氧化物涂层刀具及其制备方法与流程

1.本发明属于切削刀具制备技术领域，涉及一种氧化物涂层刀具及其制备方法，具体涉及一种cralbfeo涂层刀具及其制备方法。


背景技术：

2.涂层刀具是在硬质合金刀具的表面涂覆硬质涂层，从而延长刀具在切削中的寿命。1969年，sandvik公司申请了采用化学气相沉积(cvd)技术在硬质合金刀具表面沉积tic硬质涂层的专利，标志着涂层刀具的诞生。随后，采用cvd制备的刀具涂层家族迎来了tin、ticn和al2o3等新成员加入。其中，al2o3在高温下具有较高的硬度、良好的热稳定性和化学稳定性以及优良的抗氧化磨损和抗扩散磨损性能，是理想的刀具表面防护涂层材料。al2o3是多晶型物质，有α、γ、δ、η、θ、κ、χ七种晶型，其中，仅α-al2o3为稳定氧化物，其余均为亚稳相，在1000℃以上会向稳态α相转变，适用于硬质合金刀具涂层的晶型主要为α-al2o3。常用的制备α-al2o3涂层的方法是cvd法，然而，cvd的沉积温度较高，为获取理想的α-al2o3，工业制备时温度需要在1000℃以上，这不但会导致基体力学性能下降，并且由于涂层与基体的热膨胀系数不同，易产生热应力使涂层开裂，导致防护效果下降。
3.近年来，为了降低制备α-al2o3涂层的沉积温度，拓宽其应用范围，越来越多的研究聚焦于采用物理气相沉积(pvd)技术制备α-al2o3。pvd工艺可以在500℃-600℃制备al2o3涂层，对基体损伤小，且无环境污染。然而，由于沉积温度的限制，pvd-al2o3涂层的晶体结构为亚稳相或非晶相，在高温应用时向其稳定相α-al2o3转化并伴随体积收缩，形成孔隙、裂纹和表面不平等缺陷，严重时引起涂层剥落。因此，如何采用pvd方法在低温下获得α-al2o3涂层成为刀具涂层的研究热点。采用合金化掺杂的方法引入cr元素形成α-(al,cr)2o3固溶体是一种有效的稳固α相的方法，cr和o反应生成α-cr2o3，α-cr2o3具有和α-al2o3相同的结构以及相似的晶格常数(α-cr2o3的晶格常数a、c仅比α-al2o3的分别大了约4.2％和4.6％)。研究表明，在al2o3涂层中添加cr促进α-(cr
1-x
al
x
)2o3的形核与生长，在x≤0.3时，(cr
1-x
al
x
)2o3为刚玉结构，而当x》0.3时，不能获得单相的刚玉结构涂层，从而降低了涂层的红硬性。另外，在沉积氧化物涂层时，由于靶材易于氧反应导致靶材表面生成氧化物而产生“靶材表面中毒”，使沉积过程终止或者产生打弧现象。因此，如何控制“靶材表面中毒”是稳定制备氧化物涂层的一个关键。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种在al含量较宽范围特别是al含量较高时依然可获得单相结构的α-(cr
1-x
al
x
)2o3涂层、具有高硬度、高耐磨性以及优异的高温抗氧化性能的氧化物涂层刀具，还相应地提供一种可避免靶材表面中毒、生产稳定性高、工艺简单、设备常规、生产成本低的氧化物涂层刀具的制备方法。
5.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
6.一种氧化物涂层刀具，包括刀具基体和沉积于所述刀具基体上的cralbfeo涂层，
所述cralbfeo涂层的成分为(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3，0≤a≤0.60，0.01≤b≤0.04，0.01≤c≤0.04，且0.02≤b+c≤0.05。
7.上述的氧化物涂层刀具，优选的，0.30≤a≤0.50。过高的al含量不利于刚玉结构的氧化物的形成，低的al含量有利于涂层呈刚玉结构生长，但其性能不能达到最优。
8.上述的氧化物涂层刀具，优选的，b≤c。在制备氧化物涂层时，在靶材中添加b元素可以显著降低“靶材表面中毒”，但b的加入对刚玉结构氧化物的形成不利，会促进立方结构氧化物的形成，于是在cralo涂层中添加fe以促进刚玉结构氧化物的形成，fe2o3结构与刚玉结构的al2o3一致。因此，本发明既利用b的加入改善“靶材表面中毒”，又利用fe的加入促进刚玉结构氧化物的形成，为了获得纯刚玉结构的氧化物涂层，本发明提出b的原子分数优选小于或者等于fe的原子分数。
9.上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述cralbfeo涂层的晶体结构为刚玉al2o3结构的六方相。
10.上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述cralbfeo涂层的厚度为0.5μm～6.0μm。
11.上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述cralbfeo涂层的厚度为1.0μm～5.0μm。
12.上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述刀具基体与所述cralbfeo涂层之间还设有ti
1-x
al
x
n过渡层或cr
1-y
alyn过渡层，其中0≤x≤0.67，0≤y≤0.70。ti
1-x
al
x
n或cr
1-y
alyn过渡层可改善涂层与基体之间的结合强度，且过渡层具有一定的耐磨性。ti
1-x
al
x
n或cr
1-y
alyn过渡层的成分控制为0≤x≤0.67或0≤y≤0.70，使过渡层为具有较高硬度的单相面心立方结构。
13.上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述ti
1-x
al
x
n过渡层或cr
1-y
alyn过渡层的晶体结构为单相面心立方结构。
14.上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述ti
