[发明专利]用于刀具的多层复合涂层、刀具及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于刀具的多层复合涂层、刀具及其制备方法，所述多层复合涂层，包括周期性交替沉积的多个涂层单元，所述涂层单元包括依次沉积的交替沉积的Cr_1‑xAl_xN层、Cr_1‑yZr_yN层、ZrN层和Cr_1‑yZr_yN层；其中，0≤x≤0.70，0.30≤y≤0.70；所述方法采用物理气相沉积多靶交替沉积的方法，在刀具本体上分别通过CrAl靶、CrZr靶、Zr靶和CrZr靶交替沉积Cr_1‑xAl_xN层、Cr_1‑yZr_yN层、ZrN层和Cr_1‑yZr_yN层，得到成周期性交替沉积的Cr_1‑xAl_xN/Cr_1‑yZr_yN/ZrN/Cr_1‑yZr_yN多层复合涂。

技术领域

本发明属于材料表面改性技术领域，具体涉及一种用于刀具的多层复合涂层、刀具及其制备方法。

背景技术

CrAlN涂层作为保护材料被广泛应用于刀具、模具。CrAlN由Al替代CrN中的Cr形成的立方结构的亚稳相CrAlN涂层，其晶体结构和力学性能会随Al含量的变化而变化。在保持CrN的面心立方结构时，涂层的力学性能会随Al含量的上升而上升，当Al含量超过CrN的固溶度时，涂层的结构向六方结构的AlN转化而使其力学和热性能显著下降。

CrAlN涂层作为保护材料经常被应用于高温场合，因此，其高温性能非常重要。CrAlN涂层的高温抗氧化性能较好，高于1000℃。但亚稳相的CrAlN涂层在高温(高于900℃)时会向其稳定相Cr和密排六方的AlN转化而使其力学性能下降，其中Cr的生成需要经过Cr₂N过渡完成，尤其是涂层热分解过程中Cr-N键的不稳定释放N原子而使其力学性能显著降低。

基于CrAlN涂层的多元合金化和多层结构优化是目前改善其性能的有效手段。在CrAlN涂层中添加Zr，由于Zr-N之间的键能高于Cr-N键和Al-N键，可以显著改善CrAlN涂层的热稳定性能。添加Zr后，在Cr_0.48Al_0.52N涂层热分解的起始温度增加，涂层的硬度也随之升高。但Zr的加入会降低CrAlN涂层中A1的固溶度，过高的Zr添加会使涂层的结构向六方相转化而使其性能下降。

涂层材料改性的另一手段多层结构可组合不同材料的优势，特别是当多层复合涂层每一层的厚度控制在纳米尺度时，一种材料会以另一种材料为模板共格外延生长(又称之位超点阵涂层)，其界面强化效应可使涂层的硬度急剧上升。多层复合涂层的界面状况除了与其调制周期和调制比密切相关外，还受每一种涂层材料本征性能(譬如：点阵常数、模量等)的影响。由于Cr_0.32A_0.68N和ZrN两种材料的点阵常数相差太大(～12％)，导致其应变能太大而很难形成完全共格生长的超点阵涂层。当CrAlN/ZrN涂层的调制周期为9nm时，CrAlN层和ZrN层为完全非共格的多层复合涂层，此时ZrN层的引入对CrAlN涂层的性能基本没有影响。当CrAlN/ZrN涂层的调制周期降低到5nm，CrAlN层和ZrN层之间的界面为部分共格界面，此时，涂层的硬度和热稳定温度均有提升。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于刀具上的多层复合涂层、刀具及其制备方法，从而该多层复合涂层组合了各种材料的优势，具有高的硬度和优异热稳定性，提高了涂层的使用性能和应用领域。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：