切削工具及其制备方法与流程

本技术涉及切削工具涂层，具体地，涉及切削工具及其制备方法。

背景技术：

1、氮化钛铝涂层是现代金属切削工具不可或缺的关键功能材料。氮化钛铝涂层中的铝元素可以与氧气反应，在涂层表面形成一层致密的氧化铝保护膜，这层膜能有效阻隔氧气向内扩散，从而大幅提升涂层的抗氧化温度和抗月牙洼磨损能力。因此，铝含量越高，涂层的高温性能和硬度就越突出。根据制备技术的不同，涂层的性能表现存在显著差异，目前，氮化钛铝涂层的制备主要有物理气相沉积（pvd）和化学气相沉积（cvd）两种技术路线，传统的pvd技术受热力学条件限制，铝的摩尔分数通常只能稳定在0.67-0.70左右，cvd技术是目前制备高铝面心立方晶结构的氮化钛铝涂层的最有效路径。

2、cvd高铝氮化钛铝涂层凭借显著的固溶强化效应，能够有效提升涂层显微硬度，同时随着铝含量的增加，涂层抗氧化性得到显著增强。但现有cvd高铝氮化钛铝涂层的结构设计单一，高铝组分占比过高会导致涂层存在明显的性能短板与技术缺陷。一方面，涂层整体铝含量过高会严重降低涂层的热稳定性能，在高速切削、干式切削等高温加工工况下，涂层极易发生亚稳立方相向六方相氮化铝（h-aln）的转变，导致涂层力学性能下降，加速刀具的磨损。另一方面，高铝组分带来的强固溶强化效果在提升涂层硬度的同时，可导致涂层脆性增加。这使得传统高铝氮化钛铝涂层在断续切削、冲击载荷较大的加工场景下，涂层更容易萌生裂纹和崩损，导致使用寿命降低。因此，如何在保证高铝含量的前提下，同时提升涂层的硬度、韧性和热稳定性，成为当前技术亟待解决的关键难题。

3、需要说明的是，上述的陈述仅用于提供与本技术有关的背景技术信息，而不必然地构成现有技术。

技术实现思路

1、在本技术的第一方面，本技术提出了一种切削工具，包括：基材；涂层，所述涂层位于所述基材的至少部分表面，所述涂层包括：氮化钛铝涂层，所述氮化钛铝涂层包括：ti1-qalqn，0.7≤q＜1，所述氮化钛铝涂层包括交替层叠设置的交替层和间隔层，所述交替层与所述间隔层的层数之差的绝对值不大于1，所述交替层包括交替层叠设置的第一子层和第二子层，所述第一子层与所述第二子层的层数之差的绝对值不大于1，所述第一子层包括ti1-xalxn，0.6≤x≤0.95，所述第二子层包括ti1-yalyn，0.1≤y≤0.5，所述间隔层包括ti1-zalzn，0≤z≤0.1，所述第一子层与所述第二子层的晶格错配度为0.4%-4.2%；所述第一子层与所述间隔层的晶格错配度为2.0%-4.6%；所述第二子层与所述间隔层的晶格错配度为0%-2.4%。

2、由此，ti1-qalqn层的晶粒内部具有成分差异化的周期性层纹堆叠结构，其中面心立方结构的间隔层中极低的铝含量为相邻的第一子层和第二子层提供了晶格模板约束效应，抑制了第一子层和第二子层中六方相氮化铝（h-aln）的形核与长大。同时，低铝含量的间隔层热稳定性优异，可提升整个涂层体系的热稳定性；同时间隔层韧性良好，能够改善涂层整体韧性，抵抗切削冲击，从而使得整体涂层同时具有高硬度、优异热稳定性与良好韧性。各层间较低的晶格错配度体现了各晶面稳固的外延生长关系，使得高铝面心立方相在热力学上被多层约束结构所稳定。该超晶格结构能够在维持整体平均铝含量高达q≥0.7的同时，使各层均保持面心立方结构。有利于提升切削工具的耐崩损性、耐磨性、耐高温性和整体使用寿命，切削工具可以适用于各类金属切削加工场景，应用场景广泛。

