CN116837322A - 一种氮化钛基涂层超硬刀具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种氮化钛基涂层超硬刀具及其制造方法，涉及涂层刀具技术领域，包括刀具基体、Ti缓冲层、TiN基硬质层，Ti缓冲层包括沉积在所述刀具基体上的初始钛层，以及位于初始钛层远离刀具基体方向上Ti/TiN混合层；Ti/TiN混合层为疏松钛层：位于下部分未氮化的疏松钛层中间具有竖向的、将空洞和/或裂纹的侧壁进行氮化形成的氮化钛层；位于上部分的疏松钛层经过氮化形成的氮化钛层，其内部具有竖向的金属钛。本发明首先生长常规厚度的Ti缓冲层，保证钛层质量：不管是初始钛层，还是疏松钛层，由于具有充分的孵化厚度，膜层质量高，然后对Ti疏松层进行氮化减薄，降低了最终的Ti缓冲层厚度，提高了Ti缓冲层的强度。

Description

一种氮化钛基涂层超硬刀具及其制造方法

技术领域

本发明涉及涂层刀具技术领域，具体涉及一种氮化钛基涂层超硬刀具及其制造方法。

背景技术

在PCBN等硬质刀具上涂覆涂层，能够提高刀具的寿命、提高加工精度等。氮化钛基涂层是常用涂层，包括TiN、TiAlN、TiCN、TiCrN等。以下以TiN硬质层为代表进行说明，但是可以理解，同样适用于TiAlN、TiCN、TiCrN等硬质层。

PCBN刀具上沉积氮化钛基涂层时，一种方案是首先在刀具上沉积一层Ti缓冲层，缓冲层具有提升刀具和氮化钛基涂层的结合力，提升氮化钛基涂层的沉积质量等作用。

一般认为，具有Ti缓冲层时，涂层刀具在断续加工、重载加工时，过大的冲击载荷由TiN涂层传递到Ti层，会使涂层快速失效，表现为涂层剥落等。这和Ti层的强度(10以下)显著低于TiN(20-30)有关。适当降低Ti缓冲层厚度，有利于提升刀具上涂层的强度，降低Ti缓冲层厚度，还有利于硬质涂层在切削使用过程中TiN中产生的热应力向Ti层转移。一般认为，当缓冲层厚度较薄时，具有高的变形能力，能够吸收上面的主体涂层的应力而不发生裂纹；而缓冲层厚度较厚时，自身具有高的强度，抵抗外部应力的进入，且在外部应力下更易破裂。

但是Ti缓冲层的厚度具有下限，不能过渡减薄，一般不能小于300nm，否则在沉积时难以完整覆盖PCBN刀具表面，形成连续的、可靠的粘附层，不利于后续氮化层的生长；并且，初始沉积的Ti层质量较差，需要经过一定厚度的沉积孵化过程，才能生长出高质量、高强度的Ti层。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种氮化钛基涂层超硬刀具及其制造方法，通过对Ti缓冲层进行改进，提升了涂层的抗剥落性能，以及整体涂层的强度。

具体技术方案为：包括刀具基体、Ti缓冲层、TiN基硬质层，Ti缓冲层包括沉积在刀具基体上的初始钛层，以及位于初始钛层远离刀具基体方向上Ti/TiN混合层；

Ti/TiN混合层为疏松钛层：位于下部分未氮化的疏松钛层中间具有竖向的、将空洞和/或裂纹的侧壁进行氮化形成的氮化钛层；位于上部分的疏松钛层经过氮化形成氮化钛层，其内部具有竖向的金属钛。

