一种AlCrSiN基多层纳米复合刀具涂层及其制备方法

　　一种AlCrSiN基多层纳米复合刀具涂层及其制备方法

　　【技术领域】

　　[0001]本发明涉及一种刀具涂层制备方法，具体涉及一种AlCrSiN基多层纳米复合刀具涂层及其制备方法，属于刀具涂层制备技术领域。

　　【背景技术】

　　[0002]作为数控加工技术关键的刀具，其性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。涂层刀具的出现，更进一步的改善了高速切削性能，它将具有高强度和良好韧性的基体与高耐磨的硬质薄膜表层相结合，对刀具的切削性能的改善和加工技术的进步起到了非常重要的作用，提高了加工精度和加工效率，延长了刀具使用寿命，并且保证了加工工件的表面质量，降低了成本。

　　[0003]高性能涂层刀具已经得到了广泛的应用，是高速切削加工中重要的环节之一。MeSiN纳米复合涂层通过在传统的TiN或者CrN等单相涂层中加入一定含量的Si元素，发生热力学上的调幅分解，生成由非晶原子层(Si3N4)包覆纳米晶过渡金属氮化物(TiN，CrN等)的纳米复合结构，由于纳米晶体的强化效应及非晶层限制晶粒的滑移和转动对纳米晶晶界的强化作用，涂层表现出传统硬质涂层难以达到的高硬度，而且涂层高温下的组织稳定性、热硬性和抗氧化性等性能也大幅度提高，从而能适应高速切削条件下对涂层性能的苛刻要求。但MeSiN纳米复合涂层的推广和应用还存在着大量的有待解决的问题，比如膜基结合力差及钢材切削性能的进一步提高、内应力的减小等。

　　[0004]电弧离子镀是现阶段制备刀具涂层的主流技术，具有离化率高、适合工业化大面积生产的优点，在负偏压加速下，沉积膜层结合力好，组织致密，沉积速率高，目前已被广泛用于刀具切削硬质耐磨涂层和高温防护涂层，但大颗粒污染影响涂层性能，特别是涂层结合力。高功率脉冲磁控溅射技术(HIPMS)是近年来发展起来的一种高离化率PVD技术，该技术综合了磁控溅射表面光滑、无颗粒缺陷和电弧离子镀离化率高、膜基结合力强、涂层致密的优点，且离子束流不含大颗粒，在控制涂层微结构的同时获得优异的膜基结合力，在降低涂层内应力，以及提高涂层致密性、均匀性方面有显著的优势。

　　[0005]利用电弧离子镀复合高功率脉冲磁控溅射技术制备AlCrSiN基层纳米复合刀具涂层的方法，还未见报道，沉积有该AlCrSiN基涂层的硬质合金刀具非常适用于高速条件下的高硬度钢材料切削加工。

　　【发明内容】

　　[0006]本发明的目的是一种具有良好工艺重复性，容易实现工业化生产的优质AlCrSiN基多层纳米复合刀具涂层及制备工艺，该AlCrSiN基涂层具有的结构体系使其具有硬度高、摩擦系数低、内应力低、结合强度高、高温稳定性好的特点，沉积涂层刀具适用于高速条件下的高硬度钢材料切削加工。

　　[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:

　　一种AlCrSiN基切削刀具涂层，该涂层包含结合层、过渡层和主耐磨层；所述结合层附着在WC-Co硬质合金或高速钢刀具基体上，为厚度0.1~1微米厚的Ti金属层；所述过渡层AlTiN涂层由高功率脉冲磁控溅射技术制备，附着在结合层上，为0.5~2微米的AlTiN涂层；所述AlCrSiN主耐磨层采用电弧离子镀技术制备，附着在过渡层上，厚度为1~5微米。

　　[0008]其中，过渡层与主耐磨层的涂层配方如下:

　　铝钛氮层:铝 29~35at.%，钛 15~20at.%，氮 47-51 at.% ；

　　铝铬硅氮层:铝 25-30 at.%，铬 20~25 at.%，硅 1-10 at.%，氮 45~50at.% ；

　　用本配方制成的铬铝硅氮化物多层涂层，其各成分总和应为100 at.%。

　　[0009]本发明还提供了一种AlCrSiN基多层纳米复合刀具涂层的制备方法，包括如下步骤:

　　(1)将经预处理后的高速钢或硬质合金刀具均匀固定在炉体内的工件架上，调节工件支架转速为3~10 rpm，抽至本底真空1X10_3~3.0X10_3 Pa，同时打开加热器，升温至300-500 0C ；

　　(2)打开Ar气流量阀，调节真空室约为0.3~0.8 Pa，基体加负偏电压700~1300 V，进行辉光派射清洗10~30 min ；

　　(3)然后降低基体负偏电压至100~200V，开启电弧离子镀纯Ti靶，调节靶材电流为80-200 A，以Ti离子高能轰击基体3~10分钟以活化基体表面并形成金属结合层；

　　(4)关闭纯Ti电弧靶，打开队气流量阀，并通入Ar，控制总气压在0.6~1.2 Pa, Ar/N 2比例在4:1~1:2，温度300~500°C条件下，开启高功率脉冲磁控溅射HIPMS AlTi (67:33)靶，控制靶电压500~1500 V，靶平均电流0.4-3 A，脉冲宽度80~400微秒，沉积AlTiN过渡层 15-40 min ；

