自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具及其制备方法

摘要

本发明公开了一种自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具及其制备方法。该多层涂层刀具包括刀具基体和沉积于刀具基体上的多层涂层，多层涂层中包含有一交替沉积Ti

说明书

技术领域

本发明涉及一种切削刀具及其制备，尤其涉及一种带有复合涂层的切削刀具及其制备方 法。

背景技术

由Al替代立方结构(c)过渡族金属氮化物MeN(Me＝Ti、Zr、Cr等)中部分Me形成 的亚稳相MeAlN涂层，因具有高硬度、高熔点和抗氧化性好等优良性能成为刀具涂层的研究 热点。MeAlN涂层的晶体结构和力学性能在很大程度上取决于涂层中的Al含量，当Al含量 超过MeN的固溶度时，立方结构的MeAlN向六方相(w)AlN转化而使其力学和热性能显 著下降。另外，在保持涂层为立方结构时，涂层的力学性能和高温抗氧化性能随涂层中的Al 含量增加而上升，因此，Me-Al-N涂层中的Al含量控制显得尤为重要。其中，固溶度较高的 TiAlN和CrAlN涂层相对其他涂层具有更高的高温抗氧化性能，在切削刀具上应用最为广泛。

亚稳相的c-TiAlN在高温时(约900℃)发生调幅分解生成亚稳相的富Al立方相和贫Al 立方相，亚稳相的析出引起的共格应变导致了时效硬化的发生。Ti-Al-N涂层的时效硬化特性 使得涂层刀具在切削过程中产生“自硬化效应”是Ti-Al-N涂层在工业应用领域取得成功的 关键因素之一。然而，继续升高温度至约1000℃时，生成的亚稳相会向其稳定相c-TiN和w-AlN 转化而导致力学性能急剧下降。另外，Ti-Al-N涂层抗氧化温度较低约850℃，限制了其高温 应用。

亚稳相的CrAlN涂层最典型的优势是优异的抗氧化性，抗氧化温度高于1000℃。CrAlN 在高温时(约900℃)也会向其稳定相单质Cr和w-AlN转化而引起力学性能的下降，其中 Cr的生成需要经过Cr₂N过渡完成。但是，CrAlN的热分解过程并没有伴随着时效硬化的发 生。相比于其高的抗氧化温度，Cr-Al-N涂层低的热稳定温度同样限制了其高温应用。

综上所述，TiAlN和CrAlN的热服役温度均低于900℃。然而，随着高速切削技术的发 展，一些加工场合的温度达到1000℃以上。因此，开发新的具有高的热性能涂层材料进一步 改善涂层刀具的切削性能成为推动高速切削技术发展的关键技术之一。

目前，已有一些专利和文章报道了关于CrAlN/TiAlN多层涂层的研究，但大多关注于涂 层的力学性能和高温抗氧化性能，对于涂层的热稳定性基本没有涉及，特别是关于如何控制 CrAlN/TiAlN多层涂层结构以达到涂层在高温时产生时效硬化效应未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能表现出高硬度、高热性能 的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，还相应提供一种工艺简单、设备常规、生产成本低的 自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具， 包括刀具基体和沉积于刀具基体上的多层涂层，所述多层涂层中包含有一交替沉积Ti_1-xAl_xN 层和Cr_1-yAl_yN层的多周期涂层，其中，0.35≤x≤0.67，0.50≤y≤0.70，所述Ti_1-xAl_xN层与 Cr_1-yAl_yN层的厚度之比≥1.5。

上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，优选的，所述多周期涂层中，0.50≤x≤0.64， 0.60≤y≤0.68，1.5≤Ti_1-xAl_xN层与Cr_1-yAl_yN层的厚度之比≤15。

上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，优选的，所述Ti_1-xAl_xN层的晶体结构为面 心立方结构，所述Cr_1-yAl_yN层的晶体结构为面心立方结构，所述Ti_1-xAl_xN层和Cr_1-yAl_yN层 共格外延生长成超点阵结构。

上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，优选的，所述多层涂层是以刀具基体表面 为基面向外呈现出“Ti_1-xAl_xN层到Cr_1-yAl_yN层”的周期性变化趋势。

上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，优选的，所述多周期涂层中，所述Ti_1-xAl_xN 层的单层厚度为3nm～30nm，所述Cr_1-yAl_yN层的单层厚度为2nm～20nm。

上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，优选的，所述多层涂层还包含有Ti_1-zAl_zN 过渡层，其中，0≤z≤0.67，所述Ti_1-zAl_zN过渡层沉积于所述刀具基体表面，所述多周期涂 层沉积于所述Ti_1-zAl_zN过渡层上。

上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，优选的，所述Ti_1-zAl_zN过渡层的晶体结构 为面心立方结构，所述Ti_1-zAl_zN过渡层的厚度为100nm～500nm。

上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，优选的，所述多层涂层的总厚度为2μm～ 12μm。更优选的，所述多层涂层的总厚度为2μm～6μm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的 制备方法，包括以下步骤：

