具有含氧化物涂层的涂层刀具及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种涂层刀具及其制备方法，尤其涉及一种具有含氧化物涂层的涂层 刀具及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着高速切削和干式切削技术的广泛应用，切削刀具的应用温度越来越高，在 刀具基体表面涂覆高耐磨性和高温抗氧化性的保护涂层成为目前切削刀具的发展趋势。 TiAlN涂层和CrAlN涂层由于其高硬度、高熔点和抗氧化性好等优良性能，在切削刀具上 应用最为广泛；但其热应用温度低于l〇〇〇°C，不能满足切削技术的发展现状。Al2O3是目前 考虑高温抗氧化性和热稳定性等综合性能优选的刀具涂层材料，但由于其力学性能和在硬 质合金基体上生长问题的限制使其不能单独作为刀具涂层使用，而只能和其它材料组合使 用，常见的是将具有高耐磨性的底层涂层和Al2O3表层相结合。但采用该结构的涂层刀具在 切削过程中，由于Al2O3表层硬度较低而快速磨损，从而失去对刀具的保护作用。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种包含与基体之间结合 强度良好的底层涂层、具有优异抗氧化能力和低摩擦系数的氧化物表层涂层的高耐磨的具 有含氧化物涂层的涂层刀具，还相应提供一种工艺简单、设备要求低、生产成本低的具有含 氧化物涂层的涂层刀具的制备方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种具有含氧化物涂层的涂层刀 具，包括刀具基体和沉积于刀具基体上的含氧化物涂层，所述含氧化物涂层包括沉积于刀 具基体上的Me1XA1XN底层和沉积于Me1，1以底层上的V2O5Al2O3周期性涂层；所述Me1XA1XN 底层中,Me为Ti或Cr中的一种，当Me为Ti时，0彡X彡0. 66,当Me为Cr时，0彡X彡0. 70， 所述Me1XA1XN底层的晶体结构为面心立方结构；所述V2O5Al2O3周期性涂层是以V2O5层和 Al2O3层为调制周期的多周期涂层，所述V2O5层的单层厚度为IOnm~200nm，所述Al2O3层的 单层厚度为IOnm~200nm，以保证V2O5层和Al2O3层之间不形成外延生长的超点阵结构。
[0005] 上述的涂层刀具中，优选的，所述Me1XA1XN底层中，当Me为Ti时， 0? 30 彡X彡 0? 66,当Me为Cr时，0? 30 彡X彡 0? 70。
[0006] 上述的涂层刀具中，所述含氧化物涂层的总厚度优选I. 5iim~8iim，更优选 2 um~6um〇
[0007] 上述的涂层刀具中，所述Me1XA1XN底层的厚度优选Iiim~4iim，更优选Iiim~ 3 um〇
[0008] 上述的涂层刀具中，所述V2O5Al2O3周期性涂层的总厚度优选0. 5iim~4iim，更 优选〇? 5um~3um。
[0009] 上述的涂层刀具中，所述V2O5层的单层厚度优选50nm~150nm。
[0010] 上述的涂层刀具中，所述Al2O3层的单层厚度优选50nm~150nm。
[0011] 上述的涂层刀具中，优选的，所述含氧化物涂层与所述刀具基体之间还设有过渡 层，所述过渡层为Me1XA1X金属层。
[0012] 上述的涂层刀具中，所述过渡层的厚度优选30nm~IOOnm,更优选30nm~50nm。
[0013] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述具有含氧化物涂层的涂层刀具的 制备方法，包括以下步骤：采用物理气相沉积工艺，先利用MeAl靶在所述刀具基体上沉积 Me1XA1XN底层，然后利用多靶交替沉积方式在Me1XA1XN底层上沉积以V2O5层和Al2O3层为一 个调制周期的多周期涂层，得到具有含氧化物涂层的涂层刀具。
[0014] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述具有含氧化物涂层的涂层刀具的 制备方法，包括以下步骤：采用物理气相沉积工艺，先在所述刀具基体上沉积过渡层，然后 在所述过渡层上沉积Me1XA1XN底层，再利用多靶交替沉积方式在所述Me1XA1XN底层上沉积 以V2O5层和Al2O3层为一个调制周期的多周期涂层，得到具有含氧化物涂层的涂层刀具。
[0015] 上述本发明的技术方案中，经研究和试验发现，所述Me1，1少底层的力学性能、热 性能和晶体结构与Al含量密切相关。试验表明，所述Me1XA1XN底层的晶体结构在保持面 心立方结构的前提下，增加Al含量会改善涂层的性能；但当Al含量增加到一定程度时涂层 的晶体结构会由立方结构向六方结构转化，从而使涂层的性能降低。因此，Me1XA1XN底层涂 层中的Al含量选为，当Me为Ti时，0彡X彡0? 66,优选0? 30彡X彡0? 66,当Me为Cr时， 0彡X彡0? 70,优选0? 30彡X彡0? 70。