　　(5)然后关闭HIPMSTiAl靶，关闭Ar气，控制气压在0.8~4.0 Pa，开启AlCrSi(60:30:10)电弧靶，控制靶电流在60~130 A，制备AlCrSiN纳米复合层80~150 min，关闭AlCrSi靶，关闭偏压电源，关闭队气流量阀，完成镀膜后，刀具随炉降温至常温后取出。

　　[0010]本发明的有益效果是:

　　1.普通的AlCrSiN涂层由于与刀具涂层晶格参数差距大，存在较大的内应力，本发明采用高功率脉冲磁控溅射技术制备AlTiN过渡层，可以有效减小内应力，提高涂层结合强度和在切削过程中对冲击的抵抗能力；

　　2.实验测试表明，该AlCrSiN基涂层体系具有超过80N的结合力，30-45 GPa的硬度，低达0.4的摩擦系数；

　　3.切削实验表明涂层刀具寿命可提高5倍以上；

　　4.使用本发明制成的刀具，其抗机械磨损性能和抗高温氧化性能均有大幅度提高，可以满足高速加工对刀具材料更好性能的需求，有巨大的市场潜力和使用价值。

　　【附图说明】

　　[0011]图1 AlCrSiN多层纳米复合涂层的结构示意图；

　　图中I为硬质合金基体，2为Ti金属结合层，3为AlTiN过渡层，4为AlCrSiN主耐磨层；

　　图2 AlCrSiN涂层的X射线衍射图像。

　　【具体实施方式】

　　[0012]下面通过实例对本发明做进一步详细说明，这些实例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。

　　[0013]实施例1

　　一种AlCrSiN基切削刀具涂层，该涂层包含结合层、过渡层和主耐磨层；所述结合层附着在WC-Co硬质合金或高速钢刀具基体上，为厚度0.1~1微米厚的Ti金属层；所述过渡层AlTiN涂层由高功率脉冲磁控溅射技术制备，附着在结合层上，为0.5~2微米的AlTiN涂层；所述AlCrSiN主耐磨层采用电弧离子镀技术制备，附着在过渡层上，厚度为1~5微米；其中，过渡层与主耐磨层的涂层配方如下:

　　铝钛氮层:铝 29at.%，钛 20at.%，氮 51 at.% ；

　　铝铬硅氮层:铝 25 at.%，铬 20 at.%，硅 5at.%，氮 50at.% ；

　　用本配方制成的铬铝硅氮化物多层涂层，其各成分总和应为100 at.%;

　　一种AlCrSiN基多层纳米复合刀具涂层的制备方法，包括如下步骤:

　　用酒精和丙酮清洗硬质合金刀片，用气枪吹干后置于腔体内的基片架上，调节工件支架转速为3~10 rpm，抽至本底真空1X10_3 ~3.0X10_3 Pa，同时打开加热器，升温至300-5000C ;打开Ar气流量阀，调节真空室约为0.3~0.8 Pa，基体加负偏电压700~1300 V，进行辉光溅射清洗10~30 min ;然后降低基体负偏电压至100~200 V，开启纯Ti靶，调节靶材电流为80~200 A，以Ti离子高能轰击基体3~10分钟以活化基体表面；关闭纯Ti电弧靶，打开队气流量阀，并通入Ar，控制总气压在0.6-1.2 Pa，Ar/N 2比例在4:1-1: 2，温度300~500°C条件下，开启高功率脉冲磁控溅射(HIPMS) AlTi (67:33)靶，控制靶电压500-1500 V，革巴平均电流0.4-3 A，脉冲宽度80-400微秒，沉积AlTiN过渡层15-40 min ；然后关闭HIPMS AlTi (67:33)靶，关闭Ar气，控制气压在0.8~4.0 Pa，开启AlCrSi(60:30:10)电弧靶，控制靶电流在60~130 A，制备AlCrSiN纳米复合层80~150 min，关闭AlCrSi靶，关闭偏压电源，关闭队气流量阀，完成镀膜后，刀具随炉降温至常温后取出。

　　[0014]图1为该工艺参数制备的AlCrSiN纳米多层复合涂层的结构示意图:1为硬质合金基体，2为Ti金属结合层，3为AlTiN过渡层，4为AlCrSiN主耐磨层。涂层显微硬度30~45GPa，结合力大于80N，针盘摩擦磨损试验中摩擦系数约0.4。把涂层沉积于硬质合金立铣刀上进行切削试验对比，切削条件为:工件材料SKD1UHRC55)，切削速度200m/min，进给率0.02mm/tooth,切深0.1mm,涂层刀具寿命提高5倍以上。

　　[0015]实施例2

　　一种AlCrSiN基切削刀具涂层，该涂层包含结合层、过渡层和主耐磨层；所述结合层附着在WC-Co硬质合金或高速钢刀具基体上，为厚度0.1~1微米厚的Ti金属层；所述过渡层AlTiN涂层由高功率脉冲磁控溅射技术制备，附着在结合层上，为0.5~2微米的AlTiN涂层；所述AlCrSiN主耐磨层采用电弧离子镀技术制备，附着在过渡层上，厚度为1~5微米；其中，过渡层与主耐磨层的涂层配方如下:

　　铝钛氮层:铝 35at.%，钛 18at.%，氮 47at.% ；

　　铝铬硅氮层:铝 30 at.%，铬 20at.%，硅 5 at.%，氮 45at.% ；

　　用本配方制成的铬铝硅氮化物多层涂层，其各成分总和应为100 at.%;