S1：将刀具基体进行预处理；

S2：在预处理后的刀具基体上交替沉积Ti_1-xAl_xN层和Cr_1-yAl_yN层(优选采用物理气相 沉积工艺的多靶交替沉积方式，以依次沉积Ti_1-xAl_xN层到Cr_1-yAl_yN层为一个周期)，形成以 “Ti_1-xAl_xN层/Cr_1-yAl_yN层”为调制周期的多周期涂层，得到自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀 具。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的 制备方法，包括以下步骤：

S1：将刀具基体进行预处理；

S2：在预处理后的刀具基体上沉积Ti_1-zAl_zN过渡层(优选采用物理气相沉积工艺)；

S3：在Ti_1-zAl_zN过渡层上交替沉积Ti_1-xAl_xN层和Cr_1-yAl_yN层(优选采用物理气相沉积 工艺的多靶交替沉积方式，以依次沉积Ti_1-xAl_xN层到Cr_1-yAl_yN层为一个周期)，形成以 “Ti_1-xAl_xN层/Cr_1-yAl_yN层”为调制周期的多周期涂层，得到自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀 具。

在本发明的技术方案中，组成多层涂层的单层厚度过厚或过薄，均有可能影响本发明多 层涂层的界面强化作用。本领域技术人员可以根据已有的技术知识通过控制涂层炉中载物基 座的旋转速率和各靶材的功率，使各涂层的单层厚度控制在上述各范围内。

在本发明的技术方案中，多层涂层优选的结构形式为：以刀具基体表面为基面向外呈现 出“Ti_1-xAl_xN层到Cr_1-yAl_yN层”而不是“Cr_1-yAl_yN层到Ti_1-xAl_xN层”，是因为Ti_1-xAl_xN层 在Cr_1-yAl_yN层上生长会表现出Cr_1-yAl_yN涂层的结构，在高温时没有调幅分解发生，相应的 就没有时效硬化效应。

在本发明的多周期涂层中，Ti_1-xAl_xN层中Al含量的原子百分数为35％～67％，优选为 50％～64％，确保按Ti_1-xAl_xN层成分制备的单一涂层结构应为面心立方结构并在高温时发生 调幅分解而表现出时效硬化效应。根据发明人的试验表明，Al元素的含量过高会使涂层的晶 体结构由面心立方向密排六方转化，而过低则会影响到涂层的性能(例如涂层硬度、热性能 等)。另外，过高或过低均不能在高温时发生调幅分解而引起自硬化效应。

在本发明的多周期涂层中，Cr_1-yAl_yN层中Al含量的原子百分数为50％～70％，优选为 60％～68％，确保按Cr_1-yAl_yN层成分制备的单一涂层结构应为面心立方结构。上述多周期涂 层中，根据发明人的试验表明，Al元素的含量过高会使涂层的晶体结构由面心立方向密排六 方转化而影响涂层的力学性能，而过低也会影响到涂层的性能(例如涂层硬度、热性能等)。

在本发明的多周期涂层中，Ti_1-xAl_xN层和Cr_1-yAl_yN层共格外延生长成超点阵结构，这种 共格结构的界面强化效应可提高涂层的力学及热性能。

在本发明的多周期涂层中，Ti_1-xAl_xN层的单层厚度为3nm～30nm，Cr_1-yAl_yN层的单层 厚度为2nm～20nm。过薄或过厚均会影响到涂层的性能(例如涂层硬度、热性能等)。特别 是过厚时还会破坏Ti_1-xAl_xN和Cr_1-yAl_yN层之间的共格外延生长关系。

在本发明的多周期涂层中，所述Ti_1-xAl_xN层和Cr_1-yAl_yN层的厚度比例≥1.5。发明人大 量的试验表明，当Ti_1-xAl_xN层和Cr_1-yAl_yN层的厚度比例＜1.5时，涂层的热分解过程主要由 Cr_1-yAl_yN层控制，没有调幅分解的发生，相应的也没有表现出时效硬化效应。

在本发明的多周期涂层中，多周期涂层还优选包括有一沉积于刀具基体表面的Ti_1-zAl_zN 过渡层，多周期涂层沉积于Ti_1-zAl_zN过渡层上。Ti_1-zAl_zN过渡层的厚度在本领域人员公知的 范围内优选为100nm～500nm，Ti_1-zAl_zN过渡层中的Al元素原子百分含量小于或等于67％。

在本发明的多周期涂层中，多周期涂层的总厚度优选为2μm～12μm，最优选为2μm～6 μm。因为经过发明人的反复实验和研究，多周期涂层如果过薄，会影响到涂层的保护性能 和保护效果，但过厚的多周期涂层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。

上述的各技术方案中，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。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的多自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具具有优异的热稳定性、高温抗氧化性并且 能够时效硬化。本发明还通过层与层之间的共格界面来强化涂层，改善涂层的韧性，提高了 涂层与刀具基体的结合强度。本发明针对该多层涂层刀具提供了一种工艺简单、设备要求低、 生产成本低的制备方法。通过本发明方法制备的多层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

图1为本发明实施例1～2、实施例4～10中的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的结构 示意图。

