[發明專利]Ti-Zr/ZrN納米多層涂層刀具及其制備工藝

有效

• 申請號: 201110082001.1
• 申請日: 2011-04-01
• 公開（公告）號: CN102181835A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 宋文龍;徐剛;張立銀;姚友良;徐長重;閆建峰;鄧建新
• 申請（專利權）人: 山推工程機械股份有限公司
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/06;C23C14/16
• 代理公司: 濟寧眾城專利事務所 37106
• 代理人: 李效寧

技術領域

本發明涉及一種Ti-Zr/ZrN納米多層涂層刀具及其制備工藝，屬于機械制造金屬切削刀具領域。

背景技術

對刀具進行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一。涂層刀具將刀具基體與硬質涂層相結合，使刀具性能大大提高。TiN、ZrN等氮化物單涂層刀具自上世紀70年代成功應用于切削刀具后，成為目前應用最為廣泛的涂層刀具。然而，隨著切削加工技術的發展以及高速切削技術的推廣，氮化物單涂層相對較差的韌性和耐磨性限制了其應用。通過制備多層復合結構的涂層可以顯著提高硬質涂層韌性、結合強度及耐磨性等綜合性能，涂層的納米多層復合結構已經成為涂層刀具的重要發展方向。

中國專利（專利號ZL?2006?1?0029133）報道了采用雙靶濺射技術在金屬或陶瓷基體表面交替沉積ZrO₂層和TiN層得到ZrO₂?/TiN多層涂層的技術，ZrO₂厚度為2~8nm，TiN層厚度為0.4~1.2?nm，涂層總厚度為2~5?μm，但是由于ZrO₂?與TiN涂層之間的內應力較大，導致涂層間的結合性能不是很理想。中國專利（專利號ZL?2010?1?0014862）報道了采用物理氣相沉積技術沉積TiZrN的復合涂層刀具，在TiN涂層中摻雜了Zr元素以改善TiN涂層的性能，但是TiN中容納Zr元素的能力有限，限制了復合涂層性能的進一步提高。

發明內容

本發明的目的是提供一種Ti-Zr/ZrN納米多層涂層刀具及其制備工藝，克服上述現有涂層刀具內應力較大、涂層與刀具基體間的結合強度小的不足，制備工藝能方便地生產出Ti-Zr/ZrN納米多層涂層刀具。

本發明的目的是以如下方式實現的：Ti-Zr/ZrN納米多層涂層刀具，刀具基體材料為硬質合金或高速鋼，涂層為Zr和ZrN，刀具基體表面為ZrN高硬度涂層，刀具基體與ZrN高硬度涂層之間有Ti過渡層，在Ti過渡層與表面ZrN高硬度涂層之間為Zr和ZrN交替的多層結構。

制備所述的Ti-Zr/ZrN納米多層涂層刀具的方法是：沉積方式為電弧離子鍍沉積30~40nm的Ti過渡層，然后交替沉積厚度為40~50nm的Zr涂層和ZrN涂層，最后表面涂層為ZrN涂層，沉積時使用兩個電弧靶、一個Ti靶、一個Zr靶，具體步驟如下：

a.前處理：將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡雜質，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風干燥充分后迅速放入鍍膜機，抽真空至7.0×10^-3Pa，加熱至300℃，保溫30~40min；

b.離子清洗：通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓800V，占空比0.2，輝光放電清洗15min；降低偏壓至200V，占空比0.2，開啟離子源離子清洗20min，開啟Ti靶的電弧源，偏壓400V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶2min；

c.沉積Ti過渡層：調整Ar氣壓0.5~0.6Pa，偏壓降至250V，沉積溫度250℃，Ti靶電流80A，電弧鍍Ti過渡層2~3min；

d.沉積Zr層：Ar氣壓0.5Pa，偏壓200V，關閉Ti靶，開啟Zr靶，Zr靶電流100A，沉積溫度200~220℃，電弧鍍Zr層2min；

e.沉積ZrN層：Ar氣壓0.5?Pa，偏壓200V，Zr靶的靶電流80A；開啟N₂，N₂氣壓0.8Pa，沉積溫度200~220℃，電弧鍍ZrN層2min；

f.沉積Zr層：關閉N₂，重復d步驟；

g.沉積ZrN層：重復e步驟；

h.重復f、g步驟交替沉積Zr和ZrN涂層共80min；

i.沉積表面ZrN層：Ar氣壓0.5Pa，偏壓200V，Zr靶的靶電流80?A；開啟N₂，N₂氣壓為0.8Pa，沉積溫度200~220℃，電弧鍍ZrN?2min；

j.后處理：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Ti-Zr/ZrN納米多層涂層刀具，刀具表面為ZrN高硬度涂層，刀具基體與涂層間有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，在Ti過渡層與表面ZrN涂層間為Zr和ZrN交替的多層結構。