1-x
al
x
n过渡层或cr
1-y
alyn过渡层的厚度为0.5μm～5.0μm。
15.上述的氧化物涂层刀具，优选的，所述氧化物涂层刀具的涂层总厚度为1.5μm～8μm。如果涂层过薄，会影响到涂层的保护性能和保护效果，但过厚的话不仅会产生过高的应力，导致涂层易剥落，而且成本也随之增加。
16.作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的氧化物涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
17.(1)将刀具基体进行预处理；
18.(2)在预处理后的刀具基体上沉积所述cralbfeo涂层。
19.作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的氧化物涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
20.(1)将刀具基体进行预处理；
21.(2)在预处理后的刀具基体上先沉积所述ti
1-x
al
x
n过渡层或cr
1-y
alyn过渡层，然后沉积所述cralbfeo涂层。
22.本发明的各技术方案中，刀具基体可以为本领域公知的各种切削刀具，特别适用于硬质合金刀具、金属陶瓷刀具、超硬刀具和高速钢刀具。
23.与现有技术相比，本发明的优点在于：
24.1、本发明的氧化物涂层中b元素可以显著降低“靶材表面中毒”，利用fe2o3结构与
刚玉结构的al2o3一致，添加fe可以促进刚玉结构氧化物的形成。本发明既利用b的加入改善“靶材表面中毒”，又利用fe的加入促进刚玉结构氧化物的形成。
25.2、为了获得纯刚玉结构的氧化物涂层，本发明提出b的含量要小于或者等于fe的含量。
26.3、本发明在制备氧化物涂层时，在靶材中添加b元素可以显著降低“靶材表面中毒”，有利于氧化物涂层制备工艺的稳定控制。利用fe2o3结构与刚玉结构的al2o3一致，在cralo涂层中添加fe可以促进刚玉结构氧化物的形成。该制备方法具有工艺简单、设备要求低、生产成本低的特点，通过该方法制备的涂层刀具能够满足高速切削的需求，大大延长了切削刀具的使用寿命。
附图说明
27.图1为本发明实施例1～9中氧化物涂层刀具的结构示意图。
28.图2为本发明实施例1中(cr
0.46
al
0.50b0.02
fe
0.02
)2o3涂层的xrd图谱。
29.图例说明：
30.1、刀具基体；2、过渡层；3、cralbfeo涂层。
具体实施方式
31.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
32.实施例1
33.一种本发明的氧化物涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的cralbfeo涂层3，cralbfeo涂层3的成分为(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3，(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3中a＝0.50，b＝0.02，c＝0.02，厚度为2.0μm。
34.本实施例中，cralbfeo涂层3的晶体结构为刚玉al2o3结构的六方相。
35.本实施例中，刀具基体1与cralbfeo涂层3之间还沉积有过渡层2，过渡层2为cr
1-y
alyn过渡层，cr
1-y
alyn过渡层中y＝0.7，厚度为2.0μm，cr
1-y
alyn过渡层的晶体结构为单相面心立方结构。
36.本实施例中，刀具基体1采用型号为apmt11t3的硬质合金刀片。
37.一种本实施例的氧化物涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
38.(1)将型号为apmt11t3的硬质合金刀片进行表面清洗、ar浸蚀等预处理，得到刀具基体1；
39.(2)在刀具基体1上采用物理气相沉积法(pvd)方法先利用cral靶材沉积厚度为2.0μm cr
0.30
al
0.70
n过渡层，沉积气氛为n2和ar的混合气体或者n2；然后利用cralbfe靶材沉积厚度为2.0μm的(cr
0.46
al
0.50b0.02
fe
0.02
)2o3层，沉积气氛为o2和ar的混合气体或者o2。以下其它实施例在无特别说明的情况下，制备方法均与本实施例基本相同。
40.本实施例中，如图2所示，xrd检测结果表明(cr
0.46
al
0.50b0.02
fe
0.02
)2o3涂层为单相的刚玉结构。
41.对照实验：对照品的刀具基体与实施例1相同，按物理气相沉积方法沉积普通的cr
0.30
al
0.70
n涂层(单一涂层结构，厚度为4.0μm)，制得的目前市场上普遍使用的型号为
apmt11t3硬质合金涂层刀片，其它实施例的对比cr
0.30
al
0.70
n涂层的成分和厚度与实施例1的对照品相同，且均为普通商用涂层。
42.将本实施例制得的氧化物涂层刀具a和对照品进行铣削高硬度材料skd61的对比实验，对比实验结果如下表1所示。
43.表1实施例1的氧化物涂层刀具a与对照品的对比实验效果表
[0044][0045]
由表1可见，在刀具基体相同、切削条件且涂层总厚度相同的情况下，本发明的氧化物涂层刀具的切削性能优于对照品的cr
0.30
al
0.70
n涂层。
[0046]
实施例2
[0047]
一种本发明的氧化物涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层，刀具基体1与(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层之间还沉积有cr
1-y
