本發明涉及刀具領域，特別是涉及一種納米復合涂層刀具及其制備方法。

背景技術：

隨著中國汽車、飛機、航空航天、模具等精密制造業的快速發展，金屬加工刀具的生產規模越來越大，質量要求也越來越高。近年我國高端刀具市場約有200億元人民幣以上規模，但高端市場基本上為進口刀具，國產比率不足20％，依據2005-2013年我國進口刀具規模變化趨勢分析，呈逐年增長趨勢。

刀具表面涂層技術是應市場需求發展起來的一種優質表面改性技術，不僅有效地提高了刀具使用壽命，而且還大幅度地提高了機械加工效率。目前發達國家90％刀具采用涂層處理，我國涂層刀具比例較低，不足50％。因此有計劃、按步驟的發展涂層技術，不僅能促進我國切削刀具產品技術水平的提高，而且還可獲得巨大的經濟效益和社會效益。

在高速高效切削加工中，對于高硬度、高耐磨難加工材料的切削加工，目前所使用的涂層刀具已無法滿足要求，特別是近年來隨著3C產品的開發應用，有色金屬加工，特別是鋁合金材料的加工成為刀具應用的一個重要領域。目前市場上存在的有色金屬加工用刀具，在高端領域一般采用金剛石涂層刀具，大大增加了生產成本，同時金剛石涂層的生產過程對刀具基體要求嚴格，一般高速鋼刀具無法涂覆金剛石涂層，而且金剛石涂層刀具耐溫溫度低，在切削過程中，需要使用大量的冷卻液，目前市場上金剛石涂層加工產能有限，無法滿足日益增長的市場要求。面對金剛石涂層的市場現狀，對于一些中低端應用領域的鋁合金切削加工刀具，為了控制成本，只能采用不涂層刀具進行加工，在鋁合金切削加工中，由于鋁合金材料粘刀造成的排屑不暢導致刀具失效是刀具報廢的主要原因。

技術實現要素：

針對上述現有的涂層刀具成本較高及生產難度大的問題，有必要提供一種具有高性能、低成本、易生產的納米復合涂層刀具。

具體的技術方案如下：

一種納米復合涂層刀具，包括刀具基體，所述刀具基體的外表面設有由內至外依次層疊的第一涂層、第二涂層、第三涂層和第四涂層；所述第一涂層為多種VIB族金屬元素形成的合金涂層，所述第二涂層為第一氮化物層和第二氮化物層交替層疊而成的納米超晶格涂層，所述第一氮化物層為氮元素和多種VIB族金屬元素形成的氮化物層，所述第二氮化物層為TiBN納米涂層，所述第三涂層為TiBCN納米涂層，所述第四涂層為TiBC納米涂層。

本發明的納米復合涂層刀具的第一涂層作為合金粘結層，可以極大地提高后續涂層的附著力；第二涂層通過第一氮化物層和第二氮化物層交替層疊形成納米復合超晶格結構，提高了涂層對刀具基體的結合力、涂層韌性和抗裂紋擴展能力；第三涂層為非晶納米晶復合結構，具有長程無序和短程有序的特點，沒有晶界和位錯等缺陷，不會由于位錯運動而產生滑移現象，且原子間的鍵合作用比一般晶態合金強，具有較高的強度、硬度和耐磨性，同時由于組織均勻且本身活性很高，因而能夠在表面快速形成均勻致密的鈍化膜，可以阻止內部進一步腐蝕，使刀具具有較高的硬度和良好的耐腐蝕性；第三涂層與第四涂層中的元素B、C與有色金屬親和性低，在加工過程中不粘刀、排屑順暢，具有自潤滑性，對有色金屬加工，特別是鋁合金材料加工具有良好的使用效果，且成本較低，極易大規模工業化生產。

在其中一個實施例中，所述第一涂層中的VIB族金屬元素的種類和所述第一氮化物層中的VIB族金屬元素的種類相同。

在其中一個實施例中，所述第二涂層中的最內層為所述第一氮化物層。

在其中一個實施例中，所述第一涂層為CrMo、MoW或CrW合金涂層。

在其中一個實施例中，所述第一涂層的厚度為50～200nm，所述第二涂層的厚度為500～2000nm，所述第三涂層的厚度為200～1000nm，所述第四涂層的厚度為200～500nm。

