[发明专利]一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具

说明书

本发明提供一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具。本发明提供的耐高温硬质复合涂层以CrN为过渡层，增强基体与纳米复合层之间的结合力，交替设置的AlCrSiN层和MeN层具有自适应性能，W、Nb、Hf等金属元素的掺入可以在切削摩擦的高温条件下(大于800℃)快速形成具有润滑作用的W‑O、Nb‑O及Hf‑O摩擦氧化物，这些氧化物在刀具表面形成的同时对涂层内部起到保护的作用，因此在高温条件下依然保持良好的硬度、低摩擦系数、抗摩擦磨损等物理机械性能。

技术领域

本发明涉及硬质涂层技术领域，特别涉及一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具。

背景技术

硬质涂层是进行材料表面强化、发挥材料潜力、提高生产效率的有效途径，它是表面涂层的一种，是指通过物理或化学方法在基地的表面沉积的显微硬度大于某一特定值的表面涂层。硬质涂层已经被广泛应用于切削业、模具工业、地质钻探、纺织工业、机械制造以及航空航天领域，并发挥着越来越重要的作用。其中，硬质涂层在切削业的应用，不仅可以加工普通切削工具如刀具、钻头等难以加工的材料，而且可以提高切削的精准度，发挥出超硬、强韧、耐磨、自润滑等优势，被认为是切削史上的一次革命。

其中，纳米多层复合涂层在刀具行业使用较为广泛。早期的硬质保护涂层，如简单二元TiN、TiC涂层因具有较高的抗机械磨损、低摩擦系数和抗磨料磨损，所以在很多领域上广泛使用，但上述涂层的高温抗氧化性能较差，所以涂层在高速切割领域上不符合使用要求。虽然众多研究者们在简单涂层的基础上掺杂入Al、Cr等元素来提高涂层的抗氧化效果，但这些涂层在高温条件下的硬度、耐摩擦磨损性能依然较差，导致刀具的使用寿命短，仍不能满足现代高速加工刀具的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具。本发明提供的耐高温硬质复合涂层在高温条件下仍保持良好的硬度、低摩擦系数和抗摩擦磨损性能，用于刀具表面时寿命长。

本发明提供了一种耐高温硬质复合涂层，包括在基体表面依次设置的CrN过渡层和纳米复合层，所述纳米复合层包括在CrN过渡层表面依次交替设置的AlCrSiN层和MeN层，所述Me包括W、Nb或Hf。

优选的，每层AlCrSiN层的厚度独立地为10～15nm。

优选的，所述AlCrSiN层按原子百分比计，包括：Al 34～42at.％，Cr 13～20at.％，Si 5～9at.％和N 33～47at.％。

优选的，所述AlCrSiN层为包括纳米晶CrN、非晶Si₃N₄和非晶AlN的纳米复合结构。

优选的，每层MeN层的厚度独立地为4～10nm。

优选的，所述MeN层按原子百分比计，包括：Me 48～60at.％和N 52～40at.％。

优选的，所述纳米复合层的厚度为2～5μm。

优选的，所述CrN过渡层的厚度为50～200nm。

本发明提供了一种上述技术方案所述耐高温硬质复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)在基体表面沉积CrN过渡层；

(2)在所述步骤(1)中的CrN过渡层的表面依次交替沉积AlCrSiN层和MeN层，所述Me包括W、Nb或Hf，得到耐高温硬质复合涂层。

本发明还提供了一种涂层刀具，包括刀具基体和设置在所述刀具基体表面的涂层，所述涂层为上述技术方案所述的耐高温硬质复合涂层或按照上述技术方案所述制备方法制备的耐高温硬质复合涂层。