图2为本发明实施例3的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的结构示意图。

图例说明：

1、刀具基体；2、Ti_1-zAl_zN过渡层；3、Ti_1-xAl_xN层；4、Cr_1-yAl_yN层。

具体实施方式

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。

实施例1：

一种本发明的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积 于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层中包含有Ti_1-zAl_zN过渡层2和多周期涂层。Ti_1-zAl_zN 过渡层2沉积于刀具基体1表面，多周期涂层沉积于Ti_1-zAl_zN过渡层2上。该多周期涂层为 一交替沉积Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4的多层结构，呈现出以“Ti_1-xAl_xN层3到Cr_1-yAl_yN 层4”为一个周期的多周期性变化趋势。Ti_1-xAl_xN层3的晶体结构为面心立方结构，Cr_1-yAl_yN 层4的晶体结构为面心立方结构，Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4共格外延生长成超点阵结构， Ti_1-zAl_zN过渡层的晶体结构为面心立方结构。

上述本发明的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

首先将刀具基体1(例如以硬质合金刀具基体为例)经过表面清洗、Ar浸蚀等预处理， 然后在预处理后的刀具基体1上采用物理气相沉积法先沉积一层厚度为100nm～500nm的 Ti_1-zAl_zN过渡层2，接着采用多靶交替沉积方法在Ti_1-zAl_zN过渡层2上交替沉积以“Ti_1-xAl_xN 层3到Cr_1-yAl_yN层4”为调制周期的多周期涂层。其中，Ti_1-xAl_xN层3单层厚度控制在3nm～ 30nm，Cr_1-yAl_yN层4单层厚度控制在2nm～20nm，且Ti_1-xAl_xN层与Cr_1-yAl_yN层的厚度之比 ≥1.5(优选1.5≤Ti_1-xAl_xN层与Cr_1-yAl_yN层的厚度之比≤15)。通过控制和调节各靶材的成 分，使Ti_1-xAl_xN层3中Al元素的原子百分数为35％～67％(优选50％～64％)、Cr_1-yAl_yN层 4中Al元素的原子百分数为50％～70％(优选60％～68％)以及Ti_1-zAl_zN过渡层中Al元素 的原子百分数为0％～67％。重复多个周期直至多层涂层的总厚度达到2μm～12μm(优选2 μm～6μm)，得到上述的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具。在沉积Ti_1-zAl_zN过渡层2时， 可选用较大的基体偏压(150V～200V)来增加沉积粒子的能量，使沉积粒子获得较高的表面 扩散能力来改善涂层与基体的结合强度；而较高的基体偏压会导致涂层应力增加，因此在沉 积周期性“Ti_1-xAl_xN层3到Cr_1-yAl_yN层4”涂层时，降低基体偏压(0～120V)。

实施例2：

一种本发明的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积 于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层中包含有Ti_1-zAl_zN过渡层2和多周期涂层。Ti_1-zAl_zN 过渡层2沉积于刀具基体1表面，多周期涂层沉积于Ti_1-zAl_zN过渡层2上。Ti_1-zAl_zN过渡层 2具体为Ti_0.50Al_0.50N过渡层，厚度为500nm。该多周期涂层是以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN 层4”为调制周期，具体为200个周期，其中Ti_1-xAl_xN层3具体为Ti_0.50Al_0.50N层，厚度为 10nm，Cr_1-yAl_yN层4具体为Cr_0.33Al_0.67N层，厚度为6nm。在该多层涂层刀具中，多层涂层 的总厚度为3.7μm，多周期涂层的总厚度为3.2μm。

本实施例中，多层涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti_1-xAl_xN层3到Cr_1-yAl_yN 层4”的周期性变化趋势，Ti_1-xAl_xN层3的晶体结构为面心立方结构，Cr_1-yAl_yN层4的晶体 结构为面心立方结构，Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4共格外延生长成超点阵结构，Ti_1-zAl_zN 过渡层2的晶体结构为面心立方结构。

本实施例中，刀具基体1采用型号为SEET120304的硬质合金刀片。

一种上述本实施例的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

首先，将型号为SEET120304的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理；然后在 预处理的刀具基体1上采用物理气相多靶沉积方法沉积Ti_1-cAl_cN过渡层2，在Ti_1-zAl_zN过渡 层2表面交替沉积以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4”为调制周期的多周期涂层，Ti、Al、 Cr元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过200个周期后得到自硬化TiAlN/CrAlN 多层涂层刀具，其中Ti_1-zAl_zN过渡层2、Ti_1-xAl_xN层3及Cr_1-yAl_yN层4的分别为Ti_0.50Al_0.50N 过渡层、Ti_0.50Al_0.50N层及Cr_0.33Al_0.67N层。该自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，多层涂 层的总厚度为3.7μm，多周期涂层的总厚度为3.2μm，其中Ti_0.50Al_0.50N过渡层厚度为500nm、 Ti_0.50Al_0.50N层及Cr_0.33Al_0.67N层的单层厚度分别为10nm和6nm。

