切削工具复合涂层及其制备方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910674007.4 (22)申请日 2019.07.24 (71)申请人 艾瑞森表面技术 （苏州） 股份有限公 司 地址 215300 江苏省苏州市昆山市陆家镇 集福路388号 (72)发明人 毛昌海祖全先 (74)专利代理机构 苏州华博知识产权代理有限 公司 32232 代理人 徐典 (51)Int.Cl. C23C 14/32(2006.01) C23C 14/06(2006.01) (54)发明名称 切削工具复合涂层及其制备方法 (57)摘要 本发明公开了一种切削。

2、工具复合涂层， 其功 能层包括： TiAlN单层， TiAlN/TiSiN纳米复合层， TiSiN单层和TiAlN/TiSiN纳米复合层， 所述 TiAlN单层表面上依次沉积有TiAlN/TiSiN纳米 复合层， TiSiN单层和TiAlN/TiSiN纳米复合层， 所述功能层为含有多个循环周期的复合涂层； 本 发明提供的一种切削工具复合涂层及其制备方 法， 切削工具复合涂层具有周期性复合结构， 使 其在具有较高硬度前提下， 又具有良好的膜基附 着效果， 可以用来加工模具钢、 高速钢、 高温合金 钢甚至淬硬钢。 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 CN 110373639 A 2019.10.。

3、25 CN 110373639 A 1.切削工具复合涂层， 其特征在于， 其功能层包括： TiAlN单层， TiAlN/TiSiN纳米复合 层， TiSiN单层和TiAlN/TiSiN纳米复合层， 所述TiAlN单层表面上依次沉积有TiAlN/TiSiN 纳米复合层， TiSiN单层和TiAlN/TiSiN纳米复合层， 所述功能层为含有多个循环周期的复 合涂层。 2.根据权利要求1切削工具复合涂层， 其特征在于， 所述功能层包括： 5-20组TiAlN单层 表面依次沉积有TiAlN/TiSiN纳米复合层， TiSiN单层和TiAlN/TiSiN纳米复合层结构的循 环周期的复合涂层。 3.根据权。

4、利要求2切削工具复合涂层， 其特征在于， 所述功能层的总厚度为1000- 5000nm， 每一个循环周期的复合涂层的厚度为100-500nm。 4.根据权利要求1切削工具复合涂层， 其特征在于， 所述TiAlN单层厚度为30-100nm， 所 述TiSiN单层厚度为30-100nm， 所述TiAlN/TiSiN纳米复合层中每一个TiAlN或TiSiN纳米层 厚度为2-10nm， 所述TiAlN单层厚度相对于所述TiSiN单层厚度的2/1-1/3， 所述TiAlN单层 厚度或所述TiSiN单层厚度相对于所述TiAlN/TiSiN纳米复合层厚度的5/1-1/1。 5.根据权利要求1切削工具复合涂层。

5、， 其特征在于， 所述TiSiN单层是以不连续的多层 结构或纳米层结构存在于复合涂层中。 6.切削工具复合涂层制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 1)通过多弧离子镀的工艺依次在切削工具基层表面上沉积打底层和TiAlN过渡层； 2)TiAlN过渡层表面上沉积功能层， 具体为在TiAlN过渡层表面上依次沉积有TiAlN单 层， TiAlN/TiSiN纳米复合层， TiSiN单层和TiAlN/TiSiN纳米复合层为一个循环周期的功能 层， 包含5-20个循环周期。 7.据权利要求6切削工具复合涂层制备方法， 其特征在于， 所述打底层为TiN、 CrN或 ZrN， 所述打底层厚度为50-300n。

6、m， 所述TiAlN过渡层通过TiAl靶沉积于打底层表面， TiAl靶 中Ti原子含量为30-60， 所述TiAlN过渡层厚度为200-2000nm。 8.据权利要求6切削工具复合涂层制备方法， 其特征在于， 所述TiAlN单层通过TiAl靶 单独沉积， TiAl靶中Ti原子含量为30-60。 9.据权利要求6切削工具复合涂层制备方法， 其特征在于， 所述TiSiN单层通过TiSi靶 单独沉积， TiSi靶中Si原子含量为15-30。 10.据权利要求6切削工具复合涂层制备方法， 其特征在于， 所述TiAlN/TiSiN纳米复合 层通过TiAl靶和TiSi靶同时沉积。 权利要求书 1/1 页 。

