[发明专利]一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法

说明书

本发明实施例提供了一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法。该涂层刀具包括基体材料，以及自基体材料开始，依次沉积的结合层、梯度层、支撑层和功能层，其中，结合层含有过渡金属元素Me，梯度层中N元素的含量从0开始、随着相对基体材料的距离增大而增加。该涂层刀具具有高硬度和高结合强度的特点，表面硬度超过3700HV，同时结合强度超过120N，刀具的使用寿命也得到了显著延长。

技术领域

本发明属于切削刀具技术领域，具体涉及一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法。

背景技术

随着现代制造业的高速发展，各种高硬度、高强度、高韧性和难切削的新型工业材料层出不穷，切削刀具技术的发展水平成为了制约制造业发展的关键因素。影响切削刀具技术水平的因素主要是刀具材料、刀具设计结构和刀具表面涂层技术。首先，刀具材料应具备良好的力学性能，如刚性、韧性和抗折强度等。其次在刀具表面涂层材料方面，为了保证切削加工过程承受很高的温度，热稳定性、高温抗氧化性的刀具涂层技术被开发出来，但刀具涂层最关键的硬度和结合强度等力学性能却往往被忽视。

刀具涂层技术是使切削刀具的综合性能得到改善的有效方法。涂层刀具具有以下特点：(1)涂层刀具相对无涂层的刀具，可以使用更高的切削速度进行切削，因此加工效率可以更高；(2)由于膜层硬度比基体高的多，可以在相对较“软”的基体上涂覆硬质涂层来加工一些难加工的材料；(3)涂层刀具可以实现干切削，减少了切削液的使用，符合绿色制造的加工理念，环境友好；(4)膜层较薄，大约只有1～10μm，不会影响刀具的加工精度；(5)涂层刀具相对未涂层的刀具耐磨性大幅度提高，从而延长了刀具的使用寿命，降低了生产成本。

由于涂层刀具能够提高加工效率，延长使用寿命并降低生产成本，自20世纪70年代用化学气相沉积法在硬质合金刀具表面沉积TiN涂层以来，涂层刀具的使用发展迅速。涂层种类由最初的二元涂层TiN、CrN发展到三元涂层TiAlN、CrAlN或TiSiN，以及多元涂层CrTiAlN、CrAlSiN或TiAlSiN等。然而，对于现有的涂层刀具而言，涂层膜基的结合强度仍不理想，抗冲击性能差，制约了刀具涂层技术的发展。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法。

根据本发明第一方面实施例的一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具，所述涂层刀具涂层具有高硬度、高结合强度等力学性能，表现出良好的切削性能。

根据本发明第一方面实施例的一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具，所述涂层刀具包括

基体材料；以及

自所述基体材料开始，依次沉积的结合层、梯度层、支撑层和功能层；

所述结合层含有过渡金属元素Me；

所述梯度层为第一MeN层，所述第一MeN层中N元素的含量从0开始、随着相对基体材料的距离增大而增加；

所述支撑层含有若干交替叠加的第二MeN层和第一MeXN层；

所述功能层为第二MeXN层；

所述过渡金属元素Me包括Cr、Ti和Zr中的至少一种；

所述X元素包括Al和Si中的至少一种。

根据本发明实施例的含梯度及纳米多层结构的涂层刀具，至少具有如下技术效果：

涂层刀具的技术关键在于提升涂层的结合强度与降低膜层的内部应力。本发明实施例的涂层刀具中，梯度层和支撑层是发明的核心所在。

其梯度层中：