[发明专利]非晶梯度结构超硬DLC刀具涂层及其制备方法和刀具

说明书

本发明涉及超硬涂层技术领域，公开了一种非晶梯度结构超硬DLC刀具涂层及其制备方法和刀具。所述刀具涂层包括先后逐层沉积在刀具基体材料上的过渡层和DLC(sp³梯度层)，所述过渡层中含有Cr和C元素，其中，所述元素Cr和C的含量分别梯度设置，DLC中sp³梯度设置。其中，DLC(sp³梯度层)内应力较低，韧性增强，有止裂效果，同时涂层具备高硬度，达到超硬涂层的硬度值，并且具备较好的热稳定性和化学稳定性；Cr/C梯度过渡层有效增强了过渡层纯Cr与上层DLC的结合强度，组织呈现非晶C包裹纳米晶CrC的纳米复合结构，硬度提高的同时大大增加了涂层的韧性；由于纯Cr过渡层作为结合层和Cr/C过渡层的存在，涂层的膜基结合强度较高，在加工过程中不易发生涂层剥落。

技术领域

本发明涉及刀具超硬涂层材料技术领域，特别是涉及一种非晶梯度结构超硬DLC刀具涂层及其制备方法和刀具。

背景技术

钛及钛合金具有比强度高、抗蚀性好、高热强性和良好的生物相容性的优点，广泛用于航空航天、生物医学和海洋船舶领域，被誉为“太空金属”、“全能金属”、“海洋金属”。

但钛合金的切削加工是难以实现的。其弹性模量较小，仅为钢的1/2，刚性较差，容易发生变形，其热导率小(7.955W/(mK))，仅为钢的1/5。在切削时，TC4内部积累的热量无法向外界散出，导致刀刃会承受大量热量，温度升高很快，缩短刀具使用时间，使刀具磨损严重。由于钛合金切削加工中存在的难点和局限，因此需要选择导热系数大、散热性好和化学性能稳定的刀具材料。业内公认最适合加工钛合金，且效果最好的切削刀具是金刚石刀具，但由于金刚石刀具价格昂贵。目前硬质合金涂层刀具作为切削钛合金的切削刀具仍然占据着加工市场的主要地位。硬质合金涂层刀具中类金刚石膜层(DLC)具有摩擦系数低、硬度高、弹性模量大、热导率高、热膨胀系数小、化学稳定性好的特点，在刀具切削中可以延长刀具使用寿命，大大提高被加工材料表面质量。

因此，需要开发一种新的非晶梯度结构超硬刀具涂层材料，对进一步提升刀具涂层的强度、韧性、耐热性及膜基结合强度有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有的金刚石刀具价格昂贵，改进的硬质合金涂层刀具的强度达不到使用要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种非晶梯度结构超硬DLC刀具涂层，包括先后逐层沉积在刀具基体材料上的过渡层和DLC(sp³梯度层)，所述过渡层中含有Cr和C元素，其中，所述元素Cr和C的含量分别梯度设置，DLC中sp³梯度设置。sp³是指由C元素形成的sp³化学键。

优选的，所述过渡层包括纯Cr过渡层和设于纯Cr过渡层之上的Cr/C梯度过渡层，所述Cr/C梯度过渡层中自所述纯Cr过渡层至所述DLC层的方向Cr含量逐渐减少，C含量逐渐增加，DLC中sp³含量自所述过渡层至DLC层外表面逐渐减少。

优选的，按重量份数计，所述Cr/C梯度过渡层的组成组分中，Cr含量由100份逐渐下降至50份，C含量由0份逐渐增加至50份，所述DLC中，sp³含量由75份逐渐减少至40份。

优选的，所述纯Cr过渡层的厚度为80～100nm，所述Cr/C梯度过渡层厚度为150～200nm，DLC(sp³梯度层)厚度为1.5～2.2μm。

优选的，所述Cr/C梯度过渡层与所述纯Cr过渡层的厚度比为1.5～2。

优选的，所述起始过渡层的厚度为0.23～0.35μm。

优选的，所述涂层总厚度为1.73～2.55μm。

本发明还提供所述非晶梯度结构超硬DLC刀具涂层的制备方法，按照以下步骤进行；