7、2 CN 110373639 A 2 切削工具复合涂层及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及切削刀具涂层技术领域， 具体涉及一种切削工具复合涂层及其制备方 法。 背景技术 0002 近几十年来， 涂层技术已经被广泛应用在切削工具的防护领域， 极大的改善了刀 具使用寿命、 加工精度和效率。 在高合金钢切削领域， 如模具钢、 高速钢、 高温合金钢材料切 削加工中， 常用的TiAlN、 AlCrN涂层已经不能满足加工场合的需求， 越来越多的工具厂商选 择用TiSiN系列的涂层。 掺杂有非晶态Si3N4的TiSiN涂层被证明具有优良的抗氧化性和红硬 性， 尤其是TiSiN涂层的硬度可达到4000。

8、HV以上， 甚至可以用来加工淬硬钢。 0003 TiSiN涂层的性能和Si的含量有直接关系： Si含量太低时， 涂层硬度偏低无法发挥 效果， Si含量较高时涂层硬度高耐磨性好， 但同时应力也大， 会导致涂层的结合力变差。 理 想条件下期望涂层得到越高的硬度和越高的结合力， 而实际情况则是两种性能之间成反 比。 所以多数情况下会采用多层复合结构或纳米周期结构进行TiSiN的沉积。 例如公布号 CN105112858A的专利提供了一种依次沉积CrN结合层、 AlTiN过渡层、 AlTiN/TiSiN支撑层和 TiSiN功能层的方法。 公布号CN102242338A的专利介绍了一种 “TiSiN层-。

9、TiAlSiN层-TiSiN 层-TiAlN层” 为一个循环周期多靶交替沉积的涂层方法。 公布号CN106756841A的专利提供 了一种利用高功率脉冲磁控溅射技术沉积TiN-TiSiN复合涂层的工艺。 0004 虽然以上方法均可以使涂层得到较好的附着力， 但只针对于Si原子比含量15 的情况下， 且最终沉积的涂层硬度较低(3500HV以内)。 对于具有更高硬度的高Si(原子比 15)TiSiN涂层， 采用以上方法并不能使涂层具有优良的附着效果。 0005 现阶段国内涂层企业和刀具企业采用的TiSiN涂层中Si原子含量普遍在15或以 下， 主要是因为Si含量进一步提升后， 涂层与刀具基材或者涂。

10、层层间会因过高的应力导致 崩膜， 尤其是涂层厚度大于2 m的情况下， 直接的结果就是涂层后刀具良率太低或者使用过 程中涂层脱落。 0006 为了克服高Si含量TiSiN涂层性能的不足， 并且使其能满足模具钢、 高速钢、 高温 合金钢等高合金钢材料切削加工的需要， 针对Si含量在15-30高硅TiSiN涂层， 本发明提 供了一种具有周期性复合结构的切削工具复合涂层及其制备方法， 使其在具有较高硬度前 提下， 又具有良好的膜基附着效果， 可以用来加工模具钢、 高速钢、 高温合金钢甚至淬硬钢。 发明内容 0007 为了解决上述技术问题， 本发明提出了一种切削工具复合涂层及其制备方法， 切 削工具复合。

11、涂层具有周期性复合结构， 使其在具有较高硬度前提下， 又具有良好的膜基附 着效果， 可以用来加工模具钢、 高速钢、 高温合金钢甚至淬硬钢。 0008 为了达到上述目的， 本发明的技术方案如下： 0009 切削工具复合涂层， 其功能层包括： TiAlN单层， TiAlN/TiSiN纳米复合层， TiSiN单 说明书 1/5 页 3 CN 110373639 A 3 层和TiAlN/TiSiN纳米复合层， 所述TiAlN单层表面上依次沉积有TiAlN/TiSiN纳米复合层， TiSiN单层和TiAlN/TiSiN纳米复合层， 所述功能层为含有多个循环周期的复合涂层。 0010 本发明提供的一种切削。

