[發明專利]高速鋼切削刀具表面Zr/MaN復合涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201210591165.1
• 申請日: 2012-12-31
• 公開（公告）號: CN103057204A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 趙海波;鮮廣;梁紅櫻;梁雅庭;杜浩;王輝
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: B32B15/04
• 分類號: B32B15/04;B32B9/04;C23C14/35;C23C14/06;C23C14/16
• 代理公司: 成都科海專利事務有限責任公司 51202
• 代理人: 唐麗蓉

技術領域

本發明屬于工模具表面硬質涂層及其制備技術領域，具體涉及一種高速鋼切削刀具表面Zr/MaN復合涂層及其制備方法。

背景技術

表面涂層技術是現代切削刀具新的應用技術中的一種，其通過化學或物理的方法在刀具表面上獲得的微納米級薄膜，具有硬度高、潤滑性好、抗氧化性能優異等特點，可使切削刀具獲得優良的綜合機械性能，有效地延長刀具使用壽命、改善刀具切削性能、提高機械加工效率。TiN是最早應用于保護刀具的一種薄膜，具有較高的硬度、潤滑性及通用性，是一種理想的低速切削刀具用薄膜材料。

然而，隨著現代加工技術的發展，特別是在高速切削、干式切削以及重切削等切削加工條件下，TiN等二元涂層刀具已難以滿足應用要求，于是人們在二元薄膜的基礎上對其進行合金化，研發了（Ti,Ma）N三元薄膜，并大幅度提高涂層刀具的性能。Al、Cr作為進行合金化的常用元素，它們可以替代TiN晶格中Ti原子的位置，使晶格發生畸變，從而產生了內應力，使薄膜得到強化。此外，在TiN晶格中加入Al、Cr原子，可產生位錯釘扎作用，阻礙位錯的運動，從而形成位錯增殖與塞積，也使薄膜得到強化。此外，Al元素在大于700℃的高溫條件下，可與氧結合，在薄膜表面形成一層致密的Al₂O₃保護膜，可有效的阻止氧原子向薄膜組織內部的擴散，從而提高涂層刀具的抗高溫氧化性能，達到延長使用壽命的目的。因此，TiAlN薄膜被廣泛應用于機械加工領域中的工模具的涂層以及重要零部件的涂層。

目前，國內外文獻報道的物理氣相沉積（PVD）制備TiAlN薄膜普遍采用的是陰極電弧和磁控濺射方法（Rauch?JY,??Rousselot?C,??Martin?N.?Structure?and?Composition?of??TixAl1-xN?thin?Films?Sputter?Deposition?Using?a?Composite?Metallic?Target?[J].???Surf.Coat.Technol.,?2002,157:?1382143；《刀具涂層技術的最新發展狀況》成都工具研究所有限公司——李洪林等）。陰極電弧方法雖具有離化率高、沉積速度快、結合力好等特點，但其存在“液滴”現象，所獲得的薄膜組織比較粗大；此外，對多元合金涂層還存在成分偏離的問題，所獲得的組織結構往往是不均勻。普通磁控濺射技術與陰極電弧相比，其制備的膜雖具有組織較為致密，無大顆粒，薄膜質量好的特點，但卻存在離化率低、結合力差的問題。究其原因，是因為普通磁控濺射方法能量低，濺射所形成的離化率低，故而導致TiAlN薄膜的晶體產生擇優取向，使所得組織表現為明顯的柱狀結構，而且這些柱狀結構大都貫穿于整個薄膜，這對薄膜的抗沖擊性、抗高溫氧化性及抗腐蝕性能極為不利。另一個問題是，TiAlN薄膜與高速鋼基體的結合力相對較低，易脫落，不能起到長期保護高速鋼切削刀具的作用。為了解決TiAlN薄膜與高速鋼的結合問題，目前通常采用的是先在金屬表面鍍制一Ti或Ti/TiN過渡層的方式，然后再鍍制其它的膜層，如Balzers、Sulzer、Cemecon、Chaojing等企業就是采用的這種方式。但在實際制備中不管是先鍍制的Ti過渡層的TiAlN薄膜，還是先鍍制的Ti/TiN過渡層的TiAlN薄膜，仍存在結合力低、組織結構粗大、易剝落、耐磨性差等缺陷（其所得涂層參見圖1、2、4、5）。而且在普通磁控濺射方法下，隨著薄膜硬度的增加（如Al含量的增加），這些缺陷會愈加突出。因此在高速鋼切削刀具上鍍制TiAlN涂層，工業化生產中尚存在一些問題，亟待開發出新的涂層及其鍍制方法。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術制備的Ti/TiAlN涂層存在的問題，提供一種性能優異的高速鋼切削刀具表面Zr/MaN復合涂層。

本發明的另一目的提供一種上述高速鋼切削刀具表面Zr/MaN復合涂層的制備方法。

本發明提供的高速鋼切削刀具表面Zr/MaN【Ma（multicomponent?alloy）】復合涂層，該復合涂層為二層，從刀具表面依次向外分別為Zr過渡層和MaN層，其中Zr過渡層的厚度為100～200nm；Ti_XAl_1-XN層的厚度為2～5μm，其組織結構為納米晶結構，在X射線衍射的TiN（111）面衍射強度為385，在X射線衍射的AlN（111）面衍射強度為0。?

上述刀具表面復合涂層MaN層中的Ma為（Ti,Al），其復合涂層表面的硬度為22~44GPa，壓痕等級為1~2級。