在其中一個實施例中，所述第二涂層中，單層所述第一氮化物層和單層所述第二氮化物層的厚度均為10～30nm。

在其中一個實施例中，所述刀具基體的材質為高速鋼或硬質合金。

本發明的另一目的在于提供一種上述納米復合涂層刀具的制備方法，包括以下步驟：采用物理氣相沉積方法，在所述刀具基體的外表面依次沉積所述第一涂層、所述第二涂層、所述第三涂層及所述第四涂層，得到所述納米復合涂層刀具。

采用本發明的制備方法制備的納米復合涂層刀具，具有較高的硬度、良好的耐磨耐腐蝕及自潤滑性能，對有色金屬加工，特別是鋁合金材料加工具有良好的使用效果，且成本較低，極易大規模工業化生產。

在其中一個實施例中，所述沉積所述第一涂層的條件為：真空度為0.2～2Pa，沉積氣氛為氬氣氣氛，溫度為400～480℃，刀具基體的轉速為1～5rpm，偏壓為-80～-150V。

在其中一個實施例中，所述沉積所述第二涂層的條件為：真空度為0.5～2Pa，沉積氣氛為氮氣氣氛，溫度為400～480℃，刀具基體的轉速為1～5rpm，偏壓為-50～-100V。

附圖說明

圖1為一實施例的納米復合涂層刀具的單邊涂層截面示意圖；

圖2為本發明的實施例中所采用的物理氣相沉積設備的結構示意圖；

圖3為實施例1所制備的納米復合涂層刀具的硬度隨壓入深度變化曲線圖；

圖4為實施例1所制備的納米復合涂層刀具的摩擦系數隨磨損時間變化曲線圖。

具體實施方式

為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發明。本文所使用的術語“和/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

如圖1所示，本發明一實施例的納米復合涂層刀具100包括刀具基體10，刀具基體10的外表面設有由內至外依次層疊的第一涂層20、第二涂層30、第三涂層40及第四涂層50。第一涂層20為多種VIB族金屬元素形成的合金涂層，第二涂層30為第一氮化物層和第二氮化物層交替層疊而成的納米超晶格涂層，第一氮化物層為氮元素和多種VIB族金屬元素形成的氮化物層，第二氮化物層為TiBN納米涂層，第三涂層40為TiBCN納米涂層，第四涂層50為TiBC納米涂層。

值得一提的是，納米復合涂層是將具有納米結構的不同成分的膜層進行兩層及以上的相互疊加，垂直覆蓋在集體材料上形成的涂層。在納米復合涂層的制備過程中，正是通過控制涂層每一層的成分和厚度及其相互之間的配合來獲得具有不同性能的涂層。

本發明的納米復合涂層刀具100的第一涂層20作為合金粘結層，可以極大地提高后續涂層的附著力；第二涂層30通過第一氮化物層和第二氮化物層的交替層疊形成了納米復合超晶格結構，提高了涂層對刀具基體10的結合力、涂層韌性和抗裂紋擴展能力；第三涂層40為非晶納米晶復合結構，具有長程無序和短程有序的特點，沒有晶界和位錯等缺陷，不會由于位錯運動而產生滑移現象，且原子間的鍵合作用比一般晶態合金強，具有較高的強度、硬度和耐磨性，同時由于組織均勻且本身活性很高，因而能夠在表面快速形成均勻致密的鈍化膜，可以阻止內部進一步腐蝕，使刀具具有較高的硬度和良好的耐腐蝕性；第三涂層40與第四涂層50中的元素B、C與有色金屬親和性低，在加工過程中不粘刀、排屑順暢，具有自潤滑性，對有色金屬加工，特別是鋁合金材料加工具有良好的使用效果，且成本較低，極易大規模工業化生產。

具體地，第一涂層20中的VIB族金屬元素和第一氮化物層中的VIB族金屬元素均選自Cr、Mo和W中的至少兩種。對應地，第一涂層20為CrMo、MoW、CrW或CrMoW合金涂層。更優選地，第一涂層20為CrMo、MoW或CrW合金涂層。

可選地，在同一實施例中，第一涂層20中的VIB族金屬元素的種類和第一氮化物層中的VIB族金屬元素的種類相同，元素種類相同粘結效果更好，從而可增強第一涂層20和第二涂層30之間的附著力。可以理解，第一涂層20中的VIB族金屬元素的種類和第一氮化物層中的VIB族金屬元素的種類可以不完全相同。

