CN103173761B - 改善涂层结构的切削刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善涂层结构的切削刀具，包含基体以及在基体上覆盖的涂层，涂层由内到外包含有内层B、过渡层C和外层D；内层B由过渡元素与非金属组成的化合物材料构成，过渡层C包含有过渡层C1和/或过渡层C2；过渡层C1、C2均主要由钛的碳氮氧化物组成，外层D具有单一相的α-Al₂O₃结构，外层D的厚度为d＝0.5μm～4μm，其平均晶粒度S为0.2μm≤S≤0.5μm。其制备方法是先准备刀具基体，然后在其上于同一涂层周期中依次沉积内层B、过渡层C2、过渡层C1和外层D；再经过表面处理后完成制作。本发明的切削刀具硬度高、耐磨性好，在钢、不锈钢、铸铁等材料的切削加工上具有优异的切削性能。

Description

改善涂层结构的切削刀具及其制备方法

技术领域

本发明属于金属切削加工领域，尤其涉及一种带涂层的切削刀具及其制备工艺。

背景技术

在机械加工工具上用化学气相沉积法(CVD)沉积氧化铝涂层已有超过20年的历史。氧化铝优异的耐磨损和耐腐蚀性能在文献中得到广泛的讨论。沉积在切削刀具上的CVD氧化铝涂层常见的有α-Al₂O₃和κ-Al₂O₃两种相，在CVD生产时Al₂O₃除稳定的α外，还有κ和θ相，CVD κ-Al₂O₃晶粒大小为0.5μm～1.0μm，并且一般为柱状晶，κ-Al₂O₃中几乎没有位错和孔洞。在钢材切削时κ-Al₂O₃具有很好的切削性能；其缺点是在切削时，由于局部高温以及挤压形成的高压，也会导致κ-Al₂O₃向α-Al₂O₃的转变，因为α-Al₂O₃相比κ-Al₂O₃更致密(依次为3.99g/cm³和3.67g/cm³)，转变后大约有8％的收缩，从而在α-Al₂O₃中出现明显的裂纹，α-Al₂O₃和κ-Al₂O₃的交界面机械性能变差，这将导致κ-Al₂O₃涂层的崩刃。因此κ-Al₂O₃不适合在高速高效下的切削。因此现代的刀具涂层优选α-Al₂O₃。

α-Al₂O₃俗称刚玉，为稳定氧化物，具有高温稳定性好、抗氧化、硬度高、耐磨损等优点，但是CVD α-Al₂O₃一般为等轴晶，晶粒远大于κ-Al₂O₃，大得穿过整个涂层，根据涂层厚度的不同，晶粒大小在1μm～6μm之间。试验证明α-Al₂O₃能够在Ti₂O₃的表面和(Ti，Al)(C，O)的结合面形核，或者利用CO/CO₂混合气体控制沉积气氛的氧化势使α-Al₂O₃形核。在所有的这些方法中其基本理念是在具有fcc结构的TiC、TiN、TiCN、TiCNO的表面只会生成κ-Al₂O₃。在许多现有技术产品中，当不能完全控制成核时，所沉积的α-Al₂O₃层至少有部分是由κ-Al₂O₃经相转变而形成的。这种α-Al₂O₃层由粗大且有转变裂纹的晶粒组成。与微晶α-Al₂O₃组成的α-Al₂O₃层相比，这种的机械性能大大降低。因此需要对现有技术进行改进，以控制α-Al₂O₃层的形核和生长，获得具有理想结构的α-Al₂O₃涂层。

在工业中对多晶α-Al₂O₃的控制始于20世纪末，如专利US5137774中采用(Al_xTi_y)(O_wC_z)y∶x＝2～4，z∶w＝0.6～0.8改性层在α-Al₂O₃层表面沉积κ-Al₂O₃涂层。此后的CVD α-Al₂O₃沉积技术都是利用控制形核来获得具有特定择优生长取向的α-Al₂O₃。如ZL93121032.1公开一种涂层刀具，至少部分涂有一层或多层难熔层的刀体，其中至少有一层是氧化铝，所述氧化铝层的厚度为d＝0.5μm～25μm，并由单一相的α-结构组成，其晶粒尺寸(s)为：0.5μm＜S＜1μm(对于0.5μm＜d＜2.5μm)和0.5μm＜S＜3μm(对于2.5μm＜d＜25μm)，对于等晶平面的(012)生长方向，氧化铝层的组织系数大于1.3(优选1.5)。