对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积目前 刀具常用的Ti_0.50Al_0.50N和Cr_0.32Al_0.68N涂层(单一涂层结构，厚度均为3.5μm，下同)，然 后用本实施例2制得的多层涂层刀具(SEET120304)和对照品(SEET120304)进行铣削钢 材(NAK80)的对比实验，对比实验结果如下表1所示：

表1：实施例2的本发明产品与对照品的对比实验效果

由上表1可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在铣 削NAK80时的使用寿命比现有技术下的Ti_0.50Al_0.50N涂层和Cr_0.32Al_0.68N涂层刀具均有明显提 高。可见，本发明产品及制备工艺的技术效果非常显著。

实施例3：

一种本发明的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，如图2所示，包括刀具基体1和沉积 于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层中包含有多周期涂层。多周期涂层沉积于刀具基体 1上，是以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4”为调制周期，具体为200个周期，其中Ti_1-xAl_xN 层3具体为Ti_0.50Al_0.50N层，厚度为10nm，Cr_1-yAl_yN层4具体为Cr_0.33Al_0.67N层，厚度为6nm。 在该多层涂层刀具中，多层涂层的总厚度为3.2μm，多周期涂层的总厚度为3.2μm。

本实施例中，多层涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti_1-xAl_xN层3到Cr_1-yAl_yN 层4”的周期性变化趋势，Ti_1-xAl_xN层3的晶体结构为面心立方结构，Cr_1-yAl_yN层4的晶体 结构为面心立方结构，Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4共格外延生长成超点阵结构。

本实施例中，刀具基体1采用型号为SEET120304的硬质合金刀片。

一种上述本实施例的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

首先，将型号为SEET120304的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理；然后在 预处理的刀具基体1上采用物理气相多靶沉积方法交替沉积以“Ti_1-xAl_xN层和Cr_1-yAl_yN层” 为调制周期的多周期涂层，经过200个周期后得到自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，其中 Ti_1-xAl_xN层3及Cr_1-yAl_yN层4的分别为Ti_0.50Al_0.50N层及Cr_0.33Al_0.67N层。该自硬化 TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，多层涂层的总厚度为3.2μm，多周期涂层的总厚度为3.2μm， 其中Ti_0.50Al_0.50N层及Cr_0.33Al_0.67N层的单层厚度分别为10nm和6nm。

对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积目前 刀具常用的Ti_0.50Al_0.50N和Cr_0.32Al_0.68N涂层(单一涂层结构)，然后用本实施例3制得的多层 涂层刀具(SEET120304)和对照品(SEET120304)进行铣削钢材(NAK80)的对比实验， 对比实验结果如下表2所示：

表2：实施例3的本发明产品与对照品的对比实验效果

由上表2可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在铣 削NAK80时的使用寿命比现有技术下的Ti_0.50Al_0.50N涂层和Cr_0.32Al_0.68N涂层刀具有所提高。 但较实施例2，去除了Ti_1-zAl_zN过渡层2，降低了涂层与基体之间的结合强度，涂层刀具的 切削性能明显下降。

实施例4：

一种本发明的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积 于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层中包含有Ti_1-zAl_zN过渡层2和多周期涂层。Ti_1-zAl_zN 过渡层2沉积于刀具基体1表面，多周期涂层沉积于Ti_1-zAl_zN过渡层2上。Ti_1-zAl_zN过渡层 2具体为Ti_0.50Al_0.50N过渡层，厚度为500nm。该多周期涂层是以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN 层4”为调制周期，具体为500个周期，其中Ti_1-xAl_xN层3具体为Ti_0.50Al_0.50N层，厚度为 10nm，Cr_1-yAl_yN层4具体为Cr_0.33Al_0.67N层，厚度为6nm。在该多层涂层刀具中，多层涂层 的总厚度为8.5μm，多周期涂层的总厚度为8.0μm。

本实施例中，多层涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti_1-xAl_xN层3到Cr_1-yAl_yN 层4”的周期性变化趋势，Ti_1-xAl_xN层3的晶体结构为面心立方结构，Cr_1-yAl_yN层4的晶体 结构为面心立方结构，Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4共格外延生长成超点阵结构，Ti_1-zAl_zN 过渡层2的晶体结构为面心立方结构。

本实施例中，刀具基体1采用型号为SEET120304的硬质合金刀片。

一种上述本实施例的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

首先，将型号为SEET120304的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理；然后在 预处理的刀具基体1上采用物理气相多靶沉积方法沉积Ti_1-cAl_cN过渡层2，在Ti_1-zAl_zN过渡 层2表面交替沉积以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr1_-yAl_yN层4”为调制周期的多周期涂层，Ti、Al、 Cr元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过500个周期后得到自硬化TiAlN/CrAlN 多层涂层刀具，其中Ti_1-zAl_zN过渡层2、Ti_1-xAl_xN层3及Cr_1-yAl_yN层4的分别为Ti_0.50Al_0.50N 过渡层、Ti_0.50Al_0.50N层及Cr_0.33Al_0.67N层。该自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，多层涂 层的总厚度为8.5μm，多周期涂层的总厚度为8.0μm，其中Ti_0.50Al_0.50N过渡层厚度为500nm、 Ti_0.50Al_0.50N层及Cr_0.33Al_0.67N层的单层厚度分别为10nm和6nm。