12、工具复合涂层及其制备方法， 通过分层的方式将高应力的 TiSiN分散到涂层中， 破坏了单层TiSiN涂层的一致性， 利用低应力低硬度的TiAlN涂层作为 每个单层之间的分隔介质， 对于缓解涂层层间应力和阻止高应力TiSiN涂层裂纹的扩展具 有极大的帮助。 每一个TiSiN的纳米单层内都具有丰富的Si含量， 使涂层仍然具有非常高的 硬度， 可以达到3800HV以上， 划痕法附着力达到100N以上。 0011 在上述技术方案的基础上， 还可做如下改进： 0012 作为优选的方案， 所述功能层包括： 5-20组TiAlN单层表面依次沉积有TiAlN/ TiSiN纳米复合层， TiSiN单层和TiAl。

13、N/TiSiN纳米复合层结构的循环周期的复合涂层。 0013 作为优选的方案， 所述功能层的总厚度为1000-5000nm， 每一个循环周期的复合涂 层的厚度为100-500nm。 0014 作为优选的方案， 所述TiAlN单层厚度为30-100nm， 所述TiSiN单层厚度为30- 100nm， 所述TiAlN/TiSiN纳米复合层中每一个TiAlN或TiSiN纳米层厚度为2-10nm， 所述 TiAlN单层厚度相对于所述TiSiN单层厚度的2/1-1/3， 所述TiAlN单层厚度或所述TiSiN单 层厚度相对于所述TiAlN/TiSiN纳米复合层厚度的5/1-1/1。 0015 作为优选的。

14、方案， 所述TiSiN单层是以不连续的多层结构或纳米层结构存在于复 合涂层中。 0016 作为优选的方案， 切削工具复合涂层制备方法， 包括以下步骤： 0017 1)通过多弧离子镀的工艺依次在切削工具基层表面上沉积打底层和TiAlN过渡 层； 0018 2)TiAlN过渡层表面上沉积功能层， 具体为在TiAlN过渡层表面上依次沉积有 TiAlN单层， TiAlN/TiSiN纳米复合层， TiSiN单层和TiAlN/TiSiN纳米复合层为一个循环周 期的功能层， 包含5-20个循环周期。 0019 作为优选的方案， 所述打底层为TiN、 CrN或ZrN， 所述打底层厚度为50-300nm， 所述。

15、 TiAlN过渡层通过TiAl靶沉积于打底层表面， TiAl靶中Ti原子含量为30-60， 所述TiAlN过 渡层厚度为200-2000nm。 0020 作为优选的方案， 所述TiAlN单层通过TiAl靶单独沉积， TiAl靶中Ti原子含量为 30-60。 0021 作为优选的方案， 所述TiSiN单层通过TiSi靶单独沉积， TiSi靶中Si原子含量为 15-30。 0022 作为优选的方案， 所述TiAlN/TiSiN纳米复合层通过TiAl靶和TiSi靶同时沉积。 附图说明 0023 图1为本发明实施例提供的一种切削工具复合涂层的结构图； 0024 其中： 1.切削工具基层， 2.打底层，。

16、 3.TiAlN过渡层， 4.TiAlN单层， 5.TiAlN/TiSiN 纳米复合层， 6.TiSiN单层， 7.TiAlN/TiSiN纳米复合层中的TiSiN纳米层， 8.TiAlN/TiSiN纳 米复合层中的TiAlN纳米层， 9.表层， 10.TiAlN/TiSiN纳米复合层。 说明书 2/5 页 4 CN 110373639 A 4 具体实施方式 0025 下面将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 技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都。

17、属于本发明保护的范 围。 0026 下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。 0027 为了达到本发明的目的， 如图1所示， 本实施例中的一种切削工具复合涂层， 其功 能层包括： TiAlN单层4， TiAlN/TiSiN纳米复合层5， TiSiN单层6和TiAlN/TiSiN纳米复合层 10， 所述TiAlN单层4表面上依次沉积有TiAlN/TiSiN纳米复合层5， TiSiN单层6和TiAlN/ TiSiN纳米复合层10， 所述功能层为含有多个循环周期的复合涂层。 0028 本发明提供的一种切削工具复合涂层及其制备方法， 通过分层的方式将高应力的 TiSiN分散到涂层中， 破坏了单层Ti。

