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

本发明专利技术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

A cutting tool, manufacturing method and application including nano multilayer coating

【技术实现步骤摘要】
一种包含纳米多层涂层的切削刀具、制造方法及其应用
本专利技术属于材料加工领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的缺陷和不足，本专利技术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，本专利技术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Ti1-aAlaN纳米涂层和一层NbN纳米涂层形成的Ti1-aAlaN/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Ti1-aAlaN/NbN单元纳米涂层组中，Ti1-aAlaN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Ti1-aAlaN/NbN单元纳米涂层组中，单层Ti1-aAlaN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Ti1-aAlaN/NbN单元纳米涂层组的组数为1-100组。通过设计多组Ti1-aAlaN/NbN单元纳米涂层组调制周期结构，使得每层Ti1-aAlaN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Ti1-aAlaN/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Ti1-aAlaN/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，若采用与本专利技术相同的涂层结构，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Ti1-aAlaN涂层的厚度，或测试压头贯穿了多层Ti1-aAlaN/NbN单元纳米涂层组的情况，导致测得硬度数据不在本专利技术限定范围之内时，应当该涂层认为仍属于本专利技术。在其中一个实施例中，所述Ti1-aAlaN/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Ti1-aAlaN/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Ti1-aAlaN纳米涂层和一层所述NbN纳米涂层，形成一组Ti1-aAlaN/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Ti1-aAlaN/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Ti1-aAlaN厚度为0.1-100nm，所述单层NbN厚度为0.1-100nm；所述Ti1-aAlaN/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。本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术的多层结构的Ti1-aAlaN/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Ti1-aAlaN,形成Ti1-aAlaN与NbN层周期性交替多层超结构，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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

【技术特征摘要】
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Ti1-aAlaN纳米涂层和一层NbN纳米涂层形成的Ti1-aAlaN/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Ti1-aAlaN/NbN单元纳米涂层组中，Ti1-aAlaN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Ti1-aAlaN/NbN单元纳米涂层组中，单层Ti1-aAlaN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Ti1-aAlaN/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Ti1-aAlaN/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Ti1-aAlaN/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...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭卓鹏，黄学海，殷磊，邱联昌，阿比尔莱尤斯，杨伦旺，傅声华，
申请(专利权)人：赣州澳克泰工具技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36