一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具及其制备方法与流程

1.本发明涉及材料表面改性技术领域，具体为一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具及其制备方法。


背景技术：

2.crb2是一种六方结构的过渡族金属硼化物，空间群为p6/mmm，b原子在cr基中形成二维网状结构，并与cr原子面层叠分布。由于其具有熔点高、硬度高、优异高温稳定性和耐蚀性等特点，可作为理想的刀具和模具等保护性涂层材料之选。dahm等(dahm k.l,jordan l.r,dearnley p.a,etal.magnetron sputter deposition of chromium diboride coatings[j].surface&coatings technology,1998,108(98):413-418.)最早于1998年采用crb2陶瓷靶材，通过非平衡磁控溅射沉积技术制备了crb2涂层，研究发现涂层硬度为42-49gpa，达到超硬涂层水平，同时具有(001)晶面取向的crb2涂层比(101)晶面取向的涂层具有更好的耐蚀性和耐磨性。随后audronis等(audronis m.,kelly p.j,arnell r.d,etal.the structure and properties of chromium diboride coatings deposited by pulsed magnetron sputtering of powder tragets[j].surface&coatings technology,2005,200(5/6):1366-1371.)采用脉冲磁控溅射沉积技术制备了crb2涂层，研究发现脉冲占空比和基体偏压的增加促进了涂层中(001)晶面的形成，且增加了涂层硬度。choi等(choi h.s,park b,lee j.j,etal.crb2 coatings deposited by inductively coupled plasma assisted dc magnetron sputtering[j].surface&coatings technology,2007,202(4/5/6/7):982-986.)采用电感耦合等离子辅助直流磁控溅射技术制备了crb2涂层，研究表明随着电感耦合线圈功率的增加，涂层的生长取向由(101)转变为(001)方向，涂层硬度由30gpa增加到54gpa。但crb2涂层硬度太高，易使涂层的脆性增大，不适合断续切削加工。
[0003]
α-al2o3熔点高、高温化学稳定性好，在1200℃其硬度仍高达hra80；用α-al2o3制作的刀具涂层高速切削时也不发生扩散和粘结磨损。采用无环境影响的物理气相沉积(pvd)法实现低温沉积α-al2o3涂层，一直是学者们的目标。低温沉积氧化铝的关键，是避免形成亚稳相氧化铝。因为氧化铝是良好的电绝缘材料，避免在化合物模式下靶表面打火(靶中毒)是用反应溅射沉积制备氧化铝的另一个关键问题。α-cr2o3与α-al2o3的晶体结构相同，晶格失配很小，力学性能相近且易于低温形成，氧化alcr合金能显著降低α-al2o3的形成温度。cr促低温形成α-al2o3的作用显著，使用alcr合金作溅射靶材能促进低温形成α-al2o3。薄膜中包含的α-cr2o3与α-al2o3性能相近，且能互相固溶形成α-(al,cr)2o3，保持与α-al2o3相近的性能。溅射al
70
cr
25
(α-al2o3)5复合靶可以在基体温度为550℃时得到富铝单相α-(al
0.74
cr
0.26
)2o3纳米晶薄膜，其纳米压痕硬度30.2
±
1.7gpa。但现有大多数α-(al,cr)2o3涂层硬度较低且小于35gpa，导致涂层的耐磨损性能不足，为了克服现有技术的缺点，为此，提出一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具及其制备方法。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0005]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具，包括基体，所述基体的外侧设置有结合层，所述结合层的外侧设有第一功能层，所述第一功能层的外侧设有第二功能层，所述第一功能层和第二功能层之间形成共格外延生长界面，所述基体为硬质合金、金属陶瓷、高速钢、聚晶金刚石、立方氮化硼中的一种或多种。
[0006]
作为本技术方案进一步优选的：所述第一功能层织构系数的计算如下：