[0016] 上述本发明的技术方案中，所述V2O5Al2O3周期性涂层是V2O5层和Al2O3层的周期 性组合（V2O5层和Al2O3层的交替顺序可置换），经研究和试验发现，这种V2O5Al2O3周期性涂 层结合了V2O5层的低摩擦系数和Al2O3层优异的高温抗氧化能力，显著改善了涂层刀具的切 削性能。此外，组成V2O5Al2O3周期性涂层的单层厚度过薄会导致Al2O3层和V2O5层之间外 延生长形成超点阵结构，虽然这种结构可以提高涂层的硬度，但会由于失去各物质本身的 结构而不能发挥出最佳性能；而过厚的单层厚度也会影响本发明的V2O5AI2O3周期性涂层 对刀具的保护作用。因此，在本发明的技术方案中，所述V2O5AI2O3周期性涂层中V2O5层的 单层厚度为IOnm~200nm，优选50nm~150nm，所述Al2O3层的单层厚度为IOnm~200nm， 优选50nm~150nm，V2O5Al2O3周期性涂层的总厚度优选控制在0.5iim~4iim范围内，可 优选为〇? 5ym~3ym。
[0017] 上述本发明的技术方案中，由于本发明的复合涂层如果过薄，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。因此，本发明中含氧化物涂层的总厚度优选为1.5iim~8iim，更优选为 2um~6um〇
[0018] 上述本发明的技术方案中，所述涂层刀具还可以优选包括有一沉积于刀具基体表 面的Me1XA1X金属层（Me和X的选取同Me1XA1XN底层）作为过渡层，所述Me1XA1XN底层沉 积于Me1XA1X金属层上。经过实验和研究发现,增加Me1XA1X金属层的结构设计能够进一 步改善复合涂层与刀具基体的热匹配关系，从而更有效地增加复合涂层与刀具基体的结合 力。所述Me1XA1X金属层的厚度范围可优选为30nm~IOOnm,更优选为30nm~50nm，因为 Me1XA1X金属层的厚度过厚或者过薄均会对复合涂层与刀具基体之间的结合强度产生消极 影响。
[0019] 上述本发明的技术方案中，所述刀具基体可以为本领域公知的各种切削刀具，特 别适用于硬质合金刀具、金属陶瓷刀具、超硬刀具和高速钢刀具。
[0020] 上述本发明的制备方法中，物理气相沉积工艺均指常规的用于沉积刀具涂层的物 理气相沉积工艺。
[0021] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0022] 1、本发明的涂层刀具通过MelxAlxN底层加强了涂层与基体的结合强度，并因为其 高硬度可充当耐磨功能层。
[0023] 2、本发明的涂层刀具的V2O5Al2O3多周期表层涂层结合了V2O5层的低摩擦系数和 Al2O3层优异的高温抗氧化能力，有效的提高了涂层的高温抗氧化性能和摩擦性能。
[0024] 3、本发明的涂层刀具的制备方法具有工艺简单、设备要求低、生产成本低的特点， 通过该方法制备的涂层刀具能够满足高速切削的需求，大大延长了切削刀具的使用寿命。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明实施例中的具有含氧化物涂层的涂层刀具的结构示意图。
[0026] 图例说明：
[0027] 1、刀具基体；2、Me1XA1X 金属层；3、Me1XA1XN底层；4、Al2〇3层；5、V2O5 层。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而 限制本发明的保护范围。
[0029] 实施例1 :
[0030] -种本发明的具有含氧化物涂层的涂层刀具，如图1所示，该涂层刀具包括刀具 基体1、沉积于刀具基体1上的Me1XA1X金属层2 (具体为Ti。.MAl(j.5。金属层）和沉积于 Me1XA1X金属层2上的含氧化物涂层，该含氧化物涂层包括沉积于Me1XA1X金属层2上的 Me1XA1XN底层3 (具体为TiaMAlaMN底层，面心立方结构）、以及沉积于Me1XA1XN底层3上 的V2O5Al2O3周期性涂层，V2O5Al2O3周期性涂层是以Al2O3层4和V2O5层5为一个调制周 期的多周期涂层（具体为10个周期）。
[0031] 在该涂层刀具中，含氧化物涂层的总厚度为311111，11。.5(^1。. 5(^底层的厚度为211111， V2O5Al2O3周期性涂层的总厚度为Iiim，V2O5层5的单层厚度为30nm，Al2O3层4的单层厚 度为70nm;TiQ.5QAla5。金属层的厚度为50nm。
[0032] -种上述本实施例的具有含氧化物涂层的涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
[0033] 首先将型号为CNMG120408的硬质合金刀片刀具基体进行表面清洗、Ar浸蚀等预 处理，然后在预处理后的刀具基体1上采用物理气相沉积法（PVD)，利用TiAl靶先沉积一层 厚度为50nm的Tia50Ala5。金属层，然后利用TiAl靶再沉积一层2iim的Tia50Ala5QN底层， 接着采