[發明專利]一種梯度成分設計的納米復合刀具涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201410357899.2
• 申請日: 2014-07-25
• 公開（公告）號: CN104131250A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 王成勇;余東海;王啟民
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/34;B32B9/04;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

技術領域

本發明涉及一種梯度成分設計的納米復合刀具涂層及其制備方法。

背景技術

采用物理或化學的氣相沉積方法在在強度和韌性較好的硬質合金、高速鋼或陶瓷刀片基體表面上鍍覆一層或多層幾個微米的高硬度，高耐磨性，抗高溫的金屬或非金屬的化合物涂層，以減少刀具與工件間的磨粒和化學磨損，保護刀具基體材料，提高刀具的切削加工效率。

早期利用物理氣相沉積技術制備的硬質涂層材料，通常是簡單的TiN、TiC涂層，具有較高的抗機械磨損、抗磨料磨損性能和較低的摩擦系數，但涂層的高溫抗氧化性較低，不能適用于高速加工或干切削的條件。目前有在TiN涂層中添加Cr、Al等元素形成多組元的多元涂層，如TiCrN、TiAlN涂層，顯微硬度達到HV3000，具有比TiN、TiCN涂層更高的抗機械磨損、抗磨料磨損性能，且涂層的應用溫也提高到800℃以上。

雖然TiCrN、TiAlN涂層有效地提高了刀具的抗機械磨損性能，仍不能滿足現代高速加工對刀具更好性能的要求。近來添加有B，Si的納米結構TiBN、TiSiN和AlTiSiN等涂層具有高硬度和高溫抗氧化性等特點成為刀具涂層發展的方向之一。梯度成分過渡可以改善涂層的界面結合和韌性。

發明內容

具有更高機械性能和高溫穩定性的多層納米復合結構涂層材料，可以滿足進一步提高在高強度材料條件下的刀具切削性能的要求。

本發明的目的在于提供一種采用多弧離子鍍技術在硬質合金刀具表面鍍覆梯度成分結構的納米復合涂層的配方和制備方法，使用本發明制備的涂層刀具，在現有技術的基礎上，進一步提高切削刀具的技術指標，以滿足現代化工業對更好刀具的需求。

本發明使用的刀具基體為高速鋼或硬質合金，刀具基體表面涂層為硅含量梯度成分設計的納米復合結構的鈦鋁硅氮化物硬質涂層材料。

本發明提供的一種梯度成分設計的納米復合刀具涂層，是在刀具基體表面采用物理氣相沉積技術先涂覆一層氮化鈦過渡層，然后通過弧靶電流的漸變調節，涂鍍硅含量梯度增加的鈦鋁硅氮化物涂層，最后再涂鍍一層富硅的鈦硅氮涂層，其中氮化鈦過渡層的厚度0.1～0.3微米，梯度變化鈦鋁硅氮層1～4微米，表面富硅鈦硅氮層0.2～0.5微米；

其涂層配方按原子百分比配比如下：

氮化鈦過渡層：鈦45～55?at.%，氮55～45?at.%；

鈦鋁硅氮涂層：鋁25～30at.%，鈦20～25at.%，硅0～10at.%，氮45～47at.%；

鈦硅氮涂層：鈦35～40at.%，硅8～12at.%，氮48～57at.%。

涂層晶粒大小5～15?nm，涂層總厚度1.3～4.8μm，涂層顯微硬度25～40?GPa，高溫穩定性1100?℃以上。

本發明還提供一種所述的梯度成分設計的納米復合刀具涂層的制備方法，包括如下步驟：

本發明涉及的刀具基體預處理工藝為：未涂層刀具經過金屬清洗液超聲波清洗、去離子水漂洗、干燥潔凈壓縮空氣吹干。

（1）將經預處理后的未涂層刀具均勻固定在支架上，間距大于等于10mm，裝入離子鍍膜機中，調節工件支架轉速為5～10?rpm，抽至本底真空2.5～3.0×10^-3Pa，同時打開加熱器，升溫至400～500℃；打開Ar氣流量閥，調節真空室約為0.4～0.6Pa，基體加負偏電壓600～1000?V，進行輝光濺射清洗10～20?min；然后降低基體負偏電壓至60～200?V，開啟純Ti靶，調節靶材電流為100～200A，以Ti離子高能轟擊基體3～10?min以活化基體表面；打開N₂氣流量閥，鍍膜壓力0.8～3.5?Pa溫度300～500℃條件下，沉積TiN過渡層5～15?min；

（2）根據梯度涂層結構要求，打開TiAl原子比50:50靶，調節弧源電流150A，沉積TiAlN層5～10min，再開啟TiSi原子比80:20靶，調節電流為80A，沉積TiAlSiN層5～10min，在接下來的鍍膜過程中，選擇弧靶電流漸變模式，即TiAl原子比50:50靶電流隨鍍膜時間逐漸減小到70A，TiSi原子比80:20靶電流逐漸增加到150A，沉積Si含量梯度增加的TiAlSiN梯度納米復合涂層30～70min，然后關閉TiAl原子比50:50靶，保持TiSi原子比80:20靶鍍表面富Si的TiSiN層5～25min，關閉TiSi原子比80:20靶，關閉偏壓電源，關閉N₂氣流量閥，完成鍍膜后，刀具隨爐降溫至150～200℃后取出常溫冷卻即可。?