[0007]
式中：i(hlk)为通过x射线衍射测量到的(hkl)晶面的反射强度，i0为根据pdf卡号34-0369的衍射反射的标准强度，n为计算中所用的反射晶面的数目，所用的(hkl)反射晶面有(001)、(100)、(101)、(002)、(110)、(111)、(102)、(200)、(201)，所述第一功能层的硬度为35-40gpa，所述第一功能层的厚度为2-4μm，所述第一功能层沿(001)晶面择优取向生长。
[0008]
作为本技术方案进一步优选的：所述第二功能层织构系数的计算如下：
[0009]
式中：i(hlk)为通过x射线衍射测量到的(hkl)晶面的反射强度，i0为根据pdf卡号46-1212的衍射反射的标准强度，n为计算中所用的反射晶面的数目，所用的(hkl)反射晶面有(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(202)、(024)、(116)、(300)、(1,0,10)，所述第二功能层的硬度不低于35gpa，所述第二功能层的厚度为1-4μm，所述第二功能层沿(006)晶面择优取向生长。
[0010]
作为本技术方案进一步优选的：所述结合层的厚度为0.1-1.0μm。
[0011]
作为本技术方案进一步优选的：所述第一功能层和第二功能层呈柱状晶生长，且晶粒尺寸为50-300nm。
[0012]
作为本技术方案进一步优选的：所述第一功能层的织构系数3≤tc(001)≤5。
[0013]
作为本技术方案进一步优选的：所述第二功能层的织构系数tc(006)≥4。
[0014]
作为本技术方案进一步优选的：所述结合层为cr，所述第一功能层为密排六方结构crb2，所述第二功能层为密排六方结构α-(al,cr)2o3。
[0015]
本发明还提供了一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
[0016]
s1、首先制作硬质合金刀具基体；
[0017]
s2、刀具基体涂层前要进行刃口处理、表面处理和超声波清洗以达到良好的刃口和表面质量；
[0018]
s3、涂层前进一步改善涂层与基体的结合，根据各种刀具的要求使用不同成分的靶材作为涂层源，并采用高功率脉冲磁控溅射涂层方式，首先在刀具基体表面沉积cr结合层，然后在cr结合层上沉积第一功能层crb2，最后在第一功能层上沉积共格外延生长的第二功能层α-(al,cr)2o3。
[0019]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明一方面通过制备(001)晶面择优取向生长的crb2涂层，织构系数在3-5之间，控制涂层硬度35-40gpa之间，使涂层具有高耐磨
性的同时具有高的韧性，另一方面通过制备(001)晶面择优取向生长的crb2涂层为模板，制备(006)晶面择优取向生长的α-(al,cr)2o3涂层，织构系数大于4，硬度大于35gpa。crb2涂层和α-(al,cr)2o3涂层均为密排六方结构，都含有cr元素，易形成共格外延生长界面，从而提高涂层之间的结合力。使得涂层同时具有优异的高温抗氧化性、高的耐磨性和结合强度，从而适合于钛合金、镍基高温合金、不锈钢的高速切削。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]
图1为本发明的剖面结构示意图。
具体实施方式
[0022]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023]
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
[0024]
一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具，包括基体，基体的外侧设置有结合层，结合层的外侧设有第一功能层，第一功能层的外侧设有第二功能层，第一功能层和第二功能层之间形成共格外延生长界面，基体为硬质合金、金属陶瓷、高速钢、聚晶金刚石、立方氮化硼中的一种或多种。
[0025]
第一功能层织构系数的计算如下：
[0026]
式中：i(hlk)为通过x射线衍射测量到的(hkl)晶面的反射强度，i0为根据pdf卡号34-0369的衍射反射的标准强度，n为计算中所用的反射晶面的数目，所用的(hkl)反射晶面有(001)、(100)、(101)、(002)、(110)、(111)、(102)、(200)、(201)，第一功能层的硬度为35-40gpa，第一功能层的厚度为2-4μm，第一功能层沿(001)晶面择优取向生长。
[0027]
第二功能层织构系数的计算如下：
[0028]
