本發(fā)明屬于材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于刀具的復(fù)合層及包括該復(fù)合層的刀具及其制備方法。

背景技術(shù)：

TiAlN涂層是目前切削刀具應(yīng)用最為廣泛的涂層材料，但其高溫抗氧化性的限制，使其熱服役溫度低于900℃。TiAlN涂層的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能在很大程度上取決于涂層中的Al含量，當(dāng)Al含量超過TiN的固溶度時，立方結(jié)構(gòu)的TiAlN向六方相(w)AlN轉(zhuǎn)化而使其力學(xué)和熱性能顯著下降。另外，在保持涂層為立方結(jié)構(gòu)時，涂層的力學(xué)性能和高溫抗氧化性能隨涂層中的Al含量增加而上升，因此，TiAlN涂層中的Al含量控制顯得尤為重要。

切削刀具切削過程中，刀具表面與工件之間劇烈的摩擦使切削區(qū)域的溫度急劇上升，尤其在切削一些難加工材料時，刀具刃口的溫度可能達到1000℃以上，超過了TiAlN涂層的服役溫度。一般來說，有兩種改善涂層性能的辦法來滿足切削加工需求：一種是提高涂層材料的熱服役溫度；另一種是降低涂層材料的摩擦系數(shù)來降低切削區(qū)域的溫度。

在TiAlN涂層中添加合金元素是目前常用的改善TiAlN涂層性能的方法。在TiAlN涂層中添加Si元素可顯著提高涂層的耐磨性和高溫抗氧化性能，但Si的加入降低了涂層中Al的固溶度，使其涂層結(jié)構(gòu)向六方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化而降低其力學(xué)性能；若減少Al含量來獲得立方結(jié)構(gòu)則會降低其抗氧化性能。另外，在TiAlN涂層中添加Cr元素可在保證涂層為立方結(jié)構(gòu)的前提下提高涂層中Al的固溶度；除此之外，在TiAlN涂層中添加Cr元素可提高涂層的硬度和抗氧化性能。TiAlN涂層在切削刀具得到廣泛應(yīng)用的另一主要因素是其在高溫時發(fā)生調(diào)幅分解而產(chǎn)生時效硬化，因而其切削刀具在使用過程中會產(chǎn)生自硬化效應(yīng)。Ti_1-aAl_aN涂層的時效硬化效應(yīng)與其Al含量密切相關(guān)，僅當(dāng)0.3≤a≤0.70時，涂層具有時效硬化效應(yīng)；超出此范圍時，Ti_1-aAl_aN涂層無時效硬化效應(yīng)。

VN涂層在高溫時與空氣中的氧氣反應(yīng)生成具有低摩擦系數(shù)的含釩氧化物，因此，VN涂層刀具在切削過程中會產(chǎn)生自潤滑效應(yīng)。但VN的抗氧化溫度和硬度相對較低，也在一定場合上限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于刀具的復(fù)合層及包括該復(fù)合層的刀具及其制備方法，從而使其具有高硬度、高耐磨性、時效硬化及優(yōu)異的高溫抗氧化能力和VN的低摩擦系數(shù)的優(yōu)勢，提高了涂層的使用性能和應(yīng)用領(lǐng)域。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一方面，本發(fā)明提供一種用于刀具上的復(fù)合涂層，包括Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層，所述Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層上依次設(shè)有具有納米多層結(jié)構(gòu)的Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層和VN層，其中，0＜x≤0.15，0.3≤y≤0.66，0＜z≤0.15。

優(yōu)選地，x＜(1-y-z)/2，確保Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層具有時效硬化效應(yīng)。

優(yōu)選地，所述Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層的厚度為0.5μm～3μm。

優(yōu)選地，所述Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層和VN層的單層厚度均為2～10nm，優(yōu)選為2～5nm，使其共格外延生長，利用其界面強化效應(yīng)提高其硬度和耐磨性。