alyn过渡层。(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层中a＝0.50，b＝0.025，c＝0.015，厚度为2.0μm，晶体结构为刚玉al2o3结构的六方相。cr
1-y
alyn过渡层中y＝0.7，厚度为2.0μm，晶体结构为单相面心立方结构。
[0048]
将本实施例制得的氧化物涂层刀具b和对照品进行铣削高硬度材料skd61的对比实验，对比实验结果如下表2所示。
[0049]
表2实施例2的氧化物涂层刀具b与对照品的对比实验效果表
[0050][0051]
由表2可见，在刀具基体相同、切削条件且涂层总厚度相同的情况下，本发明的氧化物涂层刀具的切削性能优于对照品的cr
0.30
al
0.70
n涂层。
[0052]
实施例3
[0053]
一种本发明的氧化物涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层，刀具基体1与(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层之间还沉积有cr
1-y
alyn过渡层。(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层中a＝0.60，b＝0.02，c＝0.03，厚度为1.5μm，晶体结构为刚玉al2o3结构的六方相。cr
1-y
alyn过渡层中y＝0.5，厚度为2.5μm，晶体结构为单相面心立方结构。
[0054]
将本实施例制得的氧化物涂层刀具c和对照品进行铣削高硬度材料skd61的对比
实验，对比实验结果如下表3所示。
[0055]
表3实施例3的氧化物涂层刀具c与对照品的对比实验效果表
[0056][0057]
由表3可见，在刀具基体相同、切削条件且涂层总厚度相同的情况下，本发明的氧化物涂层刀具的切削性能优于对照品的cr
0.30
al
0.70
n涂层。
[0058]
实施例4
[0059]
一种本发明的氧化物涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层，刀具基体1与(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层之间还沉积有cr
1-y
alyn过渡层。(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3层3中a＝0.60，b＝0.02，c＝0.03，厚度为6.0μm，晶体结构为刚玉al2o3结构的六方相。cr
1-y
alyn过渡层中y＝0，厚度为1.0μm，晶体结构为单相面心立方结构。
[0060]
将本实施例制得的氧化物涂层刀具d和对照品进行铣削高硬度材料skd61的对比实验，对比实验结果如下表4所示。
[0061]
表4实施例4的氧化物涂层刀具d与对照品的对比实验效果表
[0062][0063]
由表4可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的氧化物涂层刀具的切削性能优于对照品的cr
0.30
al
0.70
n涂层。
[0064]
实施例5
[0065]
一种本发明的氧化物涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层，刀具基体1与(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层之间还沉积有cr
1-y
alyn过渡层。(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层中a＝0，b＝0.01，c＝0.01，厚度为5.0μm，晶体结构为刚玉al2o3结构的六方相。cr
1-y
alyn过渡层中y＝0.3，厚度为0.5μm，晶体结构为单相面心立方结构。
[0066]
将本实施例制得的氧化物涂层刀具e和对照品进行铣削高硬度材料skd61的对比实验，对比实验结果如下表5所示。
[0067]
表5实施例5的氧化物涂层刀具e与对照品的对比实验效果表
[0068][0069]
由表5可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的氧化物涂层刀具的切削性能优于对照品的cr
0.30
al
0.70
n涂层。
[0070]
实施例6
[0071]
一种本发明的氧化物涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层，刀具基体1与(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层之间还沉积有ti
1-x
al
x
n过渡层。(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层中a＝0.3，b＝0.02，c＝0.03，厚度为2.5μm，晶体结构为刚玉al2o3结构的六方相。ti
1-x
al
x
n过渡层中x＝0.67，厚度为2.5μm，晶体结构为单相面心立方结构。
[0072]
将本实施例制得的氧化物涂层刀具f和对照品进行铣削高硬度材料skd61的对比实验，对比实验结果如下表6所示。
[0073]
表6实施例6的氧化物涂层刀具f与对照品的对比实验效果表
[0074][0075]
由表6可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的氧化物涂层刀具的切削性能优于对照品的cr
0.30
al
0.70
n涂层。
[0076]
实施例7
[0077]
一种本发明的氧化物涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层，刀具基体1与(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层之间还沉积有ti