3、在一些实施例中，所述交替层的层数为5层-100层；和/或，所述第一子层的层数为8层-200层。

4、由此，通过多层结构的设计，使周期性层纹堆叠结构从晶粒底部一直延伸到晶粒顶部，构建了高度共格的界面，使氮化钛铝涂层同时具备高硬度与高韧性。

5、在一些实施例中，所述第一子层中的ti1-xalxn、所述第二子层中的ti1-yalyn、所述间隔层中的ti1-zalzn分别独立地为面心立方结构。

6、由此，第一子层、第二子层、间隔层均为面心立方结构，使得形成的氮化钛铝涂层具有清晰、平直的共格界面，氮化钛铝涂层具有优异的韧性，可以有效延长切削工具的寿命。

7、在一些实施例中，所述第一子层与所述第二子层的晶面关系为{001}ti1-xalxn//{001}ti1-yalyn；和/或，所述第一子层与所述间隔层的晶面关系为{001}ti1-xalxn//{001}ti1-zalzn；和/或，所述第二子层与所述间隔层的晶面关系为{001}ti1-yalyn//{001}ti1-zalzn。

8、由此，第一子层、第二子层、间隔层平行于晶粒的{001}晶面外延生长，连贯的{001}晶面取向有助于氮化钛铝涂层的各层在变形时协同一致，减少裂纹在层间界面处的产生和扩展，增强氮化钛铝涂层的抗断裂能力，进而提升涂层与基体的结合力，提升切削工具的韧性和抗剥落性能。

9、在一些实施例中，所述第一子层与所述第二子层的晶向关系为<010>ti1-xalxn//<010>ti1-yalyn；和/或，所述第一子层与所述间隔层的晶向关系为<010>ti1-xalxn//<010>ti1-zalzn；和/或，所述第二子层与所述间隔层的晶向关系为<010>ti1-yalyn//<010>ti1-zalzn。

10、由此，第一子层、第二子层、间隔层中晶粒的晶体取向一致，形成超晶格结构，有利于载荷在氮化钛铝涂层的各层间均匀传递，减少应力在界面处突增的情况，进而提升氮化钛铝涂层的抗疲劳能力和抗裂纹扩展能力，提升氮化钛铝涂层与打底层和功能层的结合力，使涂层在切削工具切削加工中更耐冲击和剥落。

11、在一些实施例中，以所述氮化钛铝涂层远离基材一侧表面为第一平面，在所述第一平面朝向所述基材的一侧具有与所述第一平面相平行的第二平面，所述第一平面与所述第二平面之间的最小距离不大于所述氮化钛铝涂层厚度的60%，所述氮化钛铝涂层在所述第二平面上的任一抛光截面上沿<111>晶向，且与所述第一平面法向夹角小于10°的晶粒的截面积占总晶粒截面积的比值不小于60%；和/或，所述氮化钛铝涂层在(200)晶面的织构系数tc(200)、在(220)晶面的织构系数tc(220)、在(311)晶面的织构系数tc(311)、在(331)晶面的织构系数tc(331)、在(420)晶面的织构系数tc(420)、在(111)晶面的织构系数tc(111)满足：tc(200)≤0.5，0.2≤tc(220)≤0.7，0.5≤tc(311)≤1，tc(331)≤0.5，tc(420)≤0.5，tc(111)/tc(311)≥3。

12、由此，氮化钛铝涂层一致的晶粒取向可以减少应力集中和裂纹扩展问题，提升氮化钛铝涂层在切削工具高速切削中的稳定性，延长切削工具在切削难加工材料时的寿命。特定比例的织构系数可以同时提升涂层的硬度和韧性。

13、在一些实施例中，所述氮化钛铝涂层中所述ti1-qalqn的晶粒的晶粒度不大于2.5μm；和/或，所述氮化钛铝涂层的硬度不小于30gpa；和/或，所述氮化钛铝涂层的压应力为0.5gpa-3gpa。

14、由此，氮化钛铝涂层可以利用低晶粒度带来的细晶强化效应显著提升氮化钛铝涂层的硬度，同时氮化钛铝涂层的高硬度大大提升了涂层的抗塑性变形能力和抗磨损能力，氮化钛铝涂层适中的压应力可以使涂层不易剥落且可以有效抑制涂层裂纹的产生。