优选地，所述初始钛层厚度为50-100nm；位于下部分未氮化的疏松钛层厚度为100-250nm。

优选地，所述Ti缓冲层还包括Ti/TiN混合层的远离刀具基体方向上的AlN/Ti交叉结构，所述AlN/Ti交叉结构的起始层为AlN层，并最终以Ti层结束。

优选地，所述AlN/Ti交叉结构中的AlN层厚度20-50nm、Ti层厚度5-20nm，且Ti层厚度小于AlN层厚度。

优选地，所述刀具基体为聚晶立方氮化硼、聚晶金刚石、硬质合金中的一种；所述TiN基硬质层为TiN、TiAlN、TiCN、TiCrN中的一种或其组合。

优选地，所述Ti缓冲层还包括直接沉积在Ti/TiN混合层上的AlN岛状薄膜，其位置和竖向的金属钛的顶部对齐。

氮化钛基涂层超硬刀具的制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)：刀具基体的清洗、烘干；

步骤(2)：Ti缓冲层的沉积，包括：

步骤(2.1)：先沉积一层初始钛层，初始钛层厚度在50-100nm；

步骤(2.2)：再沉积一层疏松钛层，疏松钛层厚度在200-500nm；

步骤(2.3)：再沉积一层岛状生长的氮化铝层，氮化铝层厚度在2nm-30nm，通过退火使岛状生长的氮化铝收缩，进一步促进岛状结构，即AlN岛状薄膜；

步骤(2.4)：以岛状氮化铝为掩膜，对疏松钛层进行氮化；

步骤(2.5)：沉积一层连续的AlN层，厚度20-50nm，然后沉积薄层的Ti层厚度5-20nm；重复上述步骤1-10次；

步骤(3)：沉积TiN基硬质层，TiN基硬质层厚度例如0.8-6um。

优选地，步骤(2.3)中的退火还使疏松钛层中形成空洞和或裂纹。

优选地，步骤(2.4)中氮化深入至疏松钛层的一半深度以上，即原始沉积的疏松钛层的上部分中，未被氮化铝的掩膜覆盖的疏松钛层被氮化形成氮化钛层，而疏松钛层的下部分整体上为未被氮化的疏松钛层。

优选地，步骤(2.4)中氮化铝岛状层正下方的钛层不发生氮化，从而在氮化形成的氮化钛层中保留有垂直方向的金属钛，剩余的、下部分未氮化的疏松钛层中的空洞和或裂纹的侧壁发生氮化形成氮化钵材质的空洞和或裂纹。

本发明提供一种氮化钛基涂层超硬刀具及其制造方法，与现有技术相比有益效果为：

(1)：本发明首先生长常规厚度的Ti缓冲层，保证钛层质量：不管是初始钛层，还是疏松钛层，由于具有充分的孵化厚度，膜层质量高，然后对Ti疏松层进行氮化减薄，降低了最终的Ti缓冲层厚度，提高了Ti缓冲层的强度；

(2)：本发明Ti缓冲层中具有钛层和氮化钛的混合层，该部分中，既具有高强度的氮化钛、又具有高粘结性/柔韧性的钛，二者的混合，进一步提升了Ti缓冲层(进而整个涂层)的整体强度和耐冲击性。

附图说明

图1：为本发明中刀具基体沉积过Ti缓冲层后的层状侧视图。

图2：为本发明整体刀具层状结构图。

图中：1-刀具基体、2-初始钛层、3-Ti/TiN混合层、4-未被氮化的疏松钛层、5-空洞和/或裂纹、6-氮化钛层、7-金属钛、8-AlN层、9-Ti层、10-TiN基硬质层、30-AlN岛状薄膜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例：如图2示，一种氮化钛基涂层超硬刀具，包括刀具基体1、Ti缓冲层、TiN基硬质层；Ti缓冲层至少包括初始钛层2、以及位于初始钛层2远离刀具基体1方向上的Ti/TiN混合层3。

Ti/TiN混合层3为疏松钛层：位于下部分未氮化的疏松钛层4中间具有竖向的、将空洞和/或裂纹5的侧壁进行氮化形成的氮化钛层；位于上部分的疏松钛层经过氮化形成氮化钛层6，其内部具有竖向的金属钛7。

其中，初始钛层2厚度为50-100nm；下部分未氮化的疏松钛层4厚度为100-250nm。

其中，Ti缓冲层还包括Ti/TiN混合层3的远离刀具基体1方向上的AlN/Ti交叉结构，AlN/Ti交叉结构的起始层为AlN层8，并最终以Ti层9结束。

其中，AlN/Ti交叉结构中的AlN层8厚度20-50nm、Ti层9厚度5-20nm，且Ti层9厚度小于AlN层8厚度。

其中，刀具基体1为聚晶立方氮化硼、聚晶金刚石、硬质合金中的一种，TiN基硬质层10为TiN、TiAlN、TiCN、TiCrN中的一种或其组合。

其中，Ti缓冲层还包括直接沉积在Ti/TiN混合层3上的AlN岛状薄膜30，其位置和竖向的金属钛7的顶部对齐。

上述氮化钛基涂层超硬刀具的制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)：对刀具基体1进行清洗、烘干；