優(yōu)選地，所述Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層的厚度為0.1μm～3.0μm，優(yōu)選為0.5μm。

優(yōu)選地，所述VN層的厚度為0.5μm～2.0μm，優(yōu)選為1.0～1.5μm。

優(yōu)選地，所述VN層為低摩擦系數(shù)的VN層，在切削過程中直接與被加工材料接觸，可顯著降低切削刀具與被加工材料之間的摩擦磨損。

優(yōu)選地，所述復(fù)合涂層的總厚度為1.1μm～8.0μm，優(yōu)選為3.5～5.5μm，復(fù)合涂層如果過薄，會影響到復(fù)合涂層的保護性能和保護效果，但過厚的復(fù)合涂層不僅會產(chǎn)生過高的應(yīng)力，導(dǎo)致涂層易剝落，而且成本也隨之增加，在這個范圍內(nèi)的復(fù)合涂層能起到較好的效果。

優(yōu)選地，所述Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層和VN層間界面為共格外延界面；其中Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層、Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層和VN層均為面心立方結(jié)構(gòu)。

另一方面，本發(fā)明還提供一種耐磨器具，包括耐磨器具基體，還包括上述的復(fù)合涂層，所述復(fù)合涂層沉積在所述耐磨器具基體上。

優(yōu)選地，所述耐磨器具包括刀具、模具及耐磨零件，優(yōu)選為刀具。

又一方面，本發(fā)明還提供上述刀具的制備方法，包括如下步驟：首先采用物理氣相沉積方法利用TiCrAlSi靶在耐磨器具上沉積Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層，再在Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層上沉積具有納米多層結(jié)構(gòu)的Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層，最后再沉積VN層，直至該復(fù)合涂層的厚度為1.1μm～8.0μm。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：通過特定的組分的配比，在保持面心立方結(jié)構(gòu)前提下，增加Al含量會改善涂層的性能，具有納米多層結(jié)構(gòu)的Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層組合了Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層的高溫抗氧化性能、高耐磨性和VN層的低摩擦系數(shù)的優(yōu)點，并且Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層可顯著改善Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層和VN層之間的結(jié)合強度；通過復(fù)合涂層組合了各種材料的優(yōu)勢，譬如Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層的高硬度、高耐磨性、時效硬化及優(yōu)異的高溫抗氧化能力和VN的低摩擦系數(shù)的優(yōu)勢，提高了涂層的使用性能和應(yīng)用領(lǐng)域。并且本發(fā)明的耐磨器具的制備方法簡單、設(shè)備要求低以及生產(chǎn)成本低廉。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的具有復(fù)合涂層的耐磨器具的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1、基體；2、Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層；3、Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層中的VN層；4、Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層中的Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層；5、VN層。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。

除非特別指明，以下實施例中的試劑和藥品均可從正規(guī)渠道商購獲得。

實施例1

首先物理氣相沉積方法(參見：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti_0.50Al_0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)，利用TiAlCrSi靶在基體表明沉積Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層，其中0＜x≤0.15，0.3≤y≤0.66，0＜z≤0.15，且x＜(1-y-z)/2，其厚度控制在0.5μm～3μm；然后利用TiAlCrSi和V靶在Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層上交替沉積具有納米多層結(jié)構(gòu)的Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層，其厚度控制在0.1μm～3.0μm，其中Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層和VN層單層的厚度均控制在2～10nm；最后再沉積VN層，其厚度控制在0.5μm～2.0μm；直至涂層的總厚度控制在1.1μm～8.0μm。

實施例2

對型號為TNMG120408的硬質(zhì)合金刀片進行表面清洗、Ar浸蝕等預(yù)處理，然后在預(yù)處理后的刀具基體上采用物理氣相沉積方法沉積厚度為2.0μm的Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N層；然后沉積Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層，其中Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N和VN層的單層厚度均為5nm，經(jīng)過50個周期后得到厚度為0.5μm的Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層；最后沉積1.0μm的VN層，涂層的總厚度為3.5μm。