ZL94119184.2公开一种涂层刀具，具有＜20μm的厚涂层的刀体，所述涂层包括至少一层厚度为1～10μm的氧化铝层，该氧化铝层基本上无冷却裂纹。涂层至少包含一层氧化铝层，氧化铝层由在(110)方向有织构的单相α-Al₂O₃组成，其织构系数大于1.5。该氧化铝层包括长度为2μm～8μm，长/宽比为1～10的片状晶粒。

ZL95191221.6公开一种氧化物涂层刀具，其在刀具基体上至少部分涂有一层或多层，其中至少一层是氧化铝的难熔层，该氧化铝层的厚度为0.5～25μm，其晶粒尺寸(s)为：0.5μm＜S＜1μm(对于0.5μm＜d＜2.5μm)和0.5μm＜S＜4μm(对于2.5μm＜d＜25μm)，并却在(104)方向具有织构的单向α-结构组成，织构系数大于1.5(优选2.5、3.0)。

这几个专利通过控制α-Al₂O₃形核之前的氢气载气的氧化电位(低于20PPM的水，最好低于5PPM的水)，和控制α-Al₂O₃形核过程中反应气体通入顺序，分别获得了具有(012)、(110)、(104)生长织构的氧化铝涂层；ZL96110196.2、CN96100514.9等专利也公开了具有(012)、(110)或(104)生长织构的氧化铝涂层刀具。

US20070099029采用具有Al％含量在朝表面方向增加的TiAlCNO中间层，该中间层采用含铝气体脉冲处理加CO₂的氧化处理进行表面改性，制备对形核和生长完全控制的具有强(012)生长织构的α-Al₂O₃涂层，该涂层在(012)和(024)的织构系数TC(hkl)为2.5～3.5的柱状α-Al₂O₃晶组成，用到的反射有(012)(104)(110)(113)(024)(116)，而TC(104)(110)(113)(116)小于0.4。

US20060199026、20060115662、US20070104945、US200601412271等专利通过对具有Al％含量朝表面方向增加的TiAlCNO中间层表面所采用含铝气体脉冲处理和含氧气体的氧化处理进行表面改性工艺和参数的优化，分别制备了具有强(104)、(110)、(006)、(116)生长织构的α-Al₂O₃涂层。

众所周知，多晶材料(包括涂层)的硬度通常遵守Hall-Petch公式：其中H为多晶材料的硬度，H°为单晶材料的硬度，C为材料常数，d为晶粒尺寸。从公式可以看出通过减小涂层的晶粒度可以提高材料的硬度。但是，当处理晶粒尺寸非常细小的纳米材料时，必须考虑晶界在材料中所占比例的增加所带来的效果。许多研究表明在处理具有非常小的晶粒尺寸的纳米晶硬质材料时，发现一种反向的Hall-Petch关系。US6472060中可以清楚的看到，当晶粒尺寸降低到纳米晶粒区域时即使提高了室温硬度，抗月牙洼磨损的性能也降低。这可以用晶界滑移量的增加来解释。因此在考虑通过细化晶粒来提高涂层耐磨性能时，晶粒度应该保持在纳米晶粒的上方。

综上所述，所有的现有技术都是利用过渡层技术控制α-Al₂O₃形核来获得具有特定的生长织构的α-Al₂O₃涂层，而对直接影响α-Al₂O₃涂层显微硬度和耐磨损性能的晶粒度没有深入的研究和描述，没有综合考虑α-Al₂O₃涂层的晶粒度对涂层和涂层刀具性能的影响作用。我们有必要对切削刀具的涂层微观结构作进一步的调整、组合和设计，以改善涂层的硬度、耐磨性能和稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种硬度高、耐磨性好的改善涂层结构的切削刀具以及其制备工艺，本发明的切削刀具在钢、不锈钢、铸铁等材料的切削加工上具有优异的切削性能。

