CN111235526A - 一种包含纳米多层涂层的切削刀具、制造方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包含纳米多层涂层的切削刀具、制造方法及其应用，切削刀具包括基底和涂覆在基底上的涂层，所述涂层包括由基底向外依次涂覆的第一区涂层、第二区涂层和第三区涂层，其中，所述第二区涂层包括至少一组由叠置的一层Ti_1‑aAl_aN纳米涂层和一层NbN纳米涂层形成的Ti_1‑aAl_aN/NbN单元纳米涂层组，0.1≤a≤0.9。与现有技术相比，本发明的切削刀具具有更高抗微崩刃性能、更长使用寿命的切削刀具。

Description

一种包含纳米多层涂层的切削刀具、制造方法及其应用

技术领域

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种包含纳米多层涂层的切削刀具、制造方法及其应用。

背景技术

材料的性能随着工业技术的发展而得到不断提升，在材料应用领域，譬如钛合金、镍基合金、不锈钢等高性能、难加工材料的使用占比在逐年上升，因此，制造业对于材料加工工具的要求也在逐年提高。难加工材料的加工对刀具整体性能的要求很高，对刀具材质、表面涂层技术都将是更高的挑战，尤其是刀具涂层技术。如何通过刀具涂层技术的创新提升刀具的加工效率和寿命已然成为一个重要的研究热点。

切削刀具表面涂层能够大大提高工具的表面硬度、抗磨损性和耐高温性等，对提高刀具寿命和加工质量有显著效果。研究发现通过修改调制周期的厚度，在某一范围内能获得最佳性能的纳米结构刀具涂层。

NbN涂层具有良好的热稳定性、较高的硬度，优异的力学性能、物理性能和化学稳定性，因此NbN涂层在各领域有着广泛的应用前景。

CN106573313B公开了一种刀具，该刀具包含基材和在基材表面的涂层，且涂层为包含外层和内层涂层的复合结构涂层，其中，最外层涂层含有立方结构NbN和六方结构NbN的混合结构NbN，且涂层中包含2种掺杂元素，而其内层涂层化合物则不包含Nb元素。

CN104508185B公开了一种切削工具刀片，其包含硬质合金基底和一个双层结构涂层，其中一层为NbN涂层，厚度为0.5-5μm，且其NbN涂层含Ti、Zr或Cr在基底与NbN层之间含氮化钛铝涂层，厚度为0.5-5μm。

CN109415799A公开了一种包含NbN涂层的刀具，该NbN涂层厚度为0.2-15μm，NbN层包含立方结构c-NbN和六方结构h-NbN的相混合物，且立方结构NbN含量不少于40％。

采用前述现有技术中纯NbN涂层以及包含NbN的多层多层涂层的切削刀具虽然在切削性能上已经取得了较好的效果，但在切削过程中依然存在微崩刃和快速氧化现象，因此可通过优化涂层结构来提升涂层抗崩刃和高温抗氧化性能，从而进一步提升涂层刀具的切削性能。

发明内容

为解决现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的一个目的在于提供具有更高抗微崩刃性能、抗高温氧化性能和更长使用寿命的切削刀具。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种包含纳米多层涂层的切削刀具，其特征在于：包括基底和涂覆在基底上的涂层，所述涂层包括第二区涂层，所述第二区涂层包括至少一组由叠置的一层Ti_1-aAl_aN纳米涂层和一层NbN纳米涂层形成的Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组，其中，0.1≤a≤0.9。可减少积屑瘤的产生，降低摩擦，提高抗微崩刃及耐磨损性能，从而延长刀具的寿命。

在其中一个实施例中，所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组中，Ti_1-aAl_aN纳米涂层的厚度为0.1-100nm，所述NbN纳米涂层的厚度为0.1-100nm。

在其中一个实施例中，所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组中，单层Ti_1-aAl_aN和单层NbN厚度之和(即涂层调制周期)为0.2-200nm。

在其中一个实施例中，所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组的组数为1-100组。通过设计多组Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组调制周期结构，使得每层Ti_1-aAl_aN涂层和NbN涂层都是纳米尺度涂层，通过单元涂层的厚度及调制周期厚度的优化设计，使得形成的Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组因为细晶强化效应而获得更高的硬度。