对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积目前 刀具常用的Ti_0.50Al_0.50N和Cr_0.32Al_0.68N涂层(单一涂层结构)，然后用本实施例4制得的多层 涂层刀具(SEET120304)和对照品(SEET120304)进行铣削钢材(NAK80)的对比实验， 对比实验结果如下表3所示：

表3：实施例4的本发明产品与对照品的对比实验效果

由上表3可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在铣 削NAK80时的使用寿命与现有技术下的Cr_0.32Al_0.68N涂层刀具相当。与实施例2对比，涂层 的厚度从3.7μm增加到8.5μm，涂层刀具的切削性能下降。

实施例5：

一种本发明的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积 于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层中包含有Ti_1-zAl_zN过渡层2和多周期涂层。Ti_1-zAl_zN 过渡层2沉积于刀具基体1表面，多周期涂层沉积于Ti_1-zAl_zN过渡层2上。Ti_1-zAl_zN过渡层 2具体为Ti_0.50Al_0.50N过渡层，厚度为500nm。该多周期涂层是以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN 层4”为调制周期，具体为400个周期，其中Ti_1-xAl_xN层3具体为Ti_0.50Al_0.50N层，厚度为 6nm，Cr_1-yAl_yN层4具体为Cr_0.33Al_0.67N层，厚度为2nm。在该多层涂层刀具中，多层涂层的 总厚度为3.7μm，多周期涂层的总厚度为3.2μm。

本实施例中，多层涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti_1-xAl_xN层3到Cr_1-yAl_yN 层4”的周期性变化趋势，Ti_1-xAl_xN层3的晶体结构为面心立方结构，Cr_1-yAl_yN层4的晶体 结构为面心立方结构，Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4共格外延生长成超点阵结构，Ti_1-zAl_zN 过渡层2的晶体结构为面心立方结构。

本实施例中，刀具基体1采用型号为SEET120304的硬质合金刀片。

一种上述本实施例的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

首先，将型号为SEET120304的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理；然后在 预处理的刀具基体1上采用物理气相多靶沉积方法沉积Ti_1-cAl_cN过渡层2，在Ti_1-zAl_zN过渡 层2表面交替沉积以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4”为调制周期的多周期涂层，Ti、Al、 Cr元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过400个周期后得到自硬化TiAlN/CrAlN 多层涂层刀具，其中Ti_1-zAl_zN过渡层2、Ti_1-xAl_xN层3及Cr_1-yAl_yN层4的分别为Ti_0.50Al_0.50N 过渡层、Ti_0.50Al_0.50N层及Cr_0.33Al_0.67N层。该自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，多层涂 层的总厚度为3.7μm，多周期涂层的总厚度为3.2μm，其中Ti_0.50Al_0.50N过渡层厚度为500nm、 Ti_0.50Al_0.50N层及Cr_0.33Al_0.67N层的单层厚度分别为6nm和2nm。

对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积目前 刀具常用的Ti_0.50Al_0.50N和Cr_0.32Al_0.68N涂层(单一涂层结构)，然后用本实施例5制得的多层 涂层刀具(SEET120304)和对照品(SEET120304)进行铣削钢材(NAK80)的对比实验， 对比实验结果如下表4所示：

表4：实施例5的本发明产品与对照品的对比实验效果

由上表4可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在铣 削NAK80时的使用寿命比现有技术下的Ti_0.50Al_0.50N涂层和Cr_0.32Al_0.68N涂层刀具明显提高。 但与实施例2对比，Ti_1-xAl_xN层和Cr_1-yAl_yN层的厚度降低，涂层刀具的切削性能提高。

实施例6：

一种本发明的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积 于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层中包含有Ti_1-zAl_zN过渡层2和多周期涂层。Ti_1-zAl_zN 过渡层2沉积于刀具基体1表面，多周期涂层沉积于Ti_1-zAl_zN过渡层2上。Ti_1-zAl_zN过渡层 2具体为Ti_0.50Al_0.50N过渡层，厚度为300nm。该多周期涂层是以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN 层4”为调制周期，具体为100个周期，其中Ti_1-xAl_xN层3具体为Ti_0.40Al_0.60N层，厚度为 20nm，Cr_1-yAl_yN层4具体为Cr_0.30Al_0.70N层，厚度为10nm。在该多层涂层刀具中，多层涂层 的总厚度为3.3μm，多周期涂层的总厚度为3.0μm。

本实施例中，多层涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti_1-xAl_xN层3到Cr_1-yAl_yN 层4”的周期性变化趋势，Ti_1-xAl_xN层3的晶体结构为面心立方结构，Cr_1-yAl_yN层4的晶体 结构为面心立方结构，Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4共格外延生长成超点阵结构，Ti_1-zAl_zN 过渡层2的晶体结构为面心立方结构。