式中：i(hlk)为通过x射线衍射测量到的(hkl)晶面的反射强度，i0为根据pdf卡号46-1212的衍射反射的标准强度，n为计算中所用的反射
晶面的数目，所用的(hkl)反射晶面有(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(202)、(024)、(116)、(300)、(1,0,10)，第二功能层的硬度不低于35gpa，第二功能层的厚度为1-4μm，第二功能层沿(006)晶面择优取向生长。
[0029]
结合层的厚度为0.1-1.0μm，第一功能层和第二功能层呈柱状晶生长，且晶粒尺寸为50-300nm，第一功能层的织构系数3≤tc(001)≤5，第二功能层的织构系数tc(006)≥4，结合层为cr，第一功能层为密排六方结构crb2，第二功能层为密排六方结构α-(al,cr)2o3。
[0030]
下述各实施例中的本发明涂层切削刀具可采用以下方法制备：本发明还提供了一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：首先根据现有的粉末冶金方法制作硬质合金坯料，并经过后期的研磨加工制备出特定形状的刀具，得到硬质合金刀具基体。刀具基体在准备涂层前首先要经过刃口处理、表面处理和超声波清洗以达到良好的刃口和表面质量。涂层前采用氩离子对刀具表面进行轰击，进一步改善涂层与基体的结合，根据各种刀具的要求使用不同成分的靶材作为涂层源，并采用高功率脉冲磁控溅射涂层方式，首先在刀具基体表面沉积cr结合层，然后在cr结合层上沉积第一功能层crb2，最后在第一功能层上沉积共格外延生长的第二功能层α-(al,cr)2o3。
[0031]
靶材cr靶，纯度为99.9wt.％，反应温度为400-750℃，功率为500-2000w，频率为1000-10000hz，负偏压为30-100v，脉冲宽度为10-500μs，占空比为0.1-0.9，通入气体ar，腔室真空度为0.2-0.5pa；
[0032]
靶材crb2靶，纯度为纯度99.9wt.％，反应温度为400-750℃，功率为4000-10000w，频率为500-10000hz，负偏压为30-80v，脉冲宽度为10-500μs，占空比为0.1-0.9，通入气体ar，腔室真空度为0.2-0.5pa；
[0033]
靶材alcr合金靶，纯度为纯度99.9wt.％，原子比al/cr＝1-3，反应温度为400-750℃，功率为4000-8000w，频率为500-10000hz，负偏压为30-120v，脉冲宽度为10-500μs，占空比为0.1-0.9，通入气体ar和o2，腔室真空度为0.2-0.5pa。
[0034]
下述各对照刀具采用与各实施例刀具相同的方法制备得到，即在沉积涂层前，对刀具基体做相同的预处理，然后也采用物理气相沉积法制备涂层。
[0035]
实施例1
[0036]
一种本发明的抗高温氧化高耐磨涂层刀具，包括基体和沉积在刀具基体上的涂层，刀具基体为cnmg120408型硬质合金车刀，涂层采用上述方法制备获得。涂层包括：厚度为0.5μm的cr底层、厚度为3μm的第一功能层crb2、厚度为2μm的α-(al,cr)2o3。所述的crb2涂层为密排六方结构，呈柱状晶生长，晶体生长择优取向为(001)晶面，织构系数tc(001)＝4，晶粒尺寸为100nm，硬度为37gpa。所述的α-(al,cr)2o3涂层为密排六方结构，呈柱状晶生长，晶体生长择优取向为(006)晶面，织构系数tc(006)＝5，晶粒尺寸为110nm，硬度为38gpa。
[0037]
对照刀具1为与实施例1具有相同形状和相同基体成分的硬质合金车刀，涂层为采用物理气相沉积多弧离子镀技术制备的altin/alcrn双层结构涂层。
[0038]
对照刀具2为与实施例1具有相同形状和相同基体成分的硬质合金车刀，涂层为采用物理气相沉积多弧离子镀技术制备的alcrn/tisin双层结构涂层。
[0039]
将上述三种刀具按照以下切削加工条件进行对比试验：
[0040]
加工材料tc4钛合金，连续湿式车削，vc＝100m/min，ap＝1mm，f＝0.2mm/r，产品寿命标准为刀具后刀面磨损量vb超过0.2mm。
[0041]
本实施例刀具加工25分钟后，磨损量达到0.26mm，正常磨损失效；对照刀具1加工，15分钟后刀具剧烈磨损失效；对照刀具2加工20分钟后，磨损量达到0.29mm，正常磨损失效。
[0042]
实施例2
[0043]