15、在一些实施例中，所述氮化钛铝涂层的厚度为0.5μm-30μm；和/或，单层交替层与相邻的单层间隔层的厚度之和为100nm-1000nm；和/或，单层所述第一子层的厚度为1nm-20nm；和/或，单层所述第二子层的厚度为0.5nm-10nm；和/或，单层所述间隔层的厚度为20nm-300nm。

16、由此，通过对各层厚度的限定，提升了氮化钛铝涂层的结构稳定性，促进氮化钛铝涂层兼具高抗氧化性，热稳定性与高强韧性。

17、在一些实施例中，所述涂层还包括：打底层，所述打底层位于所述基材与所述氮化钛铝涂层之间，所述打底层包括氮化物涂层；和/或，功能层，所述功能层位于所述氮化钛铝涂层远离所述基材的一侧，所述功能层包括氮化物涂层、抗氧化涂层中的一种或多种，所述抗氧化涂层包括氧化铝涂层、氧化锆涂层中的一种或多种。

18、由此，通过在涂层中设置打底层，可以减少气相沉积氮化钛铝涂层时氨气对基材造成腐蚀，更好的保护基材的完整性。氮化钛涂层与氮化钛铝涂层具有良好的晶格匹配和成分相容性，能够为氮化钛铝涂层的形核生长提供稳定的附着基底，显著提升涂层整体的膜基结合力与结构稳定性。功能层中氮化物涂层作为过渡层，可以缓解氮化钛铝涂层与抗氧化涂层间的结构失配问题，抗氧化涂层可以提升涂层的抗高温氧化能力，最外层氮化物涂层可以提升涂层的抗磨损性能，并起到装饰的作用。

19、在本技术的第二方面，本技术提出了一种制备前述的切削工具的方法，包括：对基材进行气相沉积处理，以得到氮化钛铝涂层，以得到切削工具，其中，所述气相沉积处理包括交替进行的第一气相沉积处理和第二气相沉积处理，其中，所述第一气相沉积处理的气体包括ticl4、alcl3、nh3、h2，所述第二气相沉积处理的气体包括ticl4、nh3、h2和可选的alcl3，以所述第一气相沉积处理的气体总体积为基准，包括0.03%-0.08%的ticl4、0.20%-0.70%的alcl3、0.80%-1.20%的nh3，以所述第二气相沉积处理的气体总体积为基准，包括0.03%-0.08%的ticl4、0%-0.30%的alcl3、0.80%-1.20%的nh3。

20、由此，通过调整第一气相沉积处理和第二气相沉积处理的alcl3通气量可以得到铝含量不同的氮化钛铝涂层的交替层和间隔层，采用化学气相沉积处理得到了高铝含量的氮化钛铝涂层，有效提升了氮化钛铝涂层的硬度、抗氧化性，延长切削工具的使用寿命。

21、在一些实施例中，所述第一气相沉积处理的沉积温度为700℃-800℃，所述第一气相沉积处理的沉积压力为2mbar-15mbar，所述第一气相沉积处理的沉积时间为1min-30min；和/或，所述第二气相沉积处理的沉积温度为730℃-800℃，所述第二气相沉积处理的沉积压力为2mbar-15mbar，所述第二气相沉积处理的沉积时间为0.2min-3min；和/或，所述第一气相沉积处理和第二气相沉积处理的交替进行次数为5次-100次。

22、由此，通过调整第一气相沉积处理和第二气相沉积处理的沉积参数，可以得到具有周期性层纹堆叠结构的氮化钛铝涂层。

23、在一些实施例中，所述对基材进行气相沉积处理前还包括：对基材进行气相沉积处理，以形成打底层，所述打底层位于所述基材的至少部分表面，且位于所述基材与所述氮化钛铝涂层之间；和/或，所述对基材进行气相沉积处理后还包括：对所述氮化钛铝涂层远离基材的一侧进行第三气相沉积处理，以形成功能层，所述功能层包括氮化物涂层、抗氧化涂层中的一种或多种，所述抗氧化涂层包括氧化铝涂层、氧化锆涂层中的一种或多种。

24、由此，在制备氮化钛铝涂层之前通过气相沉积处理得到打底层，可以更好地发挥对基材的保护作用，在制备氮化钛铝涂层之后通过气相沉积处理得到功能层，有利于提升涂层的抗氧化性能、抗磨损性能和装饰性能，氮化钛铝涂层、打底层、功能层共同提升了涂层整体的结合力与稳定性。