本实施例中，刀具基体1采用型号为SEET120304的硬质合金刀片。

一种上述本实施例的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

首先，将型号为SEET120304的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理；然后在 预处理的刀具基体1上采用物理气相多靶沉积方法沉积Ti_1-cAl_cN过渡层2，在Ti_1-zAl_zN过渡 层2表面交替沉积以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4”为调制周期的多周期涂层，Ti、Al、 Cr元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过100个周期后得到自硬化TiAlN/CrAlN 多层涂层刀具，其中Ti_1-zAl_zN过渡层2、Ti_1-xAl_xN层3及Cr_1-yAl_yN层4的分别为Ti_0.50Al_0.50N 过渡层、Ti_0.40Al_0.60N层及Cr_0.30Al_0.70N层。该自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，多层涂 层的总厚度为3.3μm，多周期涂层的总厚度为3.0μm，其中Ti_0.50Al_0.50N过渡层厚度为300nm、 Ti_0.40Al_0.60N层及Cr_0.30Al_0.70N层的单层厚度分别为20nm和10nm。

对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积目前 刀具常用的Ti_0.50Al_0.50N和Cr_0.32Al_0.68N涂层(单一涂层结构)，然后用本实施例6制得的多层 涂层刀具(SEET120304)和对照品(SEET120304)进行铣削钢材(NAK80)的对比实验， 对比实验结果如下表5所示：

表5：实施例6的本发明产品与对照品的对比实验效果

由上表5可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在铣 削NAK80时的使用寿命比现有技术下的Ti_0.50Al_0.50N涂层和Cr_0.32Al_0.68N涂层刀具有所提高。

实施例7：

一种本发明的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积 于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层中包含有Ti_1-zAl_zN过渡层2和多周期涂层。Ti_1-zAl_zN 过渡层2沉积于刀具基体1表面，多周期涂层沉积于Ti_1-zAl_zN过渡层2上。Ti_1-zAl_zN过渡层 2具体为Ti_0.70Al_0.30N过渡层，厚度为100nm。该多周期涂层是以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN 层4”为调制周期，具体为70个周期，其中Ti_1-xAl_xN层3具体为Ti_0.6Al_0.40N层，厚度为30nm， Cr_1-yAl_yN层4具体为Cr_0.50Al_0.50N层，厚度为20nm。在该多层涂层刀具中，多层涂层的总厚 度为3.6μm，多周期涂层的总厚度为3.5μm。

本实施例中，多层涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti_1-xAl_xN层3到Cr_1-yAl_yN 层4”的周期性变化趋势，Ti_1-xAl_xN层3的晶体结构为面心立方结构，Cr_1-yAl_yN层4的晶体 结构为面心立方结构，Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4共格外延生长成超点阵结构，Ti_1-zAl_zN 过渡层2的晶体结构为面心立方结构。

本实施例中，刀具基体1采用型号为SEET120304的硬质合金刀片。

一种上述本实施例的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

首先，将型号为SEET120304的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理；然后在 预处理的刀具基体1上采用物理气相多靶沉积方法沉积Ti_1-cAl_cN过渡层2，在Ti_1-zAl_zN过渡 层2表面交替沉积以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4”为调制周期的多周期涂层，Ti、Al、 Cr元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过70个周期后得到自硬化TiAlN/CrAlN 多层涂层刀具，其中Ti_1-zAl_zN过渡层2、Ti_1-xAl_xN层3及Cr_1-yAl_yN层4的分别为Ti_0.70Al_0.30N 过渡层、Ti_0.6Al_0.40N层及Cr_0.50Al_0.50N层。该自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，多层涂层 的总厚度为3.6μm，多周期涂层的总厚度为3.5μm，其中Ti_0.70Al_0.30N过渡层厚度为100nm、 Ti_0.6Al_0.40N层及Cr_0.50Al_0.50N层的单层厚度分别为30nm和20nm。

对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积目前 刀具常用的Ti_0.50Al_0.50N和Cr_0.32Al_0.68N涂层(单一涂层结构)，然后用本实施例7制得的多层 涂层刀具(SEET120304)和对照品(SEET120304)进行铣削钢材(NAK80)的对比实验， 对比实验结果如下表6所示：

表6：实施例7的本发明产品与对照品的对比实验效果

由上表6可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在铣 削NAK80时的使用寿命比现有技术下的Ti_0.50Al_0.50N涂层和Cr_0.32Al_0.68N涂层刀具有所提高。

实施例8：

一种本发明的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积 于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层中包含有Ti_1-zAl_zN过渡层2和多周期涂层。Ti_1-zAl_zN 过渡层2沉积于刀具基体1表面，多周期涂层沉积于Ti_1-zAl_zN过渡层2上。Ti_1-zAl_zN过渡层 2具体为Ti_0.70Al_0.30N过渡层，厚度为200nm。该多周期涂层是以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN 层4”为调制周期，具体为600个周期，其中Ti_1-xAl_xN层3具体为Ti_0.6Al_0.40N层，厚度为3nm， Cr_1-yAl_yN层4具体为Cr_0.30Al_0.70N层，厚度为2nm。在该多层涂层刀具中，多层涂层的总厚 度为3.2μm，多周期涂层的总厚度为3.0μm。