對照品同樣是以上述標(biāo)準(zhǔn)銑刀作為刀具基體，按普通的物理氣相沉積方法(參見：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti_0.50Al_0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分別沉積普通的TiAlN涂層，TiAlN涂層的成分為Ti_0.50Al_0.50N。

然后用本實施例制得的復(fù)合涂層刀具和對照品進行連續(xù)車削不銹鋼的對比實驗，切削參數(shù)：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂層刀片的切削壽命為12分鐘，本發(fā)明涂層刀片的切削壽命為22分鐘。結(jié)果表明，本發(fā)明的復(fù)合涂層的涂層刀具在車削不銹鋼時的使用壽命比現(xiàn)有技術(shù)下的TiAlN涂層刀具有明顯提高。

實施例3

對型號為TNMG120408的硬質(zhì)合金刀片進行表面清洗、Ar浸蝕等預(yù)處理，然后在預(yù)處理后的刀具基體上采用物理氣相沉積方法沉積厚度為2.0μm的Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N層；然后沉積Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層，其中Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N單層的厚度為2nm、VN層的單層涂層的厚度為8nm，經(jīng)過50個周期后得到厚度為0.5μm的Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層；最后沉積1.0μm的VN層，涂層的總厚度為3.5μm。

對照品同樣是以上述標(biāo)準(zhǔn)銑刀作為刀具基體，按普通的物理氣相沉積方法(參見：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti_0.50Al_0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分別沉積普通的TiAlN涂層，TiAlN涂層的成分為Ti_0.50Al_0.50N。

然后用本實施例制得的復(fù)合涂層刀具和對照品進行連續(xù)車削不銹鋼的對比實驗，切削參數(shù)：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂層刀片的切削壽命為12分鐘，本發(fā)明涂層刀片的切削壽命為18分鐘。

結(jié)果說明，本發(fā)明的復(fù)合涂層的涂層刀具在車削不銹鋼時的使用壽命比現(xiàn)有技術(shù)下的TiAlN涂層刀具有明顯提高，與實施例2對比，僅Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層的Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N和VN層的單層厚度發(fā)生變化，其切削性能下降。

實施例4

對型號為TNMG120408的硬質(zhì)合金刀片進行表面清洗、Ar浸蝕等預(yù)處理，然后在預(yù)處理后的刀具基體上采用物理氣相沉積方法沉積厚度為3.0μm的Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N層；然后沉積Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層，其中Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N和VN層的單層厚度均為5nm，經(jīng)過100個周期后得到厚度為1.0μm的Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層；最后沉積1.5μm的VN層，涂層的總厚度為5.5μm。

對照品同樣是以上述標(biāo)準(zhǔn)銑刀作為刀具基體，按普通的物理氣相沉積方法(參見：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti_0.50Al_0.50 target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分別沉積普通的TiAlN涂層，TiAlN涂層的成分為Ti_0.50Al_0.50N。

然后用本實施例制得的復(fù)合涂層刀具和對照品進行連續(xù)車削不銹鋼的對比實驗，切削參數(shù)：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂層刀片的切削壽命為12分鐘，本發(fā)明涂層刀片的切削壽命為24分鐘。本發(fā)明的復(fù)合涂層的涂層刀具在車削不銹鋼時的使用壽命比現(xiàn)有技術(shù)下的TiAlN涂層刀具有明顯提高。

與實施例2對比，其中復(fù)合涂層的Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N的層、Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層和VN層三層涂層的厚度均增加，其切削性能得到提高。

實施例5

對型號為TNMG120408的硬質(zhì)合金刀片進行表面清洗、Ar浸蝕等預(yù)處理，然后在預(yù)處理后的刀具基體上采用物理氣相沉積方法沉積厚度為2.0μm的Ti_0.29Cr_0.10Al_0.55Si_0.06N層；然后沉積Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層，其中Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N和VN層的單層厚度均為5nm，經(jīng)過50個周期后得到厚度為0.5μm的Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層；最后沉積1.0μm的VN層，涂層的總厚度為3.5μm。