一种本发明的抗高温氧化高耐磨涂层刀具，包括基体和沉积在刀具基体上的涂层，刀具基体为cnmg120404型硬质合金车刀，涂层采用上述方法制备获得。涂层包括：厚度为0.5μm的cr底层、厚度为2.5μm的第一功能层crb2、厚度为2μm的α-(al,cr)2o3。所述的crb2涂层为密排六方结构，呈柱状晶生长，晶体生长择优取向为(001)晶面，织构系数tc(001)＝5，晶粒尺寸为80nm，硬度为38gpa。所述的α-(al,cr)2o3涂层为密排六方结构，呈柱状晶生长，晶体生长择优取向为(006)晶面，织构系数tc(006)＝6，晶粒尺寸为90nm，硬度为40gpa。
[0044]
对照刀具1为与实施例1具有相同形状和相同基体成分的硬质合金车刀，涂层为采用物理气相沉积多弧离子镀技术制备的tialn单层结构涂层，厚度5μm。
[0045]
对照刀具2为与实施例1具有相同形状和相同基体成分的硬质合金车刀，涂层为采用物理气相沉积多弧离子镀技术制备的tialn/tisin双层结构涂层，总厚度5μm。
[0046]
将上述三种刀具按照以下切削加工条件进行对比试验：
[0047]
加工材料inconel718镍基合金，连续湿式车削，vc＝20m/min，ap＝1.5mm，f＝0.1mm/r，产品寿命标准为刀具后刀面磨损量vb超过0.2mm。
[0048]
本实施例刀具加工20分钟后，磨损量达到0.27mm，正常磨损失效；对照刀具1加工，10分钟后刀具剧烈磨损失效；对照刀具2加工15分钟后，磨损量达到0.28mm，正常磨损失效。
[0049]
实施例3
[0050]
一种本发明的抗高温氧化高耐磨涂层刀具，包括基体和沉积在刀具基体上的涂层，刀具基体为rphx1204m4en型硬质合金铣刀，涂层采用上述方法制备获得。涂层包括：厚度为0.5μm的cr底层、厚度为2.5μm的第一功能层crb2、厚度为2μm的α-(al,cr)2o3。所述的crb2涂层为密排六方结构，呈柱状晶生长，晶体生长择优取向为(001)晶面，织构系数tc(001)＝4.5，晶粒尺寸为85nm，硬度为37gpa。所述的α-(al,cr)2o3涂层为密排六方结构，呈柱状晶生长，晶体生长择优取向为(006)晶面，织构系数tc(006)＝5.5，晶粒尺寸为100nm，硬度为39gpa。
[0051]
对照刀具1为与实施例1具有相同形状和相同基体成分的硬质合金铣刀，涂层为采用物理气相沉积高功率脉冲磁控溅射技术制备的cr/crb2双层结构涂层，crb2双层硬度45gpa，总厚度5μm。
[0052]
对照刀具2为与实施例1具有相同形状和相同基体成分的硬质合金铣刀，涂层为采用物理气相沉积高功率脉冲磁控溅射技术制备的alcrn/α-(al,cr)2o3双层结构涂层，α-(al,cr)2o3涂层硬度30gpa，总厚度5μm。
[0053]
将上述三种刀具按照以下切削加工条件进行对比试验：
[0054]
加工材料ti555.3钛合金，湿式铣削，vc＝28m/min，ap＝4mm，f＝0.16mm/r，产品寿命标准为刀具后刀面磨损量vb超过0.2mm或刀具崩缺失效。
[0055]
本实施例刀具加工15分钟后，磨损量达到0.29mm，正常磨损失效；对照刀具1加工，5分钟后刀具崩缺失效；对照刀具2加工10分钟后，磨损量达到0.29mm，正常磨损失效。
[0056]
实施例4
[0057]
一种本发明的抗高温氧化高耐磨涂层刀具，包括基体和沉积在刀具基体上的涂
层，刀具基体为wnmg120404型硬质合金车刀，涂层采用上述方法制备获得。涂层包括：厚度为0.5μm的cr底层、厚度为2μm的第一功能层crb2、厚度为3μm的α-(al,cr)2o3。所述的crb2涂层为密排六方结构，呈柱状晶生长，晶体生长择优取向为(001)晶面，织构系数tc(001)＝4，晶粒尺寸为100nm，硬度为37gpa。所述的α-(al,cr)2o3涂层为密排六方结构，呈柱状晶生长，晶体生长择优取向为(006)晶面，织构系数tc(006)＝5，晶粒尺寸为110nm，硬度为38gpa。
[0058]
对照刀具1为与实施例1具有相同形状和相同基体成分的硬质合金车刀，涂层为采用物理气相沉积多弧离子镀技术制备的tialn/nbn双层结构涂层，厚度5μm。
[0059]
对照刀具2为与实施例1具有相同形状和相同基体成分的硬质合金车刀，涂层为采用物理气相沉积高功率脉冲磁控溅射技术制备的tialn/tib2双层结构涂层，总厚度5μm。
[0060]
将上述三种刀具按照以下切削加工条件进行对比试验：
[0061]
加工材料316l不锈钢，连续湿式车削，vc＝300m/min，ap＝1mm，f＝0.2mm/r，产品寿命标准为刀具后刀面磨损量vb超过0.2mm或刀具崩刃失效。
[0062]
本实施例刀具加工30分钟后，磨损量达到0.28mm，正常磨损失效；对照刀具1加工，20分钟后，磨损量达到0.28mm；对照刀具2加工17分钟后，刀具崩刃失效。