本实施例中，多层涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti_1-xAl_xN层3到Cr_1-yAl_yN 层4”的周期性变化趋势，Ti_1-xAl_xN层3的晶体结构为面心立方结构，Cr_1-yAl_yN层4的晶体 结构为面心立方结构，Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4共格外延生长成超点阵结构，Ti_1-zAl_zN 过渡层2的晶体结构为面心立方结构。

本实施例中，刀具基体1采用型号为SEET120304的硬质合金刀片。

一种上述本实施例的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

首先，将型号为SEET120304的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理；然后在 预处理的刀具基体1上采用物理气相多靶沉积方法沉积Ti_1-cAl_cN过渡层2，在Ti_1-zAl_zN过渡 层2表面交替沉积以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4”为调制周期的多周期涂层，Ti、Al、 Cr元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过600个周期后得到自硬化TiAlN/CrAlN 多层涂层刀具，其中Ti_1-zAl_zN过渡层2、Ti_1-xAl_xN层3及Cr_1-yAl_yN层4的分别为Ti_0.70Al_0.30N 过渡层、Ti_0.6Al_0.40N层及Cr_0.30Al_0.70N层。该自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，多层涂层 的总厚度为3.2μm，多周期涂层的总厚度为3.0μm，其中Ti_0.70Al_0.30N过渡层厚度为200nm、 Ti_0.6Al_0.40N层及Cr_0.30Al_0.70N层的单层厚度分别为3nm和2nm。

对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积目前 刀具常用的Ti_0.50Al_0.50N和Cr_0.32Al_0.68N涂层(单一涂层结构)，然后用本实施例8制得的多层 涂层刀具(SEET120304)和对照品(SEET120304)进行铣削钢材(NAK80)的对比实验， 对比实验结果如下表7所示：

表7：实施例8的本发明产品与对照品的对比实验效果

由上表7可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在铣 削NAK80时的使用寿命比现有技术下的Ti_0.50Al_0.50N涂层和Cr_0.32Al_0.68N涂层刀具有明显提 高。

实施例9：

一种本发明的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积 于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层中包含有Ti_1-zAl_zN过渡层2和多周期涂层。Ti_1-zAl_zN 过渡层2沉积于刀具基体1表面，多周期涂层沉积于Ti_1-zAl_zN过渡层2上。Ti_1-zAl_zN过渡层 2具体为TiN过渡层，厚度为200nm。该多周期涂层是以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4” 为调制周期，具体为600个周期，其中Ti_1-xAl_xN层3具体为Ti_0.60Al_0.40N层，厚度为3nm， Cr_1-yAl_yN层4具体为Cr_0.30Al_0.70N层，厚度为2nm。在该多层涂层刀具中，多层涂层的总厚 度为3.2μm，多周期涂层的总厚度为3.0μm。

本实施例中，多层涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti_1-xAl_xN层3到Cr_1-yAl_yN 层4”的周期性变化趋势，Ti_1-xAl_xN层3的晶体结构为面心立方结构，Cr_1-yAl_yN层4的晶体 结构为面心立方结构，Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4共格外延生长成超点阵结构，Ti_1-zAl_zN 过渡层2的晶体结构为面心立方结构。

本实施例中，刀具基体1采用型号为SEET120304的硬质合金刀片。

一种上述本实施例的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

首先，将型号为SEET120304的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理；然后在 预处理的刀具基体1上采用物理气相多靶沉积方法沉积Ti_1-cAl_cN过渡层2，在Ti_1-zAl_zN过渡 层2表面交替沉积以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4”为调制周期的多周期涂层，Ti、Al、 Cr元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过600个周期后得到自硬化TiAlN/CrAlN 多层涂层刀具，其中Ti_1-zAl_zN过渡层2、Ti_1-xAl_xN层3及Cr_1-yAl_yN层4的分别为TiN过渡层、 Ti_0.6Al_0.40N层及Cr_0.30Al_0.70N层。该自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，多层涂层的总厚度 为3.2μm，多周期涂层的总厚度为3.0μm，其中TiN过渡层厚度为200nm、Ti_0.60Al_0.40N层 及Cr_0.30Al_0.70N层的单层厚度分别为3nm和2nm。

对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积目前 刀具常用的Ti_0.50Al_0.50N和Cr_0.32Al_0.68N涂层(单一涂层结构)，然后用本实施例9制得的多层 涂层刀具(SEET120304)和对照品(SEET120304)进行铣削钢材(NAK80)的对比实验， 对比实验结果如下表8所示：

表8：实施例9的本发明产品与对照品的对比实验效果

由上表8可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在铣 削NAK80时的使用寿命比现有技术下的Ti_0.50Al_0.50N涂层和Cr_0.32Al_0.68N涂层刀具有明显提 高。与实施例8相比，仅过渡层由Ti_0.70Al_0.30N改变为TiN层，切削性能得到改善。