为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：

一种改善涂层结构的切削刀具，包含基体A(涂层基体可以为硬质合金、金属陶瓷，非金属陶瓷、PCD或CBN等材料)以及在基体A上至少部分覆盖的涂层，所述涂层由内到外包含有内层B、过渡层C和外层D；

所述内层B主要由元素周期表中的过渡元素与非金属元素组成的化合物材料构成，所述过渡元素选自元素周期表中的IVB族、VB族、VIB族中的至少一种，所述非金属元素选自碳、氮、氧、硼中的至少一种；

其特征在于，所述过渡层C由外到内包含有过渡层C1和/或过渡层C2；

所述过渡层C1主要由钛的碳氮氧化物TiC_x1N_y1O_z1组成，所述x1、y1、z1分别表示TiC_x1N_y1O_z1中C、N、O的原子百分数，且满足0.5≤z1/(x1+y1+z1)≤1，y1≤x1≤z1；

所述过渡层C2主要由钛的碳氮氧化物TiC_x2N_y2O_z2组成，所述x2、y2、z2分别表示TiC_x2N_y2O_z2中C、N、O的原子百分数，且满足0.5≤x2/(x2+y2+z2)≤1，

所述外层D具有单一相的α-Al₂O₃结构，外层D的厚度为d＝0.5μm～4μm，其平均晶粒度S为0.2μm≤S≤0.5μm。

上述的改善涂层结构的切削刀具，所述过渡层C1中，所述x1、y1、z1优选满足0.5≤z1/(x1+y1+z1)≤0.8；所述过渡层C1优选为片状或粒状纳米晶结构，所述过渡层C1的晶粒度优选小于200nm，所述过渡层C1优选的厚度小于0.5μm。

上述的改善涂层结构的切削刀具，所述过渡层C2中，所述x2、y2、z2优选满足0.8≤x2/(x2+y2+z2)≤1(更优选的，所述x2＝1、y2＝0、z2＝0，即过渡层C2为TiC涂层。)；所述过渡层C2优选为离散分布的纳米等轴颗粒结构，所述过渡层C2的晶粒度优选小于200nm，所述过渡层C2的厚度小于0.5μm(更优选小于0.3μm)。

上述的改善涂层结构的切削刀具中，所述内层B的化合物材料优选自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物、硼氮化物、硼碳氮化物中的一种或多种，所述化合物材料中至少有一种具有柱状晶或纤维状晶结构。更优选的，所述内层B包含一层MT-TiCN，其厚度大于3μm。

上述的改善涂层结构的切削刀具中，所述过渡层C的总厚度范围优选为0.1μm～0.8μm。

作为对上述改善涂层结构的切削刀具的进一步改进，在所述外层D的外侧还涂覆有一层含Ti化合物标识层E，该标识层优选为TiN或TiCN，所述含Ti化合物标识层的厚度优选为0.1μm～1μm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的改善涂层结构的切削刀具的制备方法，包括以下步骤：先准备硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、PCD或CBN材料的刀具基体，然后在所述刀具基体上于同一涂层周期中沉积以下涂层：

(1)利用常规的CVD法在所述刀具基体A上沉积上述的内层B；

(2)利用常规的HT-CVD工艺在所述内层B上沉积上述的过渡层C2；

(3)利用常规的HT-CVD法在所述过渡层C2上沉积上述的过渡层C1；

(4)利用常规的HT-CVD法在所述过渡层C1上沉积上述的外层D；

(5)对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂或含硅尼龙刷抛光进行表面处理；

(6)利用常规的CVD法在外层D上再沉积一层上述的含Ti化合物标识层；再经过表面处理后，在所述涂层刀片的刃口、前刀面或后刀面的局部区域去除前述标识层使外层B暴露，完成制作。

作为对上述制备方法的进一步改进，所述外层D的沉积是指在该过渡层C1上利用CO、CO₂和H₂S的混合气体对过渡层C1进行优化形核，然后在外层D的氧化铝形核作用之后，利用H₂S或SF₆对氧化铝涂层的生长进行优化，得到细晶粒的所述α-Al₂O₃结构；所述外层D的沉积过程控制在900℃～1020℃温度范围。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明切削刀具的外层D设计为具有单一相的α-Al₂O₃结构的超细晶的氧化物涂层，优选为纯的α-Al₂O₃涂层，涂层的厚度为d＝0.5μm～4μm，其晶粒度S为0.2μm≤S≤0.5μm。此种外层D的晶粒度设计通过与本发明改善型的涂层结构相结合，这使得本发明的切削刀具具有优异的抗氧化和抗月牙洼磨损性能。本发明通过最优化的限定外层α-Al₂O₃的晶粒度，这不仅进一步提高了表层α-Al₂O₃涂层的均匀性、硬度和耐磨损性能，而且避免了因晶粒尺寸过小出现的一种反向的Hall-Petch现象，而导致的硬度和耐磨损性能的下降。