步骤(2)：Ti缓冲层的沉积，可采用溅射、离子镀、蒸发等方式；

具体过程为：

步骤(2.1)：先沉积一层初始钛层2，初始钛层2厚度在50-100nm；

步骤(2.2)：再沉积一层疏松钛层，疏松钛层有利于吸收衬底和钛层之间应力，也为后续的对该层执行大深度的氮化，降低Ti缓冲层厚度提供便利。疏松钛层厚度具有下限，一般不能小于200nm，否则难以完整覆盖PCBN刀具表面，形成连续的、可靠的粘附层，疏松钛层优选厚度在200-500nm；

疏松钛层，可通过提高沉积速率、增加气体流量、调整溅射气压和功率等工艺获得，在本领域属于常规制造工艺(参考CN1808679A、CN105304510A、CN107359234A)，在此不详细描述。

步骤(2.3)：再沉积一层岛状生长的氮化铝层，即AlN岛状薄膜30，通过降低到达生长表面的前驱体能量，使其不能在表面横向运动，而是成簇生长来实现，降低到达表面的能量，例如提高沉积气压，降低功率等，氮化铝层厚度不大于30nm，否则岛状生长难以维持，氮化铝层优选厚度为2nm到30nm。氮化铝层的热稳定性好，在2200℃仍是稳定的，并且强度高，强度随温度升高的下降也非常缓慢，适宜用在会产生高温的高速切削刀具中。

岛状，是指薄膜没有形成连续的层结构，而是分散的、一小片一小片的形状。

退火，使岛状生长的氮化铝收缩，进一步促进岛状结构，同时，退火还使疏松钛层发生横向收缩致密化，并以产生裂纹、空洞等形式释放应力，有利于降低整体的刀具涂层应力，刀具在出厂后使用过程中不容易发生应力剥落。

步骤(2.4)：以岛状的氮化铝层为掩膜，对疏松钛层进行氮化，例如氨气等离子体处理。常规等离子体氮化，深度一般仅能十几到几十纳米，氮等离子体难以穿过致密的、厚的氮化钛层和下面的钛继续反应。然而，由于本层沉积时为疏松钛层，氮化能深入至疏松钛层的一半深度以上，即发生氮化的疏松钛层厚度为至少为100-250nm；当然，氮化铝层正下方的钛层不发生氮化，即岛状的氮化铝层起到了对氮化工艺的掩膜作用，从而在氮化形成的氮化钛层中保留有垂直方向的金属钛7，例如柱状。剩余的、下部为未氮化的疏松钛层4，虽然未整体发生氮化，但是由于退火引起的裂纹、空洞普遍是贯穿性的，延伸至疏松钛层的底部，裂纹、空洞允许氮等离子体无阻碍的到达，导致底层未氮化的疏松钛层4中的空洞和/或裂纹5的侧壁会发生氮化。

疏松钛层氮化结束后，造成以下涂层结构(图1)：下层初始钛层2未发生变化；上方首先是下部分未氮化的疏松钛层4，厚度不大于100-250nm，例如100nm、150nm、200nm，且该层中存在竖向贯穿的氮化钛侧壁，该层整体上是金属钛7，韧性好，插入有高强度的氮化钛材质的空洞和/或裂纹5侧壁；再上方是氮化钛层6(疏松钛层氮化形成)，其中存在竖向的金属钛7(氮化铝层下方)，该层整体上是氮化钛，强度高，插入有具有良好韧性的金属钛；再上方是岛状的氮化铝层，即AlN岛状薄膜30。为了便于表达，将未被氮化的疏松钛层(内部具有高强度的氮化钛材质的空洞和/或裂纹5侧壁)和氮化钛层6(内部具有金属钛7)合称Ti/TiN混合层3。竖向的钛，是指钛贯穿了所在层的竖向厚度，而不是钛一定要为垂直方向；竖向的氮化钛侧壁同理。

步骤(2.5)：沉积一层连续的AlN层8，厚度20-50nm，然后沉积薄层的Ti层9厚度5-20nm；重复上述步骤1～10次；以AlN层9开始，最终以Ti层8结束。AlN/Ti交叉结构总厚度不超过200nm。

