[發明專利]一種AlTiN-AlCrN超硬納米多層復合涂層滾齒刀及其制備方法

有效

• 申請號: 201210368027.7
• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN102922052A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 楊兵;王如意;陳燕鳴;丁輝
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: B23F21/16
• 分類號: B23F21/16;B32B15/04;B32B33/00;C23C14/06;C23C14/16;C23C14/32
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明涉及薄膜材料技術領域，特別涉及一種AlTiN-AlCrN超硬納米多層復合涂層滾齒刀及其制備方法。

背景技術

齒輪及其齒輪產品是機械裝備的重要基礎件，絕大部分機械成套設備的主要傳動部件都是齒輪傳動，齒輪行業是機械業的基礎。相對機械裝配業而言，齒輪工業屬于技術最密集、資金最密集以及規模相對最大的行業。我國齒輪行業基本由三部分組成，即工業齒輪、車輛齒輪和齒輪裝備。車輛齒輪傳動制造包括車輛齒輪和車輛變速總成，主要為汽車、工程機械、農機、摩托車變速傳動的配套。車輛齒輪占到齒輪行業60%。工業齒輪傳動制造包括了工業通用、專用、重載齒輪傳動，用于冶金、礦山、水泥、船用等等領域的專用齒輪箱；齒輪裝備制造業包括齒輪機床、刀具、量具、實驗設備、齒輪潤滑和密封的領域。就市場需求與生產規模而言，中國齒輪行業在全球排名居世界第四位。

滾齒刀是加工齒輪最為重要的切削刀具，常規滾齒刀基體材料為高速鋼或者是硬質合金，近年來，隨著切削加工的要求日趨提高，高速、高效、智能和環保成為切削加工的追求目標，對切削刀具質量提出了更高的要求。滾齒刀具的失效往往從表面開始，將超硬刀具涂層材料鍍于金屬切削刀具表面，正適應了現代制造業對滾齒刀具的高技術要求，金屬刀具基體不但保持了較高的強度，而鍍于表面的涂層又能發揮它“超硬、強韌、耐磨、自潤滑”的優勢，從而大大提高金屬切削刀具在現代加工過程中的耐用度和適應性。目前常規涂層為TiN或者是TiAlN涂層。

TiN耐溫有限，當滾齒刀使用溫度超過500℃時涂層開始失效，而TiAlN的耐溫也在700℃左右，不能滿足滾齒刀高速加工的要求。AlTiN是將Al元素沉積到TiN中而形成的PVD刀具涂層。迄今為止，通過增加TiAlN、AlTiN涂層中的鋁含量，從而增強刀具涂層的耐高溫性能和硬度，一直是刀具制造商和涂層公司關注的重大技術課題。自1995年以來，人們一直在持續不斷地研究和改進相關的氣相沉積工藝。到2000年，AlTiN涂層中鋁元素與鈦元素的成分比例已從原來的1∶2提高到3∶2，即鋁含量已從33％增加到60％。從實際使用效果看其耐磨性有待加強。

AlCrN涂層是將Cr取代Ti元素而形成的新型氮化物涂層。AlCrN的鋁含量比一般的AlTiN涂層更高，適用于包括齒輪滾刀、立銑刀、銑刀片在內的多種高速鋼和硬質合金刀具。該系列涂層非常薄,?但硬度極高,?可顯著減少磨損和摩擦,?具有優異的加工性能，即使溫度高達1000?℃?時其硬度也有27GPa,?可以說這是目前氮化物類型薄膜中紅硬性能的最高記錄。與其它涂層一樣，AlCrN涂層的抗變形能力也取決于涂層材料的晶格形狀。具有立方晶格的涂層能夠保持很高的紅硬性，即當涂層暴露于刀具/工件界面的切削高溫中時仍能保持其高硬度。一旦涂層的晶體結構轉變為六方晶格，就會因抗變形能力下降而使硬度降低。TiAlN涂層的硬度在約800℃時即大幅下降，AlTiN涂層在溫度不到900℃時也會出現硬度降低的現象；而AlCrN涂層在溫度達到1100℃時仍可保持其硬度。即使在1100℃的高溫下，AlCrN涂層也能保護刀具基體不發生氧化。

納米多層膜是目前刀具發展的最新趨勢，其力學性能大大優于組分氮化物常規涂層的性能。由于納米多層涂層優越的切削特性，具有比常規TiN、TiCN以及TiAlN等涂層更好的切削性能。

發明內容

??本發明本發明的目的就是針對上述現有技術的現狀，提供了一種AlTiN-AlCrN超硬納米多層復合涂層滾齒刀及其制備方法。

本發明產品的技術方案是：在基體為高速鋼或硬質合金的滾齒刀的表面上從內到外由結合層、過渡層、支撐層、耐磨層依次構成的復合涂層，其中結合層為Cr層；過渡層為CrN層；支撐層為AlTiN/CrN層；耐磨層為AlTiN/AlCrN層。

為進一步提高本發明產品的性價比：

所述復核涂層的厚度為1-10微米，其中

1）結合層厚度在20-60納米之間；過渡層厚度在100-300納米之間；支撐層厚度在200-1000納米之間；耐磨層厚度在0.5-10微米之間。

2）??支撐層為AlTiN層和CrN層交替構成的AlTiN/CrN多層涂層；其AlTiN層單層的厚度為3-5納米，CrN層單層的厚度為2-5納米；

3）??耐磨層為AlTiN層和AlCrN層交替構成的AlTiN/AlCrN多層涂層；其AlTiN層單層的厚度為3-5納米，?AlCrN層單層的厚度為2-5納米。