在其中一个实施例中，所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组的硬度为25-45GPa。硬度是通过纳米压痕方法测试得到的所述涂层的硬度数据，测试时，压痕深度与涂层厚度或总厚度应当合理匹配，若采用与本发明相同的涂层结构，但因选择的压痕深度与涂层厚度或总厚度匹配不当，造成压痕深度大于上层Ti_1-aAl_aN涂层的厚度，或测试压头贯穿了多层Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组的情况，导致测得硬度数据不在本发明限定范围之内时，应当该涂层认为仍属于本发明。

在其中一个实施例中，所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组含有立方结构NbN和六方结构NbN。

在其中一个实施例中，所述立方结构NbN所占比例≥40％。

通过工艺控制获取具有混晶结构的涂层与涂层间的界面，提升涂层间结合力及韧性。创新性地将材料混晶强化机制应用于多层涂层的界面微观组织结构设计中，通过设计多层Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组调制周期结构，通过提高具有混晶界面的单元纳米涂层组的总厚度在总涂层厚度的占比，提升混晶强化效应对涂层总体性能的贡献。

此外，通过工艺控制，实现立方相NbN和六方相NbN在NbN涂层层内的混晶，进一步通过混晶强化效应提升涂层内禀压应力，达到提高强度和耐磨性的最终目的。

在其中一个实施例中，所述涂层还包括第一区涂层，所述第一区涂层、所述第二区涂层由基底向外依次涂覆；所述第一区涂层设置至少一层，所述第一区涂层含有以下元素：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y之中的至少1种，以及C、N、O、B之中的至少1种。

在其中一个实施例中，所述第一区涂层的厚度为0.1-6μm。

在其中一个实施例中，所述涂层还包括第三区涂层，所述第二区涂层、第三区涂层由基底向外依次涂覆；所述第三区涂层设置至少一层，所述第三区涂层含有以下元素：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y之中的至少1种，以及C、N、O、B之中的至少1种。

在其中一个实施例中，每层所述第三区涂层的厚度为0.1-6μm。

在其中一个实施例中，所述基底含有以下材料或由以下材料组成：硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体以及高速钢。

所述切削刀具的制造方法，包括以下步骤：(1)采用PVD方法，在基底表面沉积所述第一区涂层；(2)采用PVD方法，在所述第一区涂层之上，分别沉积一层所述Ti_1-aAl_aN纳米涂层和一层所述NbN纳米涂层，形成一组Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组，其中，0.1≤a≤0.9；(3)采用PVD方法，将若干组所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组交替沉积，形成所述第二区涂层；(4)采用PVD方法，在所述第二区涂层之上沉积所述第三区涂层。

在其中一个实施例中，所述单层Ti_1-aAl_aN厚度为0.1-100nm，所述单层NbN厚度为0.1-100nm；所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组的组数为1-100组。

所述的切削刀具在切削难加工材料方面的应用，所述难加工材料包括钛合金、镍基合金和耐热不锈钢。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明的多层结构的Ti_1-aAl_aN/NbN纳米多层涂层，在现有技术的纯NbN涂层中引入具有良好抗高温氧化性和韧性的Ti_1-aAl_aN,形成Ti_1-aAl_aN与NbN层周期***替多层超结构，在细晶强化超结构机制作用下，增强涂层韧性，改善结合力，提高涂层的抗摩擦磨损性能和热稳定性，使涂层切削性能表现得到提升；

2.本发明通过调节Ti_1-aAl_aN/NbN层的单层厚度和涂层超结构调制周期，提升高温下硬度和耐磨等性能。操作方便，工艺简单，制备周期短，成本低，适合规模化生产；

3.本发明制备的Ti_1-aAl_aN/NbN纳米多层涂层，具有高硬度，高耐磨性和抗高温氧化性，涂层结合力好和涂层界面韧性强，在切削时能有效抵抗裂纹的迅速扩展，有利于提高刀具使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例一的切削刀具涂层示意图。

