瓦。刀具表面接通负电压，吸引附近离子，在其表面形成涂层。负电压的大小为60-1000伏，涂层沉积时间为10-600min。

34、示例性地，惰性层的沉积，利用物理气相沉积或等离子体增强化学气相沉积技术在刀具表面制备惰性润滑层。在沉积惰性润滑层时，真空室通入气体，气体种类为氩气、乙炔、氢气、甲烷、tms中的一种或几种，维持真空室内的气压0.01-50pa；利用物理气相沉积制备惰性润滑层时，真空室内通入氩气，在阴极上接通负电压，使阴极发射成膜粒子，阴极功率为1千瓦-2万瓦，刀具表面接通负电压，吸引附近离子，在其表面形成涂层，负电压的大小为100-5000伏，涂层沉积时间为10-300min；利用等离子体增强化学气相沉积制备惰性润滑层时，真空室内通入氩气、乙炔、氢气、甲烷、tms中的一种或几种，刀具表面接通负电压，离化或激发附近粒子，在其表面形成涂层，负电压的大小为300伏-2万伏，涂层沉积时间为30-1000min。

35、第三方面，本发明提供如第一方面所述复合涂层的用途，所述用途包括将所述复合涂层沉积于刀具基体的表面；

36、优选地，所述刀具基体包括钻头、铣刀、铰刀、拉刀、劈刀或槽刀；

37、优选地，所述刀具基体的材质包括硬质合金和/或高速钢。

38、与现有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

39、(1)本发明提供的复合涂层基于复合涂层之间的韧-脆互锁机制，使涂层既具备极强的耐磨性能，又具备相当的韧性，同时具有良好的润滑性。高耐磨性体现为，在高速、高温切削过程中，表现出良好的红硬性；高韧性体现为，在切削过程中对涂层崩缺的抵抗能力；润滑性体现为加工过程中良好的切屑排出能力，以及对产生切屑瘤抑制能力。

40、(2)通过以上复合多层涂层的结构设计，可提高刀具的加工能力，无论在加工质地较软的有色金属还是硬度较大的合金钢或是加工硬化程度较强的钛合金，涂层刀具均可以保持优异的加工性能和使用寿命。