18、SiN涂层的一致性， 利用低应力低硬度的TiAlN涂层作为 每个单层之间的分隔介质， 对于缓解涂层层间应力和阻止高应力TiSiN涂层裂纹的扩展具 有极大的帮助。 每一个TiSiN的纳米单层内都具有丰富的Si含量， 使涂层仍然具有非常高的 硬度， 可以达到3800HV以上， 划痕法附着力达到100N以上。 0029 功能层中TiAlN单层4和TiSiN单层6之间采用TiAlN/TiSiN纳米复合层5作为过渡 层， 可以有效改善层间结合力。 0030 在一些实施例中， 所述功能层包含5-20组TiAlN单层4表面依次沉积有TiAlN/ TiSiN纳米复合层5， TiSiN单层6和TiAlN/TiS。

19、iN纳米复合层10结构的循环周期的复合涂层。 0031 在一些实施例中， 所述功能层的总厚度为1000-5000nm， 每一个循环周期的复合涂 层的厚度为100-500nm。 0032 在一些实施例中， 所述TiAlN单层4厚度为30-100nm， 所述TiSiN单层6厚度为30- 100nm， 所述TiAlN/TiSiN纳米复合层6或10中每一个TiAlN或TiSiN纳米层厚度为2-10nm， 所 述TiAlN单层4厚度相对于所述TiSiN单层6厚度的2/1-1/3， 所述TiAlN单层4厚度或所述 TiSiN单层6厚度相对于所述TiAlN/TiSiN纳米复合层6或10厚度的5/1-1/1。。

20、 0033 在一些实施例中， 所述TiSiN单层6是以不连续的多层结构或纳米层结构存在于复 合涂层中。 0034 在一些实施例中， 切削工具复合涂层制备方法， 包括以下步骤： 0035 1)通过多弧离子镀的工艺依次在切削工具基层表面上沉积打底层2和TiAlN过渡 层3； 0036 2)TiAlN过渡层3表面上沉积功能层， 具体为在TiAlN过渡层3表面上依次沉积有 TiAlN单层4， TiAlN/TiSiN纳米复合层5， TiSiN单层6和TiAlN/TiSiN纳米复合层10为一个循 环周期的功能层， 包含5-20个循环周期； (TiAlN单层4、 TiAlN/TiSiN纳米复合层5、 TiS。

21、iN单 层6、 TiAlN/TiSiN纳米复合层10为一个循环周期， 共循环5-20次)。 0037 在一些实施例中， 所述打底层2为TiN、 CrN或ZrN， 所述打底层2厚度为50-300nm， 所 述TiAlN过渡层3通过TiAl靶沉积于打底层表面， TiAl靶中Ti原子含量为30-60， 所述 TiAlN过渡层3厚度为200-2000nm。 0038 在一些实施例中， 所述TiAlN单层4通过TiAl靶单独沉积， TiAl靶中Ti原子含量为 30-60。 说明书 3/5 页 5 CN 110373639 A 5 0039 在一些实施例中， 所述TiSiN单层6通过TiSi靶单独沉积， 。

22、TiSi靶中Si原子含量为 15-30。 0040 在一些实施例中， 所述TiAlN/TiSiN纳米复合层5或10通过TiAl靶和TiSi靶同时沉 积。 0041 实施例1 0042 选用YG8材质的硬质合金刀片作为基体， 先用工业清洗线对刀片进行清洗， 然后装 入涂层机内将真空抽至5e-4mBar以下， 加热至400并用Ar离子对刀片表面蚀刻。 采用多弧 离子镀的工艺依次在刀片上沉积200nm厚的TiN层和500nm厚的Ti0.6Al0.4N过渡层， 然后按照 “TiAlN单层-TiAlN/TiSiN纳米复合层-TiSiN单层-TiAlN/TiSiN纳米复合层” 的方式沉积功 能层， 功能层。