2.本发明切削刀具设置的过渡层C2能有效改善过渡层C1的形核均匀性和密度，避免了单一的TiO、TiCO薄层或TiAlCO薄层在内层B的表面上分布不均匀的问题；与此同时，过渡层C2具有离散分布的TiC纳米等轴颗粒层，其可以在一定程度上改善内层B在生长过程中形成的表面凹凸不平，降低涂层的粗糙度；本发明通过对过渡层C2的组成进行优化(0.5≤x2/(x2+y2+z2)≤1)，可以有效提高过渡层C2的等轴化程度；而对过渡层C2厚度的优化又可以避免过渡层C2晶粒的粗大化，进而避免外部氧化物涂层晶粒密度的下降，避免涂层强度和涂层结合强度的降低。

3.本发明的切削刀具还设有过渡层C1，通过对其厚度进行优化，可以避免过渡层C1晶粒的粗大化和异常长大，从而得到细小均匀的过渡层C1，进而可以通过诱导形核作用，在其上得到均匀、高密度的外部氧化物涂层形核层；与此同时，本发明通过对过渡层C1的组成进行优化(0.5≤z1/(x1+y1+z1)≤1，y1≤x1≤z1)，可以得到理想的晶体结构，例如该过渡层C1可以控制具有刚玉结构的氧化物晶体的形核，这对于制备外层的α-Al₂O₃或其掺杂涂层具有重要作用。

4.本发明优选的切削刀具中在外层还设置有颜色不同于内层的含Ti化合物标识层，该层可以采用CVD或PVD方法进行沉积，也可以采用刷涂方法或喷涂方法进行涂覆。为保证刀具的切削性能，标识层在切削刃、前刀面或后刀面上被部分或全部去除。

此外，本发明中薄的等轴高碳的过渡层C2和薄的片状的过渡层C1形成的微观结构，该结构可以有效的提高过渡层C1的形核密度和分布的均匀性，从而提高外层α-Al₂O₃结构的氧化物涂层的形核密度，细化晶粒，提高表层氧化物涂层的均匀性、硬度和耐磨损性能，可见，采用具有合适结构的过渡层有助于在刀具上提供具有理想显微结构的氧化物涂层，进而从整体上改善刀具的切削性能。

附图说明

图1为本发明实施例1～4中切削刀具的结构示意图。

图2为本发明实施例1中切削刀具的外层D的扫描电子显微照片(放大倍数分别为10000)。

图3为本发明实施例1中切削刀具的过渡层C1的扫描电子显微照片(放大倍数分别为30000)。

图4为本发明实施例3中切削刀具的外层D的扫描电子显微照片(放大倍数分别为10000)。

图5为本发明具体实施方式中对比切削刀具一的外层D的扫描电子显微照片(放大倍数分别为10000)。

图6为本发明具体实施方式中对比切削刀具二的外层D的扫描电子显微照片(放大倍数分别为10000)。

图7为本发明具体实施方式中对比切削刀具二的过渡层C1的扫描电子显微照片(放大倍数分别为10000)。

图例说明：

1、基体A；2、涂层；21、内层B；22、过渡层C；221、过渡层C1；222、过渡层C2；23、外层D。

具体实施方式

实施例1：

一种如图1所示的本发明的改善涂层结构的切削刀具，包含基体A1以及在基体A1上至少部分覆盖的涂层2，涂层2由内到外至少包含有内层B21、过渡层C22和外层D23。

其中：

内层B21主要由MT-TiCN材料构成，厚度为6μm；

外层D23主要由α-Al₂O₃材料构成，厚度d＝4μm，外层D23为超细晶的氧化物涂层，外层D的α-Al₂O₃平均晶粒度S为0.46μm；

过渡层C22由外到内包含有过渡层C1 221和过渡层C2 222：

过渡层C1 221主要由钛的碳氮氧化物TiC_x1N_y1O_z1组成(具体为TiC_0.5O_0.5)，x1、y1、z1分别表示TiC_x1N_y1O_z1中C、N、O的原子百分数，且x1＝0.5，y1＝0，z1＝0.5，z1/(x1+y1+z1)＝0.5；过渡层C1为片状(或粒状)纳米晶结构，过渡层C1的厚度为0.2μm，过渡层C1的晶粒度小于200nm；

