一種梯度成分設(shè)計(jì)的納米復(fù)合刀具涂層及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種梯度成分設(shè)計(jì)的納米復(fù)合刀具涂層及其制備方法，在刀具基體表面采用物理氣相沉積技術(shù)先涂覆一層氮化鈦過(guò)渡層，然后通過(guò)弧靶電流的漸變調(diào)節(jié)，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(guò)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；本發(fā)明涂層晶粒大小5～15nm，涂層總厚度1.3～4.8μm，涂層顯微硬度25～40GPa，高溫穩(wěn)定性1100℃以上；使用本發(fā)明制成的刀具，其抗機(jī)械磨損性能和抗高溫氧化性能均有大幅度提高，可以滿足高速加工對(duì)刀具材料更好性能的需求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種梯度成分設(shè)計(jì)的納米復(fù)合刀具涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種梯度成分設(shè)計(jì)的納米復(fù)合刀具涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]采用物理或化學(xué)的氣相沉積方法在在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金、高速鋼或陶瓷刀片基體表面上鍍覆一層或多層幾個(gè)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(xué)磨損，保護(hù)刀具基體材料，提高刀具的切削加工效率。
[0003]早期利用物理氣相沉積技術(shù)制備的硬質(zhì)涂層材料，通常是簡(jiǎn)單的TiN、TiC涂層，具有較高的抗機(jī)械磨損、抗磨料磨損性能和較低的摩擦系數(shù)，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(dá)到HV3000，具有比TiN、TiCN涂層更高的抗機(jī)械磨損、抗磨料磨損性能，且涂層的應(yīng)用溫也提高到800°C以上。
[0004]雖然TiCrN、TiAlN涂層有效地提高了刀具的抗機(jī)械磨損性能，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)添加有B，Si的納米結(jié)構(gòu)TiBN、TiSiN和AlTiSiN等涂層具有高硬度和高溫抗氧化性等特點(diǎn)成為刀具涂層發(fā)展的方向之一。梯度成分過(guò)渡可以改善涂層的界面結(jié)合和韌性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]具有更高機(jī)械性能和高溫穩(wěn)定性的多層納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層材料，可以滿足進(jìn)一步提高在高強(qiáng)度材料條件下的刀具切削性能的要求。
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種采用多弧離子鍍技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具表面鍍覆梯度成分結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合涂層的配方和制備方法，使用本發(fā)明制備的涂層刀具，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。
[0007]本發(fā)明使用的刀具基體為高速鋼或硬質(zhì)合金，刀具基體表面涂層為硅含量梯度成分設(shè)計(jì)的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的鈦鋁硅氮化物硬質(zhì)涂層材料。
[0008]本發(fā)明提供的一種梯度成分設(shè)計(jì)的納米復(fù)合刀具涂層，是在刀具基體表面采用物理氣相沉積技術(shù)先涂覆一層氮化鈦過(guò)渡層，然后通過(guò)弧靶電流的漸變調(diào)節(jié)，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(guò)渡層的厚度0.1~0.3微米，梯度變化鈦鋁硅氮層I~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(guò)渡層:鈦45~55 at.%，氮55~45 at.% ；
鈦鋁硅氮涂層:鋁25~30at.%，鈦20~25at.%，硅O~1at.%，氮45~47at.% ； 鈦硅氮涂層:鈦35~40at.%，硅8~12at.%，氮48~57at.%。
[0009]涂層晶粒大小5~15 nm，涂層總厚度1.3~4.8 μ m，涂層顯微硬度25~40 GPa,高溫穩(wěn)定性1100 °c以上。
[0010]本發(fā)明還提供一種所述的梯度成分設(shè)計(jì)的納米復(fù)合刀具涂層的制備方法，包括如下步驟:
本發(fā)明涉及的刀具基體預(yù)處理工藝為:未涂層刀具經(jīng)過(guò)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。
[0011](I)將經(jīng)預(yù)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(jī)中，調(diào)節(jié)工件支架轉(zhuǎn)速為5~10 rpm，抽至本底真空2.5~3.0X 10_3Pa，同時(shí)打開(kāi)加熱器，升溫至400~500°C;打開(kāi)Ar氣流量閥，調(diào)節(jié)真空室約為0.4~0.6Pa，基體加負(fù)偏電壓600~1000 V，進(jìn)行輝光濺射清洗10~20 min ;然后降低基體負(fù)偏電壓至60~200 V,開(kāi)啟純Ti靶，調(diào)節(jié)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(kāi)N2氣流量閥，鍍膜壓力0.8~3.5 Pa溫度300~500°C條件下，沉積TiN過(guò)渡層 5 ~15 min ；