可選地，第二涂層30中的最內層為第一氮化物層，即第二涂層30由內至外按照第一氮化物層、第二氮化物層的順序交替層疊，與第一涂層20相鄰的為第一氮化物層，VIB族金屬元素與其氮化物之間距離更近，粘結效果更好，從而可進一步提高第一涂層20和第二涂層30之間的附著力。

可選地，第一涂層20的厚度為50～200nm，第二涂層30的厚度為500～2000nm，第三涂層40的厚度為200～1000nm，第四涂層50的厚度為200～500nm。

可選地，第二涂層30中，單層第一氮化物層和單層第二氮化物層的厚度均為10～30nm。

可選地，刀具基體10的材質為高速鋼或硬質合金。

本發明還提供了一實施例的上述納米復合涂層刀具100的制備方法，包括以下步驟：采用物理氣相沉積方法，在刀具基體的外表面依次沉積第一涂層、第二涂層、第三涂層及第四涂層，得到所述納米復合涂層刀具100。

物理氣相沉積是指在真空情況下，利用物理方法使得固態的靶材被蒸發或者濺射變成氣態的原子、離子或等離子體，與氣氛中被電離的氣體或反應或碰撞，并在電場作用下加速沉積在基體表面形成具有特殊功能的薄膜材料的過程。

采用物理氣相沉積技術制備納米復合涂層刀具100的方法，具體包括以下步驟S1～S6。

步驟S1、將刀具基體進行加熱處理。

具體地，將刀具基體在真空度為0.005～0.03Pa，溫度為350～500℃的條件下加熱1～3小時。

步驟S2、加熱處理完畢后，對刀具基體進行Ar等離子體刻蝕。

具體地，加熱處理完畢后，在真空度為0.05～3Pa，溫度為400～480℃，刀具基體的轉速為1～5rpm，偏壓為-600～-1000V的條件下，對刀具基體進行Ar等離子體刻蝕20～30min，進一步去除表面的氧化層和污物，提高膜/基結合強度。

步驟S3、刻蝕結束后，在刀具基體的外表面沉積第一涂層。

具體地，步驟S3的條件為：真空度為0.2～2Pa，沉積氣氛為氬氣氣氛，溫度為400～480℃，刀具基體的轉速為1～5rpm，偏壓為-80～-150V，使多種VIB族金屬元素沉積在刀具基體表面形成第一涂層。更具體的，沉積靶材可以是多種不同的VIB族金屬單質靶材，也可以是所需多種VIB族金屬對應的合金靶材。例如，第一涂層20為CrMo時，采用的沉積靶材可以為Cr單質靶材和Mo單質靶材，也可以為CrMo合金靶材。

步驟S4、在第一涂層上沉積第二涂層。

具體地，步驟S4的條件為：真空度為0.5～2Pa，沉積氣氛為氮氣氣氛，溫度為400～480℃，刀具基體的轉速為1～5rpm，偏壓為-50～-100V，使多種VIB族金屬元素和TiB₂交替與氣氛中被電離的氮氣反應或碰撞后分別形成第一氮化物層和第二氮化物層沉積在第一涂層表面，得到第二涂層。

步驟S5、在第二涂層上沉積第三涂層。

具體地，步驟S5的條件為：真空度為2～5Pa，沉積氣氛為氮氣和含碳元素氣體氣氛，溫度為400～480℃，刀具基體的轉速為1～5rpm，偏壓為-40～-80V，使TiB₂與氣氛中被電離的氮氣及含碳元素氣體反應或碰撞后形成TiBCN沉積在第二涂層表面，得到第三涂層。其中，含碳元素氣體可以是C₂H₂或CH₄。

步驟S6、在第三涂層上沉積第四涂層，得到上述納米復合涂層刀具100。

具體地，步驟S6的條件為：真空度為0.3～1Pa，沉積氣氛為含碳元素氣體氣氛，溫度為400～480℃，刀具基體的轉速為1～2rpm，偏壓為-50～-100V，使TiB₂與氣氛中被電離的含碳元素氣體反應或碰撞后形成TiBC沉積在第三涂層表面，得到第四涂層。其中，含碳元素氣體可以是C₂H₂或CH₄。