對照品同樣是以上述標(biāo)準(zhǔn)銑刀作為刀具基體，按普通的物理氣相沉積方法(參見：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti_0.50Al_0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分別沉積普通的TiAlN涂層，TiAlN涂層的成分為Ti_0.50Al_0.50N。

然后用本實施例制得的復(fù)合涂層刀具和對照品進行連續(xù)車削不銹鋼的對比實驗，切削參數(shù)：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂層刀片的切削壽命為12分鐘，本發(fā)明涂層刀片的切削壽命為18分鐘。本發(fā)明的復(fù)合涂層的涂層刀具在車削不銹鋼時的使用壽命比現(xiàn)有技術(shù)下的TiAlN涂層刀具有明顯提高。

與實施例2對比，其中復(fù)合涂層的Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層的成分和Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層中Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層的成分發(fā)生變化，其切削性能下降。

實施例6

對型號為TNMG120408的硬質(zhì)合金刀片進行表面清洗、Ar浸蝕等預(yù)處理，然后在預(yù)處理后的刀具基體上采用物理氣相沉積方法沉積厚度為2.0μm的Ti_0.29Cr_0.10Al_0.55Si_0.06N層；然后沉積Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層，其中Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N和VN層的單層厚度均為2nm，經(jīng)過125個周期后得到厚度為0.5μm的Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層；最后沉積1.0μm的VN層，涂層的總厚度為3.5μm。

對照品同樣是以上述標(biāo)準(zhǔn)銑刀作為刀具基體，按普通的物理氣相沉積方法(參見：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti_0.50Al_0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分別沉積普通的TiAlN涂層，TiAlN涂層的成分為Ti_0.50Al_0.50N。

然后用本實施例制得的復(fù)合涂層刀具和對照品進行連續(xù)車削不銹鋼的對比實驗，切削參數(shù)：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂層刀片的切削壽命為12分鐘，本發(fā)明涂層刀片的切削壽命為24分鐘。本發(fā)明的復(fù)合涂層的涂層刀具在車削不銹鋼時的使用壽命比現(xiàn)有技術(shù)下的TiAlN涂層刀具有明顯提高。

與實施例5對比，其中復(fù)合涂層的Ti_0.35Cr_0.05Al_0.50Si_0.10N/VN層的單層厚度發(fā)生變化，其切削性能提高。

實施例7

對型號為TNMG120408的硬質(zhì)合金刀片進行表面清洗、Ar浸蝕等預(yù)處理，然后在預(yù)處理后的刀具基體上采用物理氣相沉積方法沉積厚度為2.0μm的Ti_0.54Cr_0.01Al_0.30Si_0.15N層；然后沉積Ti_0.54Cr_0.01Al_0.30Si_0.15N/VN層，其中Ti_0.54Cr_0.01Al_0.30Si_0.15N和VN層的單層厚度均為2nm，經(jīng)過125個周期后得到厚度為0.5μm的Ti_0.54Cr_0.01Al_0.30Si_0.15N/VN層；最后沉積1.0μm的VN層，涂層的總厚度為3.5μm。

對照品同樣是以上述標(biāo)準(zhǔn)銑刀作為刀具基體，按普通的物理氣相沉積方法(參見：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti_0.50Al_0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分別沉積普通的TiAlN涂層，TiAlN涂層的成分為Ti_0.50Al_0.50N。

然后用本實施例制得的復(fù)合涂層刀具和對照品進行連續(xù)車削不銹鋼的對比實驗，切削參數(shù)：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂層刀片的切削壽命為12分鐘，本發(fā)明涂層刀片的切削壽命為14分鐘。本發(fā)明的復(fù)合涂層的涂層刀具在車削不銹鋼時的使用壽命比現(xiàn)有技術(shù)下的TiAlN涂層刀具有明顯提高。

