[發明專利]TiZrN涂層刀具及其制備方法

有效

• 申請號: 200910014862.9
• 申請日: 2009-05-04
• 公開（公告）號: CN101596607A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發明（設計）人: 鄧建新;顏培;宋文龍
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B23B27/00
• 分類號: B23B27/00;C23C14/24;C23C14/06;C23C14/16
• 代理公司: 濟南圣達專利商標事務所有限公司
• 代理人: 李健康

技術領域

本發明屬于機械切削刀具制造技術領域，特別是涉及一種硬質涂層刀具及其制備方法。

背景技術

TiN薄膜作為一種硬質涂層，已經廣泛應用于機械加工刀具、刃具、各種模具、各種耐磨涂層和各種金屬的耐腐蝕涂層和裝飾涂層等。TiN基薄膜是比較理想的薄膜體系，在一個相當寬的成分范圍內比較穩定，而且薄膜合成工藝已經成熟。但是TiN涂層也暴露出了一些問題，如抗氧化溫度低(450℃)、熱硬度低等，而且TiN薄膜一般呈柱狀結構，這種柱狀結構之間存在著貫穿整個膜層的孔隙(也叫做針孔狀結構)，而使基材得不到保護，耐腐蝕性差，尤其是不耐堿腐蝕。TiN基合金薄膜有著比TiN薄膜更優異的性能，成為新一代硬質薄膜研究的重要內容之一。

中國專利“專利號：200510104988”報道了利用磁控濺射方法制備的至少兩層的多層結構的Ti基薄膜或Cr基薄膜，Ti基薄膜為Ti層、TiN層、Ti層、TiN層依次交錯構成，Cr基薄膜為Cr層、CrN層、Cr層、CrN層依次交錯構成。中國專利“申請號：200610029133”報道了采用在氬氣氛中的雙靶濺射技術在拋光的金屬或陶瓷基體表面交替沉積ZrO₂層和TiN層得到的ZrO₂/TiN納米多層涂層，ZrO₂層的厚度為2～8nm，TiN層厚為0.4～1.2nm，涂層總厚度為2～5μm。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種硬質涂層刀具及其制備方法。該刀具其涂層為多層結構，刀具表面為合金氮化物TiZrN層，TiZrN層與刀具基體之間有Ti和Zr/Ti過渡層，以減小殘余應力，增加涂層與刀具基體間的結合強度。該硬質涂層刀具進行干切削時，可達到減小摩擦、阻止粘結、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。

本發明是通過以下方式實現的。

TiZrN涂層刀具，基體材料為高速鋼或硬質合金，涂層材料為：Ti、Zr/Ti和TiZrN；刀具表面為合金氮化物TiZrN層，TiZrN層與刀具基體之間有Ti和Zr/Ti過渡層。

TiZrN涂層刀具的制備方法，其特征在于沉積方式為多弧離子鍍膜法鍍Zr、Zr/Ti及TiZrN，其制備方法的步驟為：

(1)前處理：將刀具基體材料拋光至鏡面，去除表面污染層，依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各15min，去除表面汗漬和油污，干燥充分后迅速放入鍍膜機真空室，真空室本底真空7.0×10^-3Pa，加熱至200℃，保溫30～40min；

(2)離子清洗：通Ar₂，其壓力為0.6～1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓800～900V，占空比0.2，輝光放電清洗15min；偏壓降低至200V/0.2，開啟離子源離子清洗15min，開啟電弧源，偏壓400V，靶電流50～70A，離子轟擊Ti靶0.5min；

(3)沉積Ti：調整Ar₂壓為0.4～0.5Pa，偏壓降低至150V，電弧鍍Ti1～2min；

(4)沉積Ti/Zr：調整Ar₂壓為0.4～0.5Pa，偏壓150V，同時開啟Ti靶和Zr靶，靶電流50～60A，電弧鍍Ti和Zr2～3min；

(5)沉積TiZrN：調整工作氣壓為0.4～0.5Pa，偏壓150V，Ti靶和Zr靶的靶電流90～100A；開啟N₂，調整N₂與Ar₂的分壓比為1∶1，電弧鍍TiZrN60～80min；

(6)后處理：關閉鈦靶、鋯靶，關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。

通過上述工藝制備的TiZrN涂層刀具，刀具表面為合金氮化物TiZrN層，TiZrN層與刀具基體間具有Ti和Zr/Ti過渡層，可減小殘余應力，增加涂層與刀具基體間的結合強度。由于Zr摻雜，造成涂層的混晶強化、晶格畸變，使得涂層硬度很大；TiN薄膜柱狀結構的孔隙大為減少，涂層抗腐蝕性能提高。該涂層刀具可廣泛應用于干切削和難加工材料的切削加工以及有色金屬的切削加工，利用TiZrN涂層刀具進行干切削是一種環境效益和經濟效益俱佳的工藝選擇，具有廣闊應用前景。

附圖說明

附圖為本發明的TiZrN涂層刀具的涂層結構示意圖。圖中：1為刀具基體、2為Ti層、3為Zr/Ti層、4為TiZrN層。

具體實施方式：

下面給出本發明的二個最佳實施例：