進一步地，該制備方法還包括以下步驟：第四涂層沉積結束后，在真空環境下自然冷卻，溫度降至150℃以下后，取出上述納米復合涂層刀具100。

采用本發明的制備方法制備的納米復合涂層刀具100，具有較高的硬度、良好的耐磨耐腐蝕及自潤滑性能，對有色金屬加工，特別是鋁合金材料加工具有良好的使用效果，且成本較低，極易大規模工業化生產。

在其中一個具體實施例中，所采用的物理氣相沉積設備如圖2所示，該設備的沉積室由爐壁圍成，沉積室側面設有爐門，方便工件的裝卸。沉積室設有抽氣口，抽真空機組通過抽氣口對沉積室進行抽真空，抽真空機組可由分子泵和機械泵組成。沉積室爐壁四周安裝有靶材和加熱器，其中A和B為VIB族金屬靶，C和D為TiB₂合金靶。可以理解，A和B可以是不同的VIB族金屬單質靶，也可以是對應所需的VIB族金屬合金靶。E為加熱器，加熱功率10～35千瓦，能提高加熱效率。刀具基體可安裝在沉積室的工件架上，工件架的下方連接有轉動裝置，用于帶動工件架及刀具基體一起轉動，轉動使刀具基體兩面的沉積效果相同，避免涂層只能單面沉積以及沉積不均的問題，保證涂層沉積過程的均勻性。

以下結合具體實施例對本發明的納米復合涂層刀具作進一步詳細的說明。

本發明實施例均所采用如圖2所示的物理氣相沉積設備，其中A和B為相應的合金靶，C和D為TiB₂合金靶。

實施例1

首先，對刀具基體10表面進行拋光處理，用酒精進行除銹、除油、除雜清洗，再用超聲波進行最后的清洗工作，并用熱風機烘干。

接著將刀具基體10裝夾在設備工件架上，關閉爐門，將沉積室抽真空，當真空度達到0.005Pa時，通過沉積室內的加熱器對刀具基體10進行加熱，加熱至350℃并維持3個小時。

加熱完畢后，設定沉積室內真空度為0.05Pa，溫度為400℃，工件架轉速為1rpm，偏壓為-600V，開啟離子源對刀具基體10進行Ar等離子體刻蝕30分鐘。

刻蝕結束后，在氬氣氣氛中，設定沉積室真空度為0.2Pa，溫度為400℃、工件架轉速為1rpm、偏壓為-80V，啟動CrW合金靶，在刀具基體10上沉積50nm厚的第一涂層20：CrW合金涂層。

第一涂層20沉積結束后，在氮氣氣氛中，設定沉積室真空度為0.5Pa，溫度為400℃，工件架轉速為1rpm，偏壓為-50V，依次交替啟動CrW合金靶和TiB₂合金靶，在第一涂層20上沉積2000nm厚的第二涂層30：CrWN和TiBN交替層疊構成的納米超晶格結構層，其中單層CrWN和單層TiBN的厚度分別為10nm。

第二涂層30沉積結束后，在氮氣和乙炔氣氛中，設定沉積室真空度為2Pa，溫度為400℃，工件架轉速為1rpm，偏壓為-40V，啟動TiB₂合金靶，在第二涂層30上沉積1000nm厚的第三涂層40：TiBCN非晶納米晶復合層。

第三涂層40沉積結束后，在乙炔氣氛中，設定沉積室真空度為0.3Pa，溫度為400℃，工件架轉速為1rpm，偏壓為-50V，啟動TiB₂合金靶，在第三涂層40上沉積200nm厚的第四涂層50：TiBC涂層。

第四涂層50沉積結束后，在真空環境下自然冷卻，當溫度降低到150℃以下時，打開沉積室爐門，取出納米復合涂層刀具100冷卻至室溫。

實施例2

首先，對刀具基體10表面進行拋光處理，用酒精進行除銹、除油、除雜清洗，再用超聲波進行最后的清洗工作，并用熱風機烘干。

接著將刀具基體10裝夾在設備工件架上，關閉爐門，將沉積室抽真空，當真空度達到0.008Pa時，通過沉積室內的加熱器對刀具基體10進行加熱，加熱至400℃并維持2個小時。

