[發(fā)明專利]一種納米多層結(jié)構(gòu)過渡金屬氮化物涂層及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110533732.7
• 申請日: 2021-05-17
• 公開（公告）號: CN113416926A
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張權(quán);劉國躍;賈寓真;歐陽志勇;薛寒
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南泰嘉新材料科技股份有限公司
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/32;B23C5/00
• 代理公司: 長沙正奇專利事務(wù)所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強;聶午陽

本發(fā)明涉及納米多層結(jié)構(gòu)過渡金屬氮化物涂層及其制備方法和應(yīng)用。一種納米多層結(jié)構(gòu)過渡金屬氮化物涂層，包括沉積于滾銑刀基體表面的氮化物結(jié)合層，所述氮化物結(jié)合層的表面沉積納米多層氮化物功能層；所述納米多層氮化物功能層包括TiAlN調(diào)制層，還包括Cr(Al)N調(diào)制層，由TiAlN調(diào)制層、Cr(Al)N調(diào)制層交替堆疊沉積制得。本發(fā)明通過涂層材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計使納米多層結(jié)構(gòu)過渡金屬氮化物涂層的不同調(diào)制層形成共格或者半共格界面，涂層硬度、韌性、膜基結(jié)合力、耐磨減摩與高溫性能均得到提升，主要用于雙金屬帶鋸條的銑齒加工領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及雙金屬帶鋸條銑齒用滾銑刀涂層材料制備領(lǐng)域，具體而言，涉及一種納米多層結(jié)構(gòu)過渡金屬氮化物涂層及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

高檔數(shù)控機床與機器人、航空航天裝備、先進軌道交通設(shè)備、節(jié)能與新能源汽車的生產(chǎn)制造過程均涉及多種難加工材料的運用與高效切削。下料幾乎是機械制造業(yè)中所有金屬原材料面臨的第一道工序，而鋸切則是一種常用的下料方式。1933年美國杜爾公司發(fā)明了帶鋸床與帶鋸條，引領(lǐng)了鋸切加工領(lǐng)域的效率革命。1964年，杜爾公司又成功研發(fā)出雙金屬帶鋸條，與單金屬帶鋸條以及傳統(tǒng)的弓形往復(fù)鋸與圓盤鋸相比，具有切削效率高、節(jié)材節(jié)能以及成本可控等優(yōu)勢，受到制造業(yè)的廣泛關(guān)注，因此逐步取代其他切削工具，在金屬原材料下料領(lǐng)域中廣泛使用。

由于雙金屬帶鋸條的切削加工對象十分廣泛，幾乎涵蓋所有金屬以及木材、高分子聚合物與橡膠等非金屬材料，并且被加工材料的形狀與尺寸差異較大，因此工業(yè)界與學術(shù)界經(jīng)過多年研究，為滿足不同形狀、尺寸的被加工材料的鋸切需求，開發(fā)出多種鋸齒齒形。目前雙金屬帶鋸條的齒形加工主要采用銑齒工藝，通過安裝銑床上的滾銑刀對復(fù)合鋼帶進行成形加工，但在銑齒過程中滾銑刀容易發(fā)生快速磨損。為了保證齒形的成形精度與質(zhì)量，滾銑刀需要進行定期修磨。通過物理氣相沉積(PVD)制備的硬質(zhì)涂層作為化學屏障和熱屏障，可以有效避免切削過程中刀具與被加工材料間的元素擴散和化學反應(yīng)，同時PVD硬質(zhì)涂層又具備高硬度，高耐磨性以及低摩擦系數(shù)等優(yōu)點，從而顯著減少刀具磨損，提升服役壽命和切削效率。通過選擇合適的涂層材料，可以有效降低刀具的磨損，獲得優(yōu)異的加工精度與表面質(zhì)量，延長刀具服役壽命以及提高加工效率。

目前工業(yè)界與學術(shù)界對于雙金屬帶鋸條的研究主要集中在鋸切過程中帶鋸條的振動、磨損機理、齒形設(shè)計以及銑齒、分齒與熱處理等制造工藝對鋸切性能的影響。滾銑刀作為銑齒加工中的重要切削工具，直接影響雙金屬帶鋸條的齒形精度與使用壽命。銑齒作為典型的斷續(xù)切削工況，滾銑刀在銑齒過程中受到周期性機械沖擊載荷與熱沖擊載荷的共同作用，導(dǎo)致滾銑刀的刃口處發(fā)生磨損甚至產(chǎn)生裂紋擴散導(dǎo)致斷齒失效。通過PVD硬質(zhì)涂層材料成分與微結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究，制備出兼具高硬度與強韌性的涂層材料，提升滾銑刀的抗磨損性能，有望實現(xiàn)雙金屬帶鋸條齒銑齒加工質(zhì)量、成本與效率的協(xié)同改善。

申請?zhí)枮?01810401123.4的中國專利公開了一種周期性多層納米結(jié)構(gòu) AlTiN/AlCrSiN硬質(zhì)涂層及其制備方法和應(yīng)用，制備時先沉積AlTi結(jié)合層，活化金屬基體，再沉積約1μm厚的AlTiN過渡層，為多層結(jié)構(gòu)提供支撐；最后沉積AlTiN/AlCrSiN功能層。多層結(jié)構(gòu)中，AlCrSiN層以AlTiN層為模板，通過共格生長表現(xiàn)為面心立方結(jié)構(gòu)。AlCrSiN層由AlCrN和非晶Si₃N₄組成，形成非晶Si₃N₄包覆AlCrN納米晶的復(fù)合結(jié)構(gòu)。納米晶體的強化效應(yīng)及非晶區(qū)域限制了晶粒的滑移和轉(zhuǎn)動，對納米晶的晶界起到強化作用，同時AlTiN/AlCrSiN納米多層結(jié)構(gòu)細化了柱狀晶尺寸，提升涂層的力學與耐磨減摩性能。該專利采用恒定偏壓沉積AlTiN結(jié)合層與AlTiN/AlCrSiN功能層，主要應(yīng)用于硬質(zhì)合金材質(zhì)的切削刀具領(lǐng)域，但是相同工藝條件下制備出的刀具涂層在硬質(zhì)合金基體上的膜基結(jié)合強度與在高速鋼基體具有顯著差異，本申請的雙金屬帶鋸條銑齒用滾銑刀的材質(zhì)為粉末冶金高速鋼，因此，亟需開發(fā)一種適用于雙金屬帶鋸條銑齒用滾銑刀的高性能氮化物涂層。

發(fā)明內(nèi)容