对照品是采用中国专利文献CN102268637A公开的方法，首先对前述刀具基体进行表面 清洗、Ar浸蚀等预处理，然后在预处理后的刀具基体上采用物理气相沉积方法依次沉积20nm 的TiAl层和20nm的Ti_0.50Al_0.50N层作为过渡层，然后在过渡层表面沉积“Cr_0.30Al_0.70N层到 Ti_0.50Al_0.50N层”为一个周期的多周期涂层，经过300个周期后，多周期涂层的厚度为3μm， 其中Cr_0.30Al_0.70N层的厚度为6nm，Ti_0.50Al_0.50N层的厚度为4nm。

采用纳米压痕测试本实施例9的硬度为38.7GPa，按上述文献方法制备的涂层的硬度为 36.2GPa。将本实施例和文献方法制备的涂层置于真空中于1000℃回火1小时之后，采用纳 米压痕测试的本实施例和文献方法制备的涂层的硬度分别为40.6GPa和32.4GPa，从上述结 论可以看出，本实施例表现出时效硬化效应，而文献制备的方法在1000℃回火后硬度下降， 并没有表现出时效硬化效应。将本实施例制备的周期性涂层和文献方法制备的涂层置于空气 气氛中在1000℃氧化10h，按本实施例方法和文献方法制备的涂层均未完全氧化。

采用本实施例9制得的多层涂层刀具(SEET120304)和上述对照品(SEET120304)进 行铣削钢材(NAK80)的对比实验，对比实验结果如下表9所示：

表9：实施例9的本发明产品与对照品的对比实验效果

由上表9可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在铣 削NAK80时的使用寿命比文献方法制备的涂层刀具有明显提高。

实施例10：

一种本发明的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具，如图1所示，包括刀具基体1和沉积 于刀具基体1上的多层涂层，该多层涂层中包含有Ti_1-zAl_zN过渡层2和多周期涂层。Ti_1-zAl_zN 过渡层2沉积于刀具基体1表面，多周期涂层沉积于Ti_1-zAl_zN过渡层2上。Ti_1-zAl_zN过渡层 2具体为Ti_0.50Al_0.50N过渡层，厚度为300nm。该多周期涂层是以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN 层4”为调制周期，具体为100个周期，其中Ti_1-xAl_xN层3具体为Ti_0.40Al_0.60N层，厚度为 30nm，Cr_1-yAl_yN层4具体为Cr_0.30Al_0.70N层，厚度为2nm。在该多层涂层刀具中，多层涂层 的总厚度为3.5μm，多周期涂层的总厚度为3.2μm。

本实施例中，多层涂层是以刀具基体表面为基面向外呈现出“Ti_1-xAl_xN层3到Cr_1-yAl_yN 层4”的周期性变化趋势，Ti_1-xAl_xN层3的晶体结构为面心立方结构，Cr_1-yAl_yN层4的晶体 结构为面心立方结构，Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4共格外延生长成超点阵结构，Ti_1-zAl_zN 过渡层2的晶体结构为面心立方结构。

本实施例中，刀具基体1采用型号为SEET120304的硬质合金刀片。

一种上述本实施例的自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

首先，将型号为SEET120304的硬质合金刀片进行表面清洗、Ar浸蚀等预处理；然后在 预处理的刀具基体1上采用物理气相多靶沉积方法沉积Ti_1-cAl_cN过渡层2，在Ti_1-zAl_zN过渡 层2表面交替沉积以“Ti_1-xAl_xN层3和Cr_1-yAl_yN层4”为调制周期的多周期涂层，Ti、Al、 Cr元素的含量均通过调节各靶材的成分进行控制，经过100个周期后得到自硬化TiAlN/CrAlN 多层涂层刀具，其中Ti_1-zAl_zN过渡层2、Ti_1-xAl_xN层3及Cr_1-yAl_yN层4的分别为Ti_0.50Al_0.50N 过渡层、Ti_0.40Al_0.60N层及Cr_0.30Al_0.70N层。该自硬化TiAlN/CrAlN多层涂层刀具中，多层涂 层的总厚度为3.5μm，多周期涂层的总厚度为3.2μm，其中Ti_0.50Al_0.50N过渡层厚度为300nm、 Ti_0.40Al_0.60N层及Cr_0.30Al_0.70N层的单层厚度分别为30nm和2nm。

对照品同样是以上述硬质合金刀片作为刀具基体，按普通的物理气相沉积方法沉积目前 刀具常用的Ti_0.50Al_0.50N和Cr_0.32Al_0.68N涂层(单一涂层结构)，然后用本实施例10制得的多 层涂层刀具(SEET120304)和对照品(SEET120304)进行铣削钢材(NAK80)的对比实验， 对比实验结果如下表10所示：

表10：实施例10的本发明产品与对照品的对比实验效果

由上表10可见，在刀具基体相同、切削条件相同的情况下，本发明的多层涂层刀具在铣 削NAK80时的使用寿命比现有技术下的Ti_0.50Al_0.50N涂层和Cr_0.32Al_0.68N涂层刀具有所提高。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较 佳实施例揭露如上，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 明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的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， 依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明 技术方案保护的范围内。