與實施例6對比，其中復(fù)合涂層的Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層的成分和Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層中Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層的成分發(fā)生變化，其切削性能下降。

實施例8

對型號為TNMG120408的硬質(zhì)合金刀片進行表面清洗、Ar浸蝕等預(yù)處理，然后在預(yù)處理后的刀具基體上采用物理氣相沉積方法沉積厚度為2.0μm的Ti_0.18Cr_0.15Al_0.66Si_0.01N層；然后沉積Ti_0.18Cr_0.15Al_0.66Si_0.01N/VN層，其中Ti_0.18Cr_0.15Al_0.66Si_0.01N和VN層的單層厚度均為2nm，經(jīng)過125個周期后得到厚度為0.5μm的Ti_0.18Cr_0.15Al_0.66Si_0.01N/VN層；最后沉積1.0μm的VN層，涂層的總厚度為3.5μm。

對照品同樣是以上述標(biāo)準(zhǔn)銑刀作為刀具基體，按普通的物理氣相沉積方法(參見：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti_0.50Al_0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分別沉積普通的TiAlN涂層，TiAlN涂層的成分為Ti_0.50Al_0.50N。

然后用本實施例制得的復(fù)合涂層刀具和對照品進行連續(xù)車削不銹鋼的對比實驗，切削參數(shù)：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂層刀片的切削壽命為12分鐘，本發(fā)明涂層刀片的切削壽命為16分鐘。本發(fā)明的復(fù)合涂層的涂層刀具在車削不銹鋼時的使用壽命比現(xiàn)有技術(shù)下的TiAlN涂層刀具有明顯提高。

與實施例6對比，其中復(fù)合涂層的Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層的成分和Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層中Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層的成分發(fā)生變化，其切削性能下降。

實施例9

對型號為TNMG120408的硬質(zhì)合金刀片進行表面清洗、Ar浸蝕等預(yù)處理，然后在預(yù)處理后的刀具基體上采用物理氣相沉積方法沉積厚度為2.0μm的Ti_0.39Cr_0.08Al_0.45Si_0.08N層；然后沉積Ti_0.39Cr_0.08Al_0.45Si_0.08N/VN層，其中Ti_0.39Cr_0.08Al_0.45Si_0.08N和VN層的單層厚度均為2nm，經(jīng)過125個周期后得到厚度為0.5μm的Ti_0.39Cr_0.08Al_0.45Si_0.08N/VN層；最后沉積1.0μm的VN層，涂層的總厚度為3.5μm。

對照品同樣是以上述標(biāo)準(zhǔn)銑刀作為刀具基體，按普通的物理氣相沉積方法(參見：Correlation between arc evaporation of Ti-Al-N coatings and corresponding Ti_0.50Al_0.50target types，Surface&Coatings Technology，275(2015)309-315)分別沉積普通的TiAlN涂層，TiAlN涂層的成分為Ti_0.50Al_0.50N。

然后用本實施例制得的復(fù)合涂層刀具和對照品進行連續(xù)車削不銹鋼的對比實驗，切削參數(shù)：Vc＝120m/min、f＝0.3mm/r、ap＝1.0mm。其中TiAlN涂層刀片的切削壽命為28分鐘，本發(fā)明涂層刀片的切削壽命為16分鐘。本發(fā)明的復(fù)合涂層的涂層刀具在車削不銹鋼時的使用壽命比現(xiàn)有技術(shù)下的TiAlN涂層刀具有明顯提高。

與實施例6對比，其中復(fù)合涂層的Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層的成分和Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN/VN層中Ti_1-x-y-zCr_xAl_ySi_zN層的成分發(fā)生變化，其切削性能提高。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。