[發明專利]一種硬質合金刀片的AlCrNbSiTiBN基納米復合涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 202010147221.7
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111321381B
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 楊兵;劉琰;李敬雨;陳燕鳴;郭嘉琳
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/06;C23C14/02;C23C14/50
• 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: 楊宏偉

本發明公開了一種硬質合金刀片的AlCrNbSiTiBN基納米復合涂層及其制備方法。高熵合金氮化物涂層采用梯度層結構，由結合層、過渡層和耐磨耐溫層構成。結合層為電弧離子鍍方法制備的純CrN層，過渡層為CrN/AlCrTiSiYN納米復多層膜，耐溫耐磨層為AlCrNbSiTiBN/AlCrTiSiYN高熵合金氮化物納米復合多層膜。其制備方法是：對經過清洗的硬質合金刀片進行離子刻蝕，然后采用電弧離子鍍方法依次沉積CrN結合層、CrN/AlCrTiSiYN過渡層和AlCrNbSiTiBN/AlCrTiSiYN耐磨耐溫層。涂層為多種涂層材料的組合，具有梯度結構，可以降低涂層和基體的應力。此外納米多層結構的采用可以大幅度提高涂層的韌性，較好克服涂層硬質合金刀片容易崩刃的缺點，大幅度提高硬質合金刀片的加工壽命和切削適應性。

技術領域

本發明屬于薄膜材料技術領域，涉及一種刀片涂層，具體涉及一種硬質合金刀片的AlCrNbSiTiBN基納米復合涂層及其制備方法。

背景技術

數控加工是指在數控機床上進行零件加工的一種工藝方法，數控機床加工與傳統機床加工的工藝規程從總體上說是一致的，但也發生了明顯的變化。它是解決零件品種多變、批量小、形狀復雜、精度高等問題和實現高效化和自動化加工的有效途徑。數控刀片是可轉位車削刀片的總稱，在現代金屬切削應用領域中具有重要的地位，目前主要應用于金屬的車削、銑削切斷等領域。數控刀片材料繁多，可分為涂層刀片、金屬陶瓷刀片、非金屬陶瓷刀片、硬質合金刀片等。和最初的高速鋼刀片相比，數控刀片特點是高效率、高耐磨，壽命長，加工效率提高4倍以上。硬質合金刀片是數控刀片中用量最大的刀片材料，硬質合金具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優良性能。硬質合金是采用優質碳化鎢+金屬粉料經配方配比混合后通過壓制燒結制成，作為現代工業的牙齒，數控硬質合金刀片對制造業的發展起著基礎性的推動作用。

當硬質合金刀片加工鑄鐵等高硬度材料時，經常會由于鑄鐵中的高硬度碳化物導致刀片迅速磨損。為了提高刀片的切削壽命，刀片表面采用物理氣相沉積技術(PVD)制備高硬度涂層是常用的技術手段。通過表面PVD涂層材料的制備可以大幅度提高刀片的表面硬度，使涂層刀片具有硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、不與工件材料發生化學反應，從而減少了基體的磨損。因此涂層刀片具有表面硬度高、耐磨性好、摩擦系數小和熱導率低等特性，切削時可比未涂層刀片壽命提高3～5倍以上。工藝最成熟和應用最廣泛的硬質涂層材料是TiN，但TiN與基體結合強度不及TiC涂層，涂層易剝落，且硬度也不如TiC高，在切削溫度較高時膜層易氧化而被燒蝕。TiC涂層有較高的硬度與耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐沖擊。TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優點，它在涂覆過程中可通過連續改變C、N的成份控制TiCN性質，并形成不同成份的多層結構，可降低涂層的內應力，提高韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴展，減少崩刃，但耐溫性能較差。新型耐溫耐磨低導熱涂層材料的研制具有極其重要的價值。

2004年，臺灣學者葉均蔚教授突破合金設計的傳統觀念，創新性地提出多主元高熵合金(high-entropy alloy，HEA)概念，被譽為近幾十年來合金化理論的三大突破之一。在高熵合金中沒有主要元素和次要元素的區別，最佳組成元素個數為5-13之間，每種元素的含量均介于5％-35％之間。根據玻爾茲曼假設，如果合金(固溶體)中有w種原子混合，則其摩爾混合熵ΔS＝Rlnw。當w越大時，混合熵就越高。根據吉布斯自由能與混合熵的關系ΔG_mix＝ΔH_mix-TΔS_mix，熵的增加會大大降低吉布斯自由能，而吉布斯自由能更低的結構在凝固時將會優先形成。高熵合金中的高熵效應會導致系統自由能的降低，在凝固過程中將優先形成體心立方結構(BCC)和面心立方結構(FCC)等高熵固溶體，而不會形成脆性金屬間化合物。合金材料按照混合熵可分為低熵合金、中熵合金以及高熵合金。由于高熵合金具有熱力學上的高熵效應、結晶學方面的晶格畸變效應、動力學上的遲緩擴散效應以及性能上的雞尾酒效應。因而使其具有高強度、高耐磨性、高耐腐蝕性等優異性能而受到國內外的廣泛關注。