23、沉积过程中先打开TiAl靶沉积50nm的Ti0.6Al0.4N层， 再同时开启TiAl靶材和 TiSi靶材， 沉积50nm的Ti0.6Al0.4N和Ti0.7Si0.3N的复合层， 然后关闭TiAl靶材沉积厚度为 60nm的Ti0.7Si0.3N层， 然后再同时开启TiAl靶材和TiSi靶材， 沉积Ti0.6Al0.4N和Ti0.7Si0.3N的 复合层， 依次循环15次得到厚度为3.1 m的功能层， 涂层总厚度约3.8 m。 按此方法得到的涂 层硬度为4100-4300HV， 划痕附着力在100-110N之间。 0043 对比案例1 0044 选用YG8材质的硬质合金刀片作为基体， 先用工业。

24、清洗线对刀片进行清洗， 然后装 入涂层机内将真空抽至5e-4mBar以下， 加热至400并用Ar离子对刀片表面蚀刻。 采用多弧 离子镀的工艺依次在刀片上沉积200nm厚的TiN层和500nm厚的Ti0.6Al0.4N过渡层， 功能层采 用TiSi靶沉积厚度为3.0um的Ti0.7Si0.3N单层涂层， 涂层总厚度约3.7 m。 按照此方法得到的 涂层硬度为4300-4500HV， 划痕附着力60N， 极易剥落。 0045 实施例2 0046 选用YG8材质的硬质合金刀片作为基体， 先用工业清洗线对刀片进行清洗， 然后装 入涂层机内将真空抽至5e-4mBar以下， 加热至450并用Ar离子对刀片。

25、表面蚀刻。 采用多弧 离子镀的工艺依次在刀片上沉积200nm厚的TiN层和1000nm厚的Ti0.5Al0.5N过渡层， 然后按 照 “TiAlN单层-TiAlN/TiSiN纳米复合层-TiSiN单层-TiAlN/TiSiN纳米复合层” 的方式沉积 功能层， 功能层沉积过程中先打开TiAl靶沉积40nm的Ti0.5Al0.5N层， 再同时开启TiAl靶材和 TiSi靶材， 沉积30nm的Ti0.5Al0.5N和Ti0.75Si0.25N的复合层， 再关闭TiAl靶材沉积厚度为 100nm的Ti0 .75Si0 .25N层， 然后再同时开启TiAl靶材和TiSi靶材， 沉积Ti0 .5Al0 .。

26、5N和 Ti0.75Si0.25N的复合层， 按此方法依次循环10次得到厚度为2.0 m的功能层， 涂层总厚度约 3.2 m。 按此方法得到的涂层硬度为4000-4200HV， 划痕附着力在110-120N之间。 0047 对比案例2 0048 选用YG8材质的硬质合金刀片作为基体， 先用工业清洗线对刀片进行清洗， 然后装 入涂层机内将真空抽至5e-4mBar以下， 加热至450并用Ar离子对刀片表面蚀刻。 采用多弧 离子镀的工艺依次在刀片上沉积200nm厚的TiN层和1000nm厚的Ti0.5Al0.5N过渡层， 然后同 时开启TiAl靶和TiSi靶， 沉积Ti0.5Al0.5N和Ti0.7。

27、5Si0.25N的纳米复合层， 每个纳米周期层间厚 度为3-3.5nm， 纳米复合层厚度为2.2 m， 涂层总厚度约为3.4 m。 按照此方法得到的涂层硬 度为4000-4200HV， 划痕附着力在80-90N之间。 0049 本发明通过分层的方式将高应力的TiSiN分散到涂层中， 破坏了单层TiSiN涂层的 一致性， 利用低应力低硬度的TiAlN涂层作为每个单层之间的分隔介质， 对于缓解涂层层间 说明书 4/5 页 6 CN 110373639 A 6 应力和阻止高应力TiSiN涂层裂纹的扩展具有极大的帮助， 每一个TiSiN的纳米单层内都具 有丰富的Si含量， 使涂层仍然具有非常高的硬度， 可以达到3800HV以上， 划痕法附着力达到 100N以上。 0050 本发明提供的一种切削工具复合涂层可应用于各种类型的硬质合金刀具或高速 钢刀具领域。 0051 以上的仅是本发明的优选实施方式， 应当指出， 对于本领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明创造构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保 护范围。 说明书 5/5 页 7 CN 110373639 A 7 图1 说明书附图 1/1 页 8 CN 110373639 A 8 。