1-x
al
x
n过渡层。(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层中a＝0.4，b＝0.02，c＝0.03，厚度为0.5μm，晶体结构为刚玉al2o3结构的六方相。ti
1-x
al
x
n过渡层中x＝0，厚度为3.5μm，晶体结构为单相面心立方结构。
[0078]
将本实施例制得的氧化物涂层刀具g和对照品进行铣削高硬度材料skd61的对比实验，对比实验结果如下表7所示。
[0079]
表7实施例7的氧化物涂层刀具g与对照品的对比实验效果表
[0080][0081]
由表7可见，在刀具基体相同、切削条件且涂层总厚度相同的情况下，本发明的氧化物涂层刀具的切削性能优于对照品的cr
0.30
al
0.70
n涂层。
[0082]
实施例8
[0083]
一种本发明的氧化物涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积于刀具基体1上的(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层，刀具基体1与(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层之间还沉积有ti
1-x
al
x
n过渡层。(cr
1-a-b-c
alabbfec)2o3涂层中a＝0.2，b＝0.01，c＝0.01，厚度为0.5μm，晶体结构为刚玉al2o3结构的六方相。ti
1-x
al
x
n过渡层中x＝0.6，厚度为1.0μm，晶体结构为面心立方结构。
[0084]
将本实施例制得的氧化物涂层刀具h和对照品进行铣削高硬度材料skd61的对比实验，对比实验结果如下表8所示。
[0085]
表8实施例8的氧化物涂层刀具h与对照品的对比实验效果表
[0086][0087]
由表8可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的氧化物涂层刀具的切削性能优于对照品的cr
0.30
al
0.70
n涂层。
[0088]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种氧化物涂层刀具，其特征在于，包括刀具基体和沉积于所述刀具基体上的cralbfeo涂层，所述cralbfeo涂层的成分为(cr
1-a-b-c
al
a
b
b
fe
c
)2o3，0≤a≤0.60，0.01≤b≤0.04，0.01≤c≤0.04，且0.02≤b+c≤0.05。2.根据权利要求1所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，0.30≤a≤0.50。3.根据权利要求1所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，b≤c。4.根据权利要求1所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，所述cralbfeo涂层的晶体结构为刚玉al2o3结构的六方相。5.根据权利要求1～4中任一项所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，所述cralbfeo涂层的厚度为0.5μm～6.0μm。6.根据权利要求5所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，所述cralbfeo涂层的厚度为1.0μm～5.0μm。7.根据权利要求1～4中任一项所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，所述刀具基体与所述cralbfeo涂层之间还设有ti
1-x
al
x
n过渡层或cr
1-y
al
y
n过渡层，其中0≤x≤0.67，0≤y≤0.70。8.根据权利要求7所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，所述ti
1-x
al
x
n过渡层或cr
1-y
al
y
n过渡层的晶体结构为单相面心立方结构。9.根据权利要求7所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，所述ti
1-x
al
x
n过渡层或cr
1-y
al
y
n过渡层的厚度为0.5μm～5.0μm。10.根据权利要求8或9所述的氧化物涂层刀具，其特征在于，所述氧化物涂层刀具的涂层总厚度为1.5μm～8μm。11.一种如权利要求1～6中任一项所述的氧化物涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：(1)将刀具基体进行预处理；(2)在预处理后的刀具基体上沉积所述cralbfeo涂层。12.一种如权利要求7～10中任一项所述的氧化物涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：(1)将刀具基体进行预处理；(2)在预处理后的刀具基体上先沉积所述ti
1-x
al
x
n过渡层或cr
1-y
al
y
n过渡层，然后沉积所述cralbfeo涂层。

技术总结
本发明公开了一种氧化物涂层刀具及其制备方法，该涂层刀具包括刀具基体和沉积于刀具基体上的CrAlBFeO涂层，CrAlBFeO涂层的成分为(Cr


技术研发人员：陈利 李佳 吴明晶 张国飞
受保护的技术使用者：株洲钻石切削刀具股份有限公司
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/31