附图标记：1、第一区涂层，2、第二区涂层，2a、Ti_aAl_1-aN纳米涂层，2b、NbN纳米涂层，3、第三区涂层，4、基底。

具体实施方式

以下通过具体实施例再对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅局限于以下的实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本专利的说明书和权利要求书中，使用的术语“在......上”、“在......上/之上涂覆”、“在......上/之上形成”、“在......上/之上沉积”、“覆盖在...上面”和“在......上/之上提供”是指在表面和/或空间上形成、沉积或提供，但并非一定和表面接触。例如，在基底“之上涂覆”涂层不排除在所形成的涂层和基底之间存在相同或不同组成的一层或多层其它涂层。举例来说，基底本身可以包括常规的涂层，例如那些本领域已知的陶瓷基底本身涂覆有的涂层。

实施例一

制造切削刀具，本实施例中，切削刀具为可转位刀片，通过以下步骤制备：

在反应场所中提供基底4，本实施例中，基底4为硬质合金。

图1为本发明实施例制造的硬质合金可转位刀片的涂层示意图。

(1)采用PVD方法，在基底4表面沉积所述第一区涂层1；本实施例中，所述第一区涂层1为Ti_1-aAl_aN涂层，沉积厚度为3μm；

(2)采用PVD方法，在所述第一区涂层1之上，以适当的涂层调制周期沉积一层所述Ti_1-aAl_aN纳米涂层2a和一层所述NbN纳米涂层2b，形成一组Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组2，其中，a＝0.5；其中，本实施例中，Ti_1-aAl_aN纳米涂层2a在NbN纳米涂层2b之下，但不限于本实施例，Ti_1-aAl_aN纳米涂层2a和NbN纳米涂层2b可以不分上下，例如，可以是NbN纳米涂层2b在Ti_1-aAl_aN纳米涂层2a之下。如图1所示，仅展示2组单元纳米涂层组，但不限于此，也可以是1组单元纳米涂层组、或者3组以上的单元纳米涂层组。

本实施例中，所述涂层调制周期为0.1μm；

(3)采用PVD方法，将2组所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组2交替沉积，形成所述第二区涂层；

(4)采用PVD方法，在所述第二区涂层之上沉积所述第三区涂层3，本实施例中，所述第三区涂层3为TiN着色涂层。

测得硬质合金可转位刀片多层涂层总厚度为4μm，涂层硬度为36GPa，立方结构NbN含量为61％。

本实施例中，采用PVD方式沉积涂层，但不限于本实施例，也可以采用现有技术中其他沉积方法沉积涂层。

对照实施例一

对照实施例与实施例一的区别在于，其涂层为采用PVD方法在刀片上沉积的Ti_0.5Al_0.5N涂层。

在涂层性能方面，以下通过耐热不锈钢0Cr23Ni13铣削，对对照实施例一的刀片和该应用领域有关的PVD Ti_0.5Al_0.5N涂层刀片进行切削实验对比，其中，Ti_0.5Al_0.5N沉积厚度为4μm。

操作：面铣削

工件：方块件

材料：耐热不锈钢0Cr23Ni13

刀片类型：RCMT 1606MOE-MR6

切削速度：200m/min

每齿进给：0.2mm/z

切削深度：1mm

切削宽度：60mm

湿式切削

切削2.2分钟，8.8分钟，15.4分钟和25.2分钟后的磨损量VB(单位mm)测量结果于下表1中：

表1切削2.2分钟，8.8分钟，15.4分钟和25.2分钟后的磨损量

	2.2min	8.8min	15.4min	25.2min
					实施例一	0.06	0.14	0.29	0.52
对照实施例一	0.16	0.41	0.82	--

结果显示，相同切削条件、切削时间下，实施例一制备的刀片的磨损量显著低于作为对照实施例一的Ti_0.5Al_0.5N涂层刀片，表明与现有技术对照实施例一相比，本发明大大提高了刀片涂层的使用寿命。

对照实施例二

对照实施例二与实施例一的区别在于，其涂层为采用PVD方法在刀片上沉积的NbN涂层，其中，NbN涂层沉积厚度为4μm。

切削条件如实例一

表2切削2.2分钟，8.8分钟，15.4分钟和25.2分钟后的磨损量

	2.2min	8.8min	15.4min	25.2min
					实施例一	0.06	0.14	0.29	0.52
对照实施例二	0.13	0.35	0.68	--

