[發(fā)明專利]一種AlCrSiON納米復(fù)合刀具涂層及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510261749.6
• 申請(qǐng)日: 2015-05-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105177498A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王啟民;王成勇;鄒長(zhǎng)偉;馮思成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/06
• 分類號(hào): C23C14/06;C23C14/32;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 廣州市南鋒專利事務(wù)所有限公司 44228
• 代理人: 劉媖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種刀具涂層及其制備方法，具體涉及一種AlCrSiON納米復(fù)合刀具涂層及其制備方法，屬于薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

表面涂層技術(shù)已經(jīng)成為切削刀具領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),對(duì)刀具性能的改善以及加工技術(shù)的進(jìn)步起到了至關(guān)重要的作用。TiN是應(yīng)用最廣泛的硬質(zhì)涂層材料，但TiN涂層一直存在高溫氧化的問(wèn)題，并且隨著材料工業(yè)的發(fā)展它的硬度也已不能滿足現(xiàn)代機(jī)械加工對(duì)刀具的要求。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(dá)到HV3000，具有比TiN涂層更高的抗機(jī)械磨損、抗磨料磨損性能，但仍不能滿足現(xiàn)代高速加工對(duì)刀具更好性能的要求。近來(lái)含Si納米復(fù)合涂層如TiSiN、AlTiSiN、AlCrSiN等涂層，由于具有高硬度和高溫抗氧化性等特點(diǎn)，而成為刀具涂層發(fā)展的方向之一。

納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層是孤立的納米晶體（如nc-TiN）鑲嵌在很薄的非晶基體（如a-Si₃N₄）中的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，納米晶具有比較高的硬度，非晶相具有高的結(jié)構(gòu)彈性，兩相界面有高的內(nèi)聚能，晶體相和非晶相在熱力學(xué)上呈分離趨勢(shì)，因此，這種涂層具有超高硬度、高韌性、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和熱硬性、高的抗氧化性等，適應(yīng)于高速加工難加工材料對(duì)刀具涂層的要求。

氧元素在納米復(fù)合氮化物涂層中通常認(rèn)為是有害的，不利于力學(xué)性能的提高。但在真空涂層過(guò)程中由于真空室不可避免地存在殘留氧氣，在涂層中會(huì)引入氧元素，過(guò)高提高真空度會(huì)提高涂層成本且不易實(shí)現(xiàn)。如果在納米復(fù)合涂層中引入氧，且仍可保證涂層有良好的性能，在刀具切削及表面防護(hù)領(lǐng)域，對(duì)低成本制備具有高硬度，低摩擦系數(shù)，優(yōu)越的抗高溫氧化及高速切削性能的納米復(fù)合涂層具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

陰極電弧離子鍍技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)上最廣泛采用的技術(shù)，具有離化率高、涂層沉積速度高、膜基結(jié)合力強(qiáng)的特點(diǎn)，利用陰極電弧離子鍍技術(shù)制備一種含有氧元素，低成本的新型CrAlSiON納米復(fù)合涂層技術(shù)還未見(jiàn)報(bào)道，在刀具切削及表面防護(hù)領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種采用多弧離子鍍技術(shù)在高速鋼或者硬質(zhì)合金刀具表面鍍覆AlCrSiON納米復(fù)合刀具涂層的配方和制備方法，本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高切削刀具的技術(shù)指標(biāo)，以滿足現(xiàn)代化工業(yè)對(duì)更好刀具的需求。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種AlCrSiON納米復(fù)合刀具涂層，由如下重量百分含量的成分組成：

Al10~31at.%，Cr20~40at.%，Si4~15at.%，O3~25at.%，N25~47at.%；各成分總和為100at.%。

所述納米復(fù)合刀具涂層的制備采用陰極電弧離子鍍技術(shù)。

本發(fā)明還提供了一種AlCrSiON納米復(fù)合刀具涂層的制備方法，包括如下步驟：

（1）將清洗干凈的硬質(zhì)合金和高速鋼刀具均勻固定于鍍膜機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)架上，調(diào)節(jié)工件支架轉(zhuǎn)速為2~12rpm，打開(kāi)加熱器，升溫至300~500℃，抽至本底真空1.0~4.0×10^-3Pa；

（2）打開(kāi)Ar氣流量閥，調(diào)節(jié)真空室壓力為0.2~0.9Pa，基體加負(fù)偏電壓400~1300V，進(jìn)行輝光濺射清洗15~35min；

（3）然后降低基體負(fù)偏電壓至100~300V，開(kāi)啟純Cr靶，調(diào)節(jié)靶材電流為40~150A，以Cr離子高能轟擊基體5~20分鐘以活化基體表面并形成Cr金屬結(jié)合層；

（4）關(guān)閉Ar氣流量閥，打開(kāi)N₂氣流量閥，調(diào)節(jié)氣壓至0.5~2.5Pa，溫度調(diào)節(jié)至300~500℃條件下，沉積CrN過(guò)渡層5~20min；

（5）通入O₂氣，并控制氣壓在0.4~3.0Pa，O₂比例在3~30%，打開(kāi)AlCrSi（60:30:10）靶，調(diào)節(jié)弧源電流50~180A沉積AlCrSiON納米復(fù)合層，沉積時(shí)間保持在60~150min；

（6）完成鍍膜后，刀具及涂層隨爐降溫至80~100℃后取出常溫冷卻。

在襯底和涂層之間有Cr金屬結(jié)合層，厚度為80~450nm左右；

在襯底和涂層之間有CrN過(guò)渡層，厚度為100~800nm左右。