AlN/Ti交叉结构中，每层钛的厚度都很薄，有利于吸收上层的TiN基硬质层的应力；且层厚较薄，变形性好，有利于应力通过层的伸展(当受到拉应力时)或收缩(当受到压应力时)而释放且不发生破裂。并且，Ti层之间插入有高强度的AlN层，AlN层厚度大于Ti层厚度，为交叉层的主体材料，整体交叉层的强度较高，刀具的涂层不易从此处发生涂层剥落。最终以薄层的Ti层结束，有利于和上方的TiN基硬质层形成粘附。多周期结构，有利于应力逐层的、多级的释放，不集中在一层中释放(防止该层破裂)，吸收的应力更多。

AlN/Ti/AlN……/Ti的多周期结构，有利于提升Ti缓冲层的耐冲击性。本申请的Ti缓冲层，相较于现有技术减薄，提升了Ti缓冲层强度，特别是抵抗平行于膜层方向的横向滑移剥落能力大幅提升。但是，垂直于膜层方向的韧性(相较于现有技术的厚的Ti层)稍有降低，作为补偿，设置AlN/Ti多周期结构，能够吸收垂直于膜层方向的冲击。也就是说，AlN/Ti/AlN……/Ti的多周期结构，和前层的初始钛层、Ti/TiN混合层的结构是相互配合的。

步骤(3)：沉积TiN基硬质层10，沉积方法可采用溅射、离子镀、蒸发等，TiN基硬质层厚度例如0.8-6um。TiN基硬质层包括TiN、TiAlN、TiCN、TiCrN中的一种或其组合，同时使用两种以上的硬质层，可以进一步优化硬质层的性能，例如下层采用TiAlN等高强度层、表层采用TiN来提高涂层的润滑性。

实施例1：上述氮化钛基涂层超硬刀具的制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)：对立方氮化硼(PCBN)刀具基体1进行清洗、烘干；

步骤(2)：Ti缓冲层的沉积；

具体过程为：

步骤(2.1)：先沉积一层初始钛层，初始钛层厚度在50nm；

步骤(2.2)：再沉积一层疏松钛层，疏松钛层厚度在200nm；

步骤(2.3)：再沉积一层岛状生长的氮化铝层，氮化铝层厚度为2-5nm；

岛状，是指薄膜没有形成连续的层结构，而是分散的、一小片一小片的形状。

退火，使岛状生长的氮化铝收缩，进一步促进岛状结构，同时，退火还使疏松钛层发生横向收缩致密化，并以产生裂纹、空洞等形式释放应力；

步骤(2.4)：以岛状氮化铝为掩膜，对疏松钛层进行氮化，氮化能深入至疏松钛层的一半深度以上，即发生氮化的疏松钛层厚度为至少为100-250nm；当然，氮化铝层正下方的钛层不发生氮化，从而在氮化形成的氮化钛层中保留有垂直方向的金属钛。剩余的、底层未氮化的疏松钛层，下部分未氮化的疏松钛层中的空洞和/或裂纹5的侧壁会发生氮化。

步骤(2.5)：沉积一层连续的AlN层，厚度20-50nm，然后沉积薄层的Ti层厚度5-20nm；重复上述步骤1～10次；以AlN层开始，最终以Ti层结束。AlN/Ti交叉结构总厚度不超过200nm。

步骤(3)：沉积TiN基硬质层10，TiN基硬质层厚度为0.8-6um。

实施例2：与实施例1相比不同之处在于，初始钛层厚度在80nm，疏松钛层厚度在300nm，氮化铝层厚度为5-10nm，TiN基硬质层为TiAlN。

实施例3：与实施例1相比不同之处在于，初始钛层厚度在100nm，疏松钛层厚度在500nm，氮化铝层厚度为10-15nm，TiN基硬质层为TiCN。

对比例1：与实施例1相比不同之处在于，步骤(2.5)中：沉积一层连续的AlN层，厚度20-50nm，然后沉积薄层的Ti层厚度5-20nm；重复上述步骤1～10次；以AlN层开始，最终以AlN层结束。

对比例2：与实施例1相比不同之处在于，缺少步骤(2.5)步骤，即不存在AlN/Ti交叉结构。

对比例3：与实施例1相比不同之处在于，初始钛层厚度500nm，没有Ti/TiN混合层3。

对实施例1-3和对比例1-3的刀具，每例各取10把，进行涂层质量测试。测试采用对淬硬钢工件进行切削，工件尺寸为Φ110mm×300mm，切削速度100m/min。以刀具的月牙洼磨损扩散到刀具负倒棱的平均时间，作为涂层质量好坏的比较标准。

