[发明专利]自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种切削刀具及其制备，尤其涉及一种带有复合涂层的切削刀具及其制备方法。

背景技术

由Al替代立方结构(c)过渡族金属氮化物MeN(Me＝Ti、Zr、Cr等)中部分Me形成的亚稳相MeAlN涂层，因具有高硬度、高熔点和抗氧化性好等优良性能成为刀具涂层的研究热点。MeAlN涂层的晶体结构和力学性能在很大程度上取决于涂层中的Al含量，当Al含量超过MeN的固溶度时，立方结构的MeAlN向六方相(w)AlN转化而使其力学和热性能显著下降。另外，在保持涂层为立方结构时，涂层的力学性能和高温抗氧化性能随涂层中的Al含量增加而上升，因此，Me-Al-N涂层中的Al含量控制显得尤为重要。其中，固溶度较高的TiAlN和CrAlN涂层相对其他涂层具有更高的高温抗氧化性能，在切削刀具上应用最为广泛。

亚稳相的c-TiAlN在高温时(约900℃)发生调幅分解生成亚稳相的富Al立方相和贫Al立方相，亚稳相的析出引起的共格应变导致了时效硬化的发生。Ti-Al-N涂层的时效硬化特性使得涂层刀具在切削过程中产生“自硬化效应”是Ti-Al-N涂层在工业应用领域取得成功的关键因素之一。然而，继续升高温度至约1000℃时，生成的亚稳相会向其稳定相c-TiN和w-AlN转化而导致力学性能急剧下降。另外，Ti-Al-N涂层抗氧化温度较低约850℃，限制了其高温应用。

亚稳相的CrAlN涂层最典型的优势是优异的抗氧化性，抗氧化温度高于1000℃。CrAlN在高温时(约900℃)也会向其稳定相单质Cr和w-AlN转化而引起力学性能的下降，其中Cr的生成需要经过Cr₂N过渡完成。但是，CrAlN的热分解过程并没有伴随着时效硬化的发生。相比于其高的抗氧化温度，Cr-Al-N涂层低的热稳定温度同样限制了其高温应用。

综上所述，TiAlN和CrAlN的热服役温度均低于900℃。然而，随着高速切削技术的发展，一些加工场合的温度达到1000℃以上。因此，开发新的具有高的热性能涂层材料进一步改善涂层刀具的切削性能成为推动高速切削技术发展的关键技术之一。

目前，已有一些专利和文章报道了关于CrAlN/TiAlN多层涂层的研究，但大多关注于涂层的力学性能和高温抗氧化性能，对于涂层的热稳定性基本没有涉及，特别是关于如何控制CrAlN/TiAlN多层涂层结构以达到涂层在高温时产生时效硬化效应未见报道。

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，提供一种能表现出高硬度、高热性能的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，还相应提供一种工艺简单、设备常规、生产成本低的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，包括刀具基体和沉积于刀具基体上的多层涂层，所述多层涂层中包含有一交替沉积Ti_1-xAl_xN层和Cr_1-yAl_yN层的多周期涂层，其中，0.35≤x≤0.67，0.50≤y≤0.70，所述Ti_1-xAl_xN层与Cr_1-yAl_yN层的厚度之比≥1.5。

上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，优选的，所述多周期涂层中，0.50≤x≤0.64，0.60≤y≤0.68，1.5≤Ti_1-xAl_xN层与Cr_1-yAl_yN层的厚度之比≤15。

上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，优选的，所述Ti_1-xAl_xN层的晶体结构为面心立方结构，所述Cr_1-yAl_yN层的晶体结构为面心立方结构，所述Ti_1-xAl_xN层和Cr_1-yAl_yN层共格外延生长成超点阵结构。

上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，优选的，所述多层涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti_1-xAl_xN层到Cr_1-yAl_yN层”的周期性变化趋势。