[發(fā)明專利]一種中高溫自潤滑多弧離子鍍多元梯度工具涂層及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410238970.5
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103978748A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張世宏;劉書媛;李明喜;陳汪林
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B32B15/04
• 分類號: B32B15/04;B32B9/04;C23C14/32;C23C14/06;C23C14/16;C23C14/18
• 代理公司: 南京知識律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 蔣海軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料表面鍍膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高速切削工具表面鍍膜強(qiáng)化處理工藝，尤其涉及一種AlCrTiSiN/AlCrN中高溫自潤滑多元梯度工具涂層，本發(fā)明還涉及該多元梯度涂層的制備方法。

背景技術(shù)

制造業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有關(guān)鍵性的作用和地位，強(qiáng)大的制造業(yè)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代化制造業(yè)向快速、高效、環(huán)保和節(jié)能等方面發(fā)展，其對切削刀具的要求也越來越高，而涂層技術(shù)是提高刀具加工性能和使用壽命的重要方法。

刀具涂層技術(shù)是指在切削刀具表面涂覆上一層硬質(zhì)薄膜來提高其耐磨性以達(dá)到增加其使用壽命，這種硬質(zhì)涂層不但具有很高的硬度，而且具有抗高溫氧化性、抗腐蝕性以及較好的摩擦性能。這些優(yōu)點(diǎn)使涂層在很大程度上提高了切削刀具的壽命，降低了維修費(fèi)用，減少了因刀具失效所導(dǎo)致的停車時(shí)間。而對于一些貴重刀具，由于可以多次涂層，增加了其重復(fù)使用，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

TiN涂層作為第一代涂層由于具有高硬度、低磨損及良好的化學(xué)穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于刀具、模具和機(jī)器零部件的涂層。但TiN涂層較差的抗氧化性能和較低的熱紅硬性(500℃時(shí)其硬度就開始急劇下降)，限制了其在苛刻條件下的應(yīng)用。在TiN涂層基礎(chǔ)上發(fā)展出的TiAlN和TiCrN超硬膜表現(xiàn)出很多優(yōu)于TiN的性能。與TiN膜層相比,TiAlN膜具有更加優(yōu)良的抗氧化性、耐磨性和更高的硬度；而TiCrN膜層則具有較低的表面粗糙度、高的熱穩(wěn)定性及耐磨性，因而TiAlN和TiCrN涂層逐漸取代TiN成為第二代涂層。

自從Veprek成功制備超硬nc-TiN/a-Si₃H₄涂層以來，多元化合物及其多層復(fù)合涂層成為硬質(zhì)涂層研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在四元化合物的復(fù)合涂層或五元化合物涂層方面，CrAlTiN、AlTiSiN和TiSiCN涂層均擁有較低的摩擦因數(shù)和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

本專利中在AlCrN基礎(chǔ)上，用多弧離子鍍方式制備AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度工具涂層。而在現(xiàn)今文獻(xiàn)中，研究AlCrTiSiN涂層的文獻(xiàn)較為少見，且研究方向集中在該涂層的力學(xué)性能和抗高溫氧化性能上，關(guān)于AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度工具涂層在中高溫下的自潤滑現(xiàn)象尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種中高溫自潤滑多弧離子鍍多元梯度工具涂層及其制備方法，使得AlCrTiSiN/AlCrN中高溫自潤滑多元梯度工具涂層在高速切削工具上得以工業(yè)化應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明提供了一種中高溫自潤滑多弧離子鍍多元梯度工具涂層，該涂層為三層梯度結(jié)構(gòu)，分別為極薄的CrN打底層、AlCrN梯度過渡層和AlCrTiSiN工作層；所述AlCrN梯度過渡層厚度為0.84～1.09μm，AlCrTiSiN工作層厚度為1.61～2.36μm；所述AlCrTiSiN工作層中含有50～70％的(Al，Cr)N固溶體以及30～50％的(Al，Ti)N固溶體。

本發(fā)明同時(shí)提供了一種上述中高溫自潤滑多弧離子鍍多元梯度工具涂層的制備方法，包括以下步驟：

(1)在真空室內(nèi)對稱位置分別放置第一電弧源、第二電弧源和第三電弧源，將Ar和N₂氣體接入真空室內(nèi)；所述第一電弧源的靶材由單質(zhì)Cr制成，純度99.99％；第二電弧源的靶材由AlCr粉末冶金制成，Al和Cr的原子百分比為70：30，AlCr靶材的純度為99.99％；第三電弧源由AlTiSi粉末冶金制成，Al、Ti和Si的原子百分比為60:30:10，AlTiSi靶材的純度為99.99％；

(2)、將拋光、清洗處理后的工件用夾具夾持住固定于真空室內(nèi)的轉(zhuǎn)架上；所述工件轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速為3rpm，真空室真空度為5.0×10^-2Pa，加熱溫度為430℃；

(3)、工件沉積鍍膜前往真空室內(nèi)通入Ar氣，加偏壓對工件表面進(jìn)行Ar離子轟擊清洗以去除表面殘留的吸附物及氧化物，關(guān)閉Ar氣；

(4)、通入N₂氣，調(diào)節(jié)N₂氣壓強(qiáng)與偏壓，升高真空室內(nèi)溫度，啟動第一電弧源用于沉積CrN打底層；所述沉積CrN打底層時(shí)N₂氣分壓為0.8Pa，偏壓200V，沉積溫度450℃，沉積時(shí)間4min；