过渡层C2 222主要由钛的碳氮氧化物TiC_x2N_y2O_z2组成(具体为TiC)，x2、y2、z2分别表示TiC_x2N_y2O_z2中C、N、O的原子百分数，且x2＝1，y2＝0，z2＝0，且x2/(x2+y2+z2)＝1；过渡层C2为离散分布的纳米等轴颗粒结构，过渡层C2的厚度为0.2μm，过渡层C2的晶粒度小于200nm。

上述本实施例的切削刀具主要通过以下方法制备得到：

(1)制备硬质合金基体：先用球磨机将10wt％Co、12wt％Ti和Ta立方碳氮化物、以及余量的WC粉末通过湿式混合20h，将混合料干燥，压制成压坯，将压坯烧结成硬质合金刀具基体，对其表面和刃口采用湿喷砂处理；然后在所述刀具基体上于同一涂层周期中分别沉积以下涂层：

(2)利用常规的CVD法在刀具基体A1上沉积上述的内层B21；

(3)利用常规的HT-CVD工艺在内层B21上沉积上述的过渡层C2 222(TiC)；

(4)利用常规的HT-CVD工艺在过渡层C2上沉积上述的过渡层C1 221(TiC_0.5O_0.5)；

(5)采用以下的方法在过渡层C1 221上沉积上述的外层D23(α-Al₂O₃)：过渡层C1是在外层D的氧化铝形核作用之前沉积；外层D23的沉积是指在该过渡层C1上利用CO、CO₂和H₂S的混合气体对过渡层C1进行优化形核，然后在外层D23的氧化铝形核作用之后，利用H₂S(或SF₆)对氧化铝涂层的生长进行优化，得到细晶粒的所述α-Al₂O₃结构；外层D23的沉积过程控制在1000℃；

(6)对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂或含硅尼龙刷抛光进行表面处理，在300μm的长度上测得的表面粗糙度Ra＝0.2μm。

本实施例上述的制备方法中，CVD涂层炉在沉积各种涂层时，其气氛组成、温度和压力控制如下表1所示，各层涂层的厚度则通过调整沉积时间来控制。

表1：实施例1中的切削刀具在涂层炉中的工艺参数控制

采用XRD对本实施例1制得的涂层物相进行定性分析；用SEM和EDS分析表层氧化物外层D23和过渡层C1 221的表面微观结构，结果分别如图2、图3所示；用三线法测量表层氧化物外层D23的平均晶粒度：在照片上随意划三根平行的直线(长度为Lμm)，计数线条所穿过晶界的个数n，则平均晶粒度d为L/n，由此测算出本实施例中外层D 23中α-Al₂O₃的平均晶粒度S为0.46μm；采用划痕法测量本实施例制得的涂层的结合强度。

实施例2：

一种如图1所示的本发明的改善涂层结构的切削刀具，其涂层结构、组成成分、微观组成等均与实施例1中的切削刀具相同，仅仅是外层α-Al₂O₃与实施例1稍有差别。本实施例中，外层D的厚度d为2μm，平均晶粒度S为0.4μm。本实施例2的制备方法与实施例1基本相同，只需在工艺参数上做适应性调整即可。