[0063]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具，包括基体，其特征在于：所述基体的外侧设置有结合层，所述结合层的外侧设有第一功能层，所述第一功能层的外侧设有第二功能层，所述第一功能层和第二功能层之间形成共格外延生长界面，所述基体为硬质合金、金属陶瓷、高速钢、聚晶金刚石、立方氮化硼中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具，其特征在于：所述第一功能层织构系数的计算如下：式中：i(hlk)为通过x射线衍射测量到的(hkl)晶面的反射强度，i0为根据pdf卡号34-0369的衍射反射的标准强度，n为计算中所用的反射晶面的数目，所用的(hkl)反射晶面有(001)、(100)、(101)、(002)、(110)、(111)、(102)、(200)、(201)，所述第一功能层的硬度为35-40gpa，所述第一功能层的厚度为2-4μm，所述第一功能层沿(001)晶面择优取向生长。3.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具，其特征在于：所述第二功能层织构系数的计算如下：式中：i(hlk)为通过x射线衍射测量到的(hkl)晶面的反射强度，i0为根据pdf卡号46-1212的衍射反射的标准强度，n为计算中所用的反射晶面的数目，所用的(hkl)反射晶面有(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(202)、(024)、(116)、(300)、(1,0,10)，所述第二功能层的硬度不低于35gpa，所述第二功能层的厚度为1-4μm，所述第二功能层沿(006)晶面择优取向生长。4.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具，其特征在于：所述结合层的厚度为0.1-1.0μm。5.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具，其特征在于：所述第一功能层和第二功能层呈柱状晶生长，且晶粒尺寸为50-300nm。6.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具，其特征在于：所述第一功能层的织构系数3≤tc(001)≤5。7.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具，其特征在于：所述第二功能层的织构系数tc(006)≥4。8.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具，其特征在于：所述结合层为cr，所述第一功能层为密排六方结构crb2，所述第二功能层为密排六方结构α-(al,cr)2o3。9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的抗高温氧化高耐磨涂层刀具的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、首先制作硬质合金刀具基体；s2、刀具基体涂层前要进行刃口处理、表面处理和超声波清洗以达到良好的刃口和表面质量；s3、涂层前进一步改善涂层与基体的结合，根据各种刀具的要求使用不同成分的靶材作为涂层源，并采用高功率脉冲磁控溅射涂层方式，首先在刀具基体表面沉积cr结合层，然后在cr结合层上沉积第一功能层crb2，最后在第一功能层上沉积共格外延生长的第二功能
层α-(al,cr)2o3。

技术总结
本发明涉及材料表面改性技术领域，且公开了一种抗高温氧化高耐磨涂层刀具及其制备方法，基体的外侧设置有结合层，结合层的外侧设有第一功能层，第一功能层的外侧设有第二功能层；通过制备(001)晶面择优取向生长的CrB2涂层，织构系数在3-5之间，控制涂层硬度35-40GPa之间，使涂层具有高耐磨性的同时具有高的韧性，另一方面通过制备(001)晶面择优取向生长的CrB2涂层为模板，制备(006)晶面择优取向生长的α-(Al,Cr)2O3涂层，织构系数大于4，硬度大于35GPa。CrB2涂层和α-(Al,Cr)2O3涂层均为密排六方结构，都含有Cr元素，易形成共格外延生长界面，从而提高涂层之间的结合力。使得涂层同时具有优异的高温抗氧化性、高的耐磨性和结合强度，从而适合于钛合金、镍基高温合金、不锈钢的高速切削。锈钢的高速切削。锈钢的高速切削。


技术研发人员：冯磊
受保护的技术使用者：常州艾恩希纳米镀膜科技有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/6