專利名稱：Ti-Zr/ZrN納米多層涂層刀具及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Ti-&/ZrN納米多層涂層刀具及其制備工藝，屬于機(jī)械制造金屬切削刀具領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)刀具進(jìn)行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一。涂層刀具將刀具基體與硬質(zhì)涂層相結(jié)合，使刀具性能大大提高。TiNJrN等氮化物單涂層刀具自上世紀(jì)70年代成功應(yīng)用于切削刀具后，成為目前應(yīng)用最為廣泛的涂層刀具。然而，隨著切削加工技術(shù)的發(fā)展以及高速切削技術(shù)的推廣，氮化物單涂層相對(duì)較差的韌性和耐磨性限制了其應(yīng)用。通過(guò)制備多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層可以顯著提高硬質(zhì)涂層韌性、結(jié)合強(qiáng)度及耐磨性等綜合性能，涂層的納米多層復(fù)合結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為涂層刀具的重要發(fā)展方向。中國(guó)專利(專利號(hào)ZL 2006 1 0(^9133)報(bào)道了采用雙靶濺射技術(shù)在金屬或陶瓷基體表面交替沉積^O2層和TiN層得到^O2 /TiN多層涂層的技術(shù)，ZrO2厚度為2 8nm，TiN 層厚度為0.4 1.2 nm，涂層總厚度為2 5 ym，但是由于^O2與TiN涂層之間的內(nèi)應(yīng)力較大，導(dǎo)致涂層間的結(jié)合性能不是很理想。中國(guó)專利(專利號(hào)ZL 2010 1 0014862)報(bào)道了采用物理氣相沉積技術(shù)沉積Ti&N的復(fù)合涂層刀具，在TiN涂層中摻雜了 ττ元素以改善TiN 涂層的性能，但是TiN中容納ττ元素的能力有限，限制了復(fù)合涂層性能的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種Ti-&/ZrN納米多層涂層刀具及其制備工藝，克服上述現(xiàn)有涂層刀具內(nèi)應(yīng)力較大、涂層與刀具基體間的結(jié)合強(qiáng)度小的不足，制備工藝能方便地生產(chǎn)出Ti-ZrArN納米多層涂層刀具。本發(fā)明的目的是以如下方式實(shí)現(xiàn)的Ti-&/ZrN納米多層涂層刀具，刀具基體材料為硬質(zhì)合金或高速鋼，涂層為ττ和&Ν，刀具基體表面為ZrN高硬度涂層，刀具基體與 ZrN高硬度涂層之間有Ti過(guò)渡層，在Ti過(guò)渡層與表面ZrN高硬度涂層之間為&和ZrN交替的多層結(jié)構(gòu)。制備所述的Ti-ZrArN納米多層涂層刀具的方法是沉積方式為電弧離子鍍沉積 3(T40nm的Ti過(guò)渡層，然后交替沉積厚度為4(T50nm的&涂層和涂層，最后表面涂層為ZrN涂層，沉積時(shí)使用兩個(gè)電弧靶、一個(gè)Ti靶、一個(gè)Ir靶，具體步驟如下
a.前處理將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡雜質(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)，抽真空至7. 0X10_3Pa，加熱至300°C，保溫3(T40min ；
b.離子清洗通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開(kāi)啟偏壓電源，電壓800V，占空比0. 2，輝光放電清洗15min ；降低偏壓至200V，占空比0. 2，開(kāi)啟離子源離子清洗20min，開(kāi)啟Ti靶的電弧源，偏壓400V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶2min ；
c.沉積Ti過(guò)渡層調(diào)整Ar