实施例3：

一种如图1所示的本发明的改善涂层结构的切削刀具，包含基体A1以及在基体A1上至少部分覆盖的涂层2，涂层2由内到外至少包含有内层B21、过渡层C22和外层D23；

其中：

内层B21主要由MT-TiCN材料构成，厚度为4μm；

外层D23主要由α-Al₂O₃材料构成，厚度为d＝3μm，外层D23为超细晶的氧化物涂层，外层D的α-Al₂O₃平均晶粒度S为0.49μm；

过渡层C22由外到内包含有过渡层C1 221和过渡层C2 222：

过渡层C1 221主要由钛的碳氮氧化物TiC_x1N_y1O_z1组成(具体为TiC_0.3O_0.7)，即x1＝0.3，y1＝0，z1＝0.7，z1/(x1+y1+z1)＝0.7；过渡层C1为片状(或粒状)纳米晶结构，过渡层C1的厚度为0.3μm，过渡层C1的晶粒度小于200nm；

过渡层C2 222主要由钛的碳氮氧化物TiC_x2N_y2O_z2组成(具体为TiC_0.8N_0.15O_0.05)，即x2＝0.8，y2＝0.15，z2＝0.05，且x2/(x2+y2+z2)＝0.8；过渡层C2为离散分布的纳米等轴颗粒结构，过渡层C2的厚度为0.2μm，过渡层C2的晶粒度小于200nm。

上述本实施例的切削刀具主要通过以下方法制备得到：

(1)制备硬质合金基体：先用球磨机将6wt％Co、3.5wt％Ti和Ta立方碳氮化物、以及余量的WC粉末通过湿式混合20h，将混合料干燥，压制成压坯，将压坯烧结成硬质合金刀具基体，对其表面和刃口采用湿喷砂处理；然后在所述刀具基体上于同一涂层周期中分别沉积以下涂层：

本实施例的步骤(2)～(6)的操作与实施例1基本相同，仅仅是涂层炉中的工艺参数控制作相应调整即可(参见表1)。

用SEM和EDS分析本实施例表层氧化物外层D23的表面微观结构，结果如图4所示；测算出本实施例中外层D23中α-Al₂O₃的平均晶粒度S为0.49μm。

实施例4：

一种本发明的改善涂层结构的切削刀具，其基体与实施例3基本相同，涂层结构、组成成分、微观组成等与实施例3中的切削刀具均完全相同，仅仅是外层α-Al₂O₃与实施例3稍有差别。本实施例中，外层D的厚度d为1.4μm，平均晶粒度S为0.32μm。本实施例的切削刀具的制备方法的步骤(1)～(6)与实施例3基本相同，只需在工艺参数上做适应性调整即可；最后再利用常规的CVD法在外层D上再沉积一层上述的含Ti化合物标识层；再经过表面处理后，在所述涂层刀片的刃口、前刀面或后刀面的局部区域去除前述标识层使外层B暴露，完成制作。

另选4种对比切削刀具：

切削刀具一(对比例1)基体与实施例1相同，内层B涂层工艺与实施例1相同，缺少过渡层C，本实施例中，外层D的厚度d为3.5μm，平均晶粒度S为1.1μm。

切削刀具二(对比例2)基体与实施例1相同，内层B涂层工艺与实施例1相同，过渡层C仅有C1厚度为1μm，外层D的厚度d为4.2μm，平均晶粒度S为1.3μm。

切削刀具三(对比例3)基体与实施例3相同，内层B涂层工艺与实施例3相同，外层D根据CN1091683A号中国专利文献提供的方案制备，外层D的厚度d为7μm，平均晶粒度S为1.7μm。

以上各实施例和对比例的主要涂层结构参见下表2，其中，对比例1的外层D的表面微观结构如图5所示；对比例2的外层D和过渡层C1的表面微观结构如图6、图7所示。

表2：各种切削刀具主要涂层结构的厚度对比

将上述实施例1、实施例2的切削刀具与对比切削刀具1、2分别进行如下表3中所示的车削试验和下表4中所示的铣削试验。

表3：车削试验模式

表4：铣削试验模式

上述车削试验和铣削试验的结果如下表5所示。

表5：试验结果对比

从上表5可以看出：对比例的切削刀具表面不同程度出现了为α和κ混晶氧化铝，和晶粒粗大或粗细不均匀等等，而本发明实施例的切削刀具表面均匀；外层D的晶粒度在涂层厚度相当的条件下，本发明的外层D的晶粒度相对现有技术制备的氧化物涂层明显细化；可见，采用本发明的技术可以制备晶粒细小的具有单一相的α-Al2O3结构的氧化物涂层。