表1具的月牙洼磨损扩散到刀具负倒棱的平均时间

	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2	对比例3
							时间/min	18	23	21	16.3	14	10.6

可见，本申请通过降低Ti缓冲层厚度，引入合适的Ti/TiN混合缓冲层，以及配合AlN/Ti交叉结构，显著提高了刀具的使用寿命。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，具体实现该技术方案方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种氮化钛基涂层超硬刀具，依次包括刀具基体(1)、Ti缓冲层、TiN基硬质层(10)，其特征在于，所述Ti缓冲层包括沉积在所述刀具基体(1)上的初始钛层(2)，以及沉积在所述初始钛层(2)上的Ti/TiN混合层(3)；

所述Ti/TiN混合层(3)为疏松钛层：位于下部分未氮化的疏松钛层(4)中间具有竖向的、将空洞和/或裂纹(5)的侧壁进行氮化形成的氮化钛层；位于上部分的疏松钛层经过氮化形成氮化钛层(6)，其内部具有竖向的金属钛(7)。

2.根据权利要求1所述的氮化钛基涂层超硬刀具，其特征在于，所述初始钛层(2)厚度为50-100nm；位于下部分未氮化的疏松钛层(4)厚度为100-250nm。

3.根据权利要求1所述的氮化钛基涂层超硬刀具，其特征在于，所述初始钛层还包括Ti/TiN混合层(3)的远离刀具基体(1)方向上的AlN/Ti交叉结构，所述AlN/Ti交叉结构的起始层为AlN层(8)，并最终以Ti层(9)结束。

4.根据权利要求3所述的氮化钛基涂层超硬刀具，其特征在于，所述AlN/Ti交叉结构中的AlN层(8)厚度20-50nm、Ti层(9)厚度5-20nm，且Ti层(9)厚度小于AlN层(8)厚度。

5.根据权利要求1所述的氮化钛基涂层超硬刀具，其特征在于，所述刀具基体(1)为聚晶立方氮化硼、聚晶金刚石、硬质合金中的一种；所述TiN基硬质层(10)为TiN、TiAlN、TiCN、TiCrN中的一种或其组合。

6.根据权利要求1所述的氮化钛基涂层超硬刀具，其特征在于，所述Ti缓冲层还包括直接沉积在Ti/TiN混合层(3)上的AlN岛状薄膜(30)，其位置和竖向的金属钛(7)的顶部对齐。

7.权利要求1所述氮化钛基涂层超硬刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：刀具基体(1)的清洗、烘干；

步骤(2)：Ti缓冲层的沉积，包括：

步骤(2.1)：先沉积一层初始钛层(2)，初始钛层(2)厚度在50-100nm；

步骤(2.2)：再沉积一层疏松钛层，疏松钛层厚度在200-500nm；

步骤(2.3)：再沉积一层岛状生长的氮化铝层，即AlN岛状薄膜(30)，氮化铝层厚度在2nm-30nm，通过退火使岛状生长的氮化铝收缩，进一步促进岛状结构；

步骤(2.4)：以岛状的氮化铝层为掩膜，对疏松钛层进行氮化；

步骤(2.5)：沉积一层连续的AlN层(8)，厚度20-50nm，然后沉积薄层的Ti层(9)厚度5-20nm；重复上述步骤1-10次；

步骤(3)：沉积TiN基硬质层(10)，TiN基硬质层厚度例如0.8-6um。

8.根据权利要求7所述氮化钛基涂层超硬刀具的制备方法，其特征在于，步骤(2.3)中的退火还使疏松钛层中形成空洞和或裂纹(5)。

9.根据权利要求8所述氮化钛基涂层超硬刀具的制备方法，其特征在于，步骤(2.4)中氮化深入至疏松钛层的一半深度以上，即原始沉积的疏松钛层的上部分中，未被氮化铝层掩膜覆盖的疏松钛层被氮化形成氮化钛层(6)，而疏松钛层的下部分整体上为未被氮化的疏松钛层(4)。

10.根据权利要求9所述氮化钛基涂层超硬刀具的制备方法，其特征在于，步骤(2.4)中氮化铝岛状层正下方的钛层不发生氮化，从而在氮化形成的氮化钛层(6)中保留有垂直方向的金属钛(7)，剩余的、下部分未氮化的疏松钛层(4)中空洞和或裂纹的侧壁发生氮化形成氮化钵材质的空洞和或裂纹(5)。