加熱完畢后，設定沉積室內真空度為1Pa，溫度為420℃，工件架轉速為1rpm，偏壓為-700V，開啟離子源對刀具基體10進行Ar等離子體刻蝕25分鐘。

刻蝕結束后，在氬氣氣氛中，設定沉積室真空度為1Pa，溫度為420℃、工件架轉速為1rpm、偏壓為-100V，啟動CrMo合金靶，在刀具基體10上沉積100nm厚的第一涂層20：CrMo合金涂層。

第一涂層20沉積結束后，在氮氣氣氛中，設定沉積室真空度為1Pa，溫度為420℃，工件架轉速為3rpm，偏壓為-80V，依次交替啟動CrMo合金靶和TiB₂合金靶，在第一涂層20上沉積1500nm厚的第二涂層30：CrMoN和TiBN交替層疊構成的納米超晶格結構層，其中單層CrWN和單層TiBN的厚度分別為15nm。

第二涂層30沉積結束后，在氮氣和乙炔氣氛中，設定沉積室真空度為3Pa，溫度為420℃，工件架轉速為1rpm，偏壓為-50V，啟動TiB₂合金靶，在第二涂層30上沉積200nm厚的第三涂層40：TiBCN非晶納米晶復合層。

第三涂層40沉積結束后，在甲烷氣氛中，設定沉積室真空度為0.5Pa，溫度為420℃，工件架轉速為1rpm，偏壓為-80V，啟動TiB₂合金靶，在第三涂層40上沉積300nm厚的第四涂層50：TiBC涂層。

第四涂層50沉積結束后，在真空環境下自然冷卻，當溫度降低到150℃以下時，打開沉積室爐門，取出納米復合涂層刀具100冷卻至室溫。

實施例3

首先，對刀具基體10表面進行拋光處理，用酒精進行除銹、除油、除雜清洗，再用超聲波進行最后的清洗工作，并用熱風機烘干。

接著將刀具基體10裝夾在設備工件架上，關閉爐門，將沉積室抽真空，當真空度達到0.03Pa時，通過沉積室內的加熱器對刀具基體10進行加熱，加熱至500℃并維持1個小時。

加熱完畢后，設定沉積室內真空度為3Pa，溫度為480℃，工件架轉速為2rpm，偏壓為-1000V，開啟離子源對刀具基體10進行Ar等離子體刻蝕20分鐘。

刻蝕結束后，在氬氣氣氛中，設定沉積室真空度為2Pa，溫度為480℃、工件架轉速為2rpm、偏壓為-150V，啟動MoW合金靶，在刀具基體10上沉積200nm厚的第一涂層20：MoW合金涂層。

第一涂層20沉積結束后，在氮氣氣氛中，設定沉積室真空度為2Pa，溫度為480℃，工件架轉速為5rpm，偏壓為-100V，依次交替啟動MoW合金靶和TiB₂合金靶，在第一涂層20上沉積500nm厚的第二涂層30：MoWN和TiBN交替層疊構成的納米超晶格結構層，單層CrWN和單層TiBN的厚度分別為25nm。

第二涂層30沉積結束后，在氮氣和乙炔氣氛中，設定沉積室真空度為5Pa，溫度為480℃，工件架轉速為5rpm，偏壓為-80V，啟動TiB₂合金靶，在第二涂層30上沉積1000nm厚的第三涂層40：TiBCN非晶納米晶復合層。

第三涂層40沉積結束后，在乙炔氣氛中，設定沉積室真空度為1Pa，溫度為480℃，工件架轉速為5rpm，偏壓為-100V，啟動TiB₂合金靶，在第三涂層40上沉積500nm厚的第四涂層50：TiBC涂層。

第四涂層50沉積結束后，在真空環境下自然冷卻，當溫度降低到150℃以下時，打開沉積室爐門，取出納米復合涂層刀具100冷卻至室溫。

圖3所示為實施例1所制備的納米復合涂層刀具100的硬度隨壓入深度變化曲線圖，從圖可知，納米復合涂層刀具100的硬度可達40Gpa，硬度性能表現優異。圖4所示為實施例1所制備的納米復合涂層刀具100的摩擦系數隨磨損時間變化曲線圖，從圖可知，納米復合涂層刀具100在磨損時間達到15min后，摩擦系數不再發生明顯增長，穩定在0.25～0.28之間，具有十分優異的耐摩擦性能。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。