对比例的切削刀具表面晶粒异常粗大和出现有夹粗现象，刀具寿命波动较大；而本发明实施例的切削刀具表面晶粒细小，均匀，在划痕试验中表现出良好的结合强度，在切削实验中，表现出了较长的使用寿命和稳定性。

Claims (10)

1.一种改善涂层结构的切削刀具，包含基体A以及在基体A上至少部分覆盖的涂层，所述涂层由内到外包含有内层B、过渡层C和外层D；

所述内层B主要由元素周期表中的过渡元素与非金属元素组成的化合物材料构成，所述过渡元素选自元素周期表中的IVB族、VB族、VIB族中的至少一种，所述非金属元素选自碳、氮、氧、硼中的至少一种；

其特征在于，所述过渡层C由外到内包含有过渡层C1和/或过渡层C2；

所述过渡层C1主要由钛的碳氮氧化物TiC_x1N_y1O_z1组成，所述x1、y1、z1分别表示TiC_x1N_y1O_z1中C、N、O的原子百分数，且满足0.5≤z1/(x1+y1+z1)≤1，y1≤x1≤z1；

所述过渡层C2主要由钛的碳氮氧化物TiC_x2N_y2O_z2组成，所述x2、y2、z2分别表示TiC_x2N_y2O_z2中C、N、O的原子百分数，且满足0.5≤x2/(x2+y2+z2)≤1，

所述外层D具有单一相的α-Al₂O₃结构，外层D的厚度为d＝0.5μm～4μm，其平均晶粒度S为0.2μm≤S≤0.5μm。

2.根据权利要求1的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述过渡层C1中，所述x1、y1、z1满足0.5≤z1/(x1+y1+z1)≤0.8；所述过渡层C1为片状或粒状纳米晶结构，所述过渡层C1的晶粒度小于200nm，所述过渡层C1的厚度小于0.5μm。

3.根据权利要求1的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述过渡层C2中，所述x2、y2、z2满足0.8≤x2/(x2+y2+z2)≤1；所述过渡层C2为离散分布的纳米等轴颗粒结构，所述过渡层C2的晶粒度小于200nm，所述过渡层C2的厚度小于0.5μm。

4.根据权利要求3所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述x2＝1、y2＝0、z2＝0，所述过渡层C2为TiC涂层，所述过渡层C2的厚度小于0.3μm。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述内层B的化合物材料选自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物、硼氮化物、硼碳氮化物中的一种或多种，所述化合物材料中至少有一种具有柱状晶或纤维状晶结构。

6.根据权利要求5所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述内层B包含一层MT-TiCN，其厚度大于3μm。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：所述过渡层C的总厚度为0.1μm～0.8μm。

8.根据权利要求1～4中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具，其特征在于：在所述外层D的外侧还涂覆有一层含Ti化合物标识层E，所述含Ti化合物标识层的厚度为0.1μm～1μm。

9.一种如权利要求1～8中任一项所述的改善涂层结构的切削刀具的制备方法，包括以下步骤：先准备硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、PCD或CBN材料的刀具基体，然后在所述刀具基体上于同一涂层周期中沉积以下涂层：

(1)利用常规的CVD法在所述刀具基体A上沉积上述的内层B；

(2)利用常规的HT-CVD工艺在所述内层B上沉积上述的过渡层C2；

(3)利用常规的HT-CVD法在所述过渡层C2上沉积上述的过渡层C1；

(4)利用常规的HT-CVD法在所述过渡层C1上沉积上述的外层D；

(5)对上述制得的硬质合金涂层刀片采用喷砂或含硅尼龙刷抛光进行表面处理；

(6)利用常规的CVD法在外层D上再沉积一层上述的含Ti化合物标识层；再经过表面处理后，在所述涂层刀片的刃口、前刀面或后刀面的局部区域去除前述标识层使外层B暴露，完成制作。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述外层D的沉积是指在该过渡层C1上利用CO、CO₂和H₂S的混合气体对过渡层C1进行优化形核，然后在外层D的氧化铝形核作用之后，利用H₂S或SF₆对氧化铝涂层的生长进行优化，得到细晶粒的所述α-Al₂O₃结构；所述外层D的沉积过程控制在900℃～1020℃温度范围。