结果显示，相同切削条件下，实施例一制备的刀片的磨损量显著低于作为对照实施例的NbN涂层刀片，表明与对照实施例二相比，本发明大大提高了刀片涂层的使用寿命。

对照实施例三

对照实施例三与实施例一的区别在于，其涂层为采用PVD方法在刀片上沉积的Ti_0.5Al_0.5N+NbN多层涂层，Ti_0.5Al_0.5N层沉积厚度为3μm，NbN层沉积厚度为1μm。

切削条件如实例一

表3切削2.2分钟，8.8分钟，15.4分钟和25.2分钟后的磨损量

	2.2min	8.8min	15.4min	25.2min
					实施例一	0.06	0.14	0.29	0.52
对照实施例三	0.10	0.28	0.49	0.72

实施例一中采用的是一层所述Ti_1-aAl_aN纳米涂层及一层所述NbN纳米涂层，而对照实施例三中Ti_0.5Al_0.5N+NbN多层涂层未达到实施例一的纳米级别，结果显示，相同切削条件、切削时间下，实施例一制备的Ti_1-aAl_aN+NbN纳米涂层刀片的磨损量显著低于作为对照实施例三的Ti_1-aAl_aN+NbN多层涂层刀片，与对照实施例三相比，本发明大大提高了刀片涂层的使用寿命。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种包含纳米多层涂层的切削刀具，其特征在于：包括基底和涂覆在基底上的涂层，所述涂层包括第二区涂层，所述第二区涂层包括至少一组由叠置的一层Ti_1-aAl_aN纳米涂层和一层NbN纳米涂层形成的Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组，其中，0.1≤a≤0.9。

2.根据权利要求1所述的切削刀具，其特征在于：所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组中，Ti_1-aAl_aN纳米涂层的厚度为0.1-100nm，所述NbN纳米涂层的厚度为0.1-100nm。

3.根据权利要求2所述的切削刀具，其特征在于：所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组中，单层Ti_1-aAl_aN和单层NbN厚度之和为0.2-200nm。

4.根据权利要求3所述的切削刀具，其特征在于：所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组的组数为1-100组。

5.根据权利要求4所述的切削刀具，其特征在于：所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组的硬度为25-45GPa。

6.根据权利要求1所述的切削刀具，其特征在于：所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组含有立方结构NbN和六方结构NbN。

7.根据权利要求6所述的切削刀具，其特征在于：所述立方结构NbN所占比例为≥40％。

8.根据权利要求1-7任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述涂层还包括第一区涂层，所述第一区涂层、所述第二区涂层由基底向外依次涂覆；所述第一区涂层设置至少一层，所述第一区涂层含有以下元素：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y之中的至少1种，以及C、N、O、B之中的至少1种。

9.根据权利要求8所述的切削刀具，其特征在于，所述第一区涂层的厚度为0.1-6μm。

10.根据权利要求1-7任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述涂层还包括第三区涂层，所述第二区涂层、第三区涂层由基底向外依次涂覆；所述第三区涂层设置至少一层，所述第三区涂层含有以下元素：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y之中的至少1种，以及C、N、O、B之中的至少1种。

11.根据权利要求10所述的切削刀具，其特征在于：每层所述第三区涂层的厚度为0.1-6μm。

12.根据权利要求1-7任一项所述的切削刀具，其特征在于，所述基底含有以下材料或由以下材料组成：硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体以及高速钢。

13.权利要求1-12任一项所述切削刀具的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用PVD方法，在基底表面沉积所述第一区涂层；

(2)采用PVD方法，在所述第一区涂层之上，沉积一层所述Ti_1-aAl_aN纳米涂层和一层所述NbN纳米涂层，形成一组Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组，其中，0.1≤a≤0.9；

(3)采用PVD方法，将若干组所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组交替沉积，形成所述第二区涂层；

(4)采用PVD方法，在所述第二区涂层之上沉积所述第三区涂层。

14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于：所述单层Ti_1-aAl_aN厚度为0.1-100nm，所述单层NbN厚度为0.1-100nm；所述Ti_1-aAl_aN/NbN单元纳米涂层组的组数为1-100组。

15.权利要求1-12任一项所述的切削刀具在切削难加工材料方面的应用，其特征在于，所述难加工材料包括钛合金、镍基合金和耐热不锈钢。

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