(2)根據(jù)梯度涂層結(jié)構(gòu)要求，打開(kāi)TiAl原子比50:50靶，調(diào)節(jié)弧源電流150A，沉積TiAlN層5~lOmin，再開(kāi)啟TiSi原子比80:20靶，調(diào)節(jié)電流為80A，沉積TiAlSiN層5~lOmin，在接下來(lái)的鍍膜過(guò)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(shí)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(fù)合涂層30~70min，然后關(guān)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(guān)閉TiSi原子比80:20靶，關(guān)閉偏壓電源，關(guān)閉N2氣流量閥，完成鍍膜后，刀具隨爐降溫至150~200°C后取出常溫冷卻即可。本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明通過(guò)改變涂層中的TiAl (50:50)靶和TiSi (80:20)靶的蒸發(fā)電流變化，調(diào)節(jié)涂層的梯度成分顯微結(jié)構(gòu)、顯微硬度性能，以適應(yīng)不同的加工對(duì)象和切削條件。
[0012]使用本發(fā)明制成的刀具，其抗機(jī)械磨損性能和抗高溫氧化性能均有大幅度提高，可以滿足高速加工對(duì)刀具材料更好性能的需求，有巨大的市場(chǎng)潛力和使用價(jià)值。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1本發(fā)明梯度成分設(shè)計(jì)的納米復(fù)合刀具涂層結(jié)構(gòu)示意圖。其中:
1.刀具基體2.TiN過(guò)渡層3.梯度TiAlSiN層4.TiSiN表層。
[0014]圖2本發(fā)明梯度成分設(shè)計(jì)的納米復(fù)合刀具涂層X(jué)射線衍射圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明是在硬質(zhì)合金立銑刀基體表面采用物理氣相沉積技術(shù)先涂鍍一層氮化鈦過(guò)渡層，然后再沉積硅含量梯度變化的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)鈦鋁硅氮刀具涂層，最后在表面沉積一層富硅的鈦硅氮層，涂層總厚度為1.3~4.8微米。
[0016]實(shí)施案例如下表:
【權(quán)利要求】
1.一種梯度成分設(shè)計(jì)的納米復(fù)合刀具涂層，其特征在于:在刀具基體表面采用物理氣相沉積技術(shù)先涂覆一層氮化鈦過(guò)渡層，然后通過(guò)弧靶電流的漸變調(diào)節(jié)，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化物涂層，其中氮化鈦過(guò)渡層的厚度0.1~0.3微米，梯度變化鈦鋁硅氮層I~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(guò)渡層:鈦45~55 at.%，氮55~45 at.% ； 鈦鋁硅氮涂層:鋁25~30at.%，鈦20~25at.%，硅O~1at.%，氮45~47at.% ； 鈦硅氮涂層:鈦35~40at.%，硅8~12at.%，氮48~57at.%。
2.—種權(quán)利要求1所述的梯度成分設(shè)計(jì)的納米復(fù)合刀具涂層的制備方法，其特征在于如下步驟: (1)將經(jīng)預(yù)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(jī)中，調(diào)節(jié)工件支架轉(zhuǎn)速為5~10 rpm，抽至本底真空2.5~3.0X10_3Pa，同時(shí)打開(kāi)加熱器，升溫至400~500°C;打開(kāi)Ar氣流量閥，調(diào)節(jié)真空室約為0.4~0.6Pa，基體加負(fù)偏電壓600~1000 V，進(jìn)行輝光濺射清洗10~20 min ;然后降低基體負(fù)偏電壓至60~200 V，開(kāi)啟純Ti靶，調(diào)節(jié)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(kāi)N2氣流量閥，鍍膜壓力0.8~3.5 Pa溫度300~500°C條件下，沉積TiN過(guò)渡層5~15 min ； (2)根據(jù)梯度涂層結(jié)構(gòu)要求，打開(kāi)TiAl原子比50:50靶，調(diào)節(jié)弧源電流150A，沉積TiAlN層5~lOmin，再開(kāi)啟TiSi原子比80:20靶，調(diào)節(jié)電流為80A，沉積TiAlSiN層5~lOmin，在接下來(lái)的鍍膜過(guò)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(shí)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(fù)合涂層30~70min，然后關(guān)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(guān)閉TiSi原子比80:20靶，關(guān)閉偏壓電源，關(guān)閉N2氣流量閥，完成鍍膜后，刀具隨爐降溫至150~200°C后取出常溫冷卻即可。
【文檔編號(hào)】B82Y40/00GK104131250SQ201410357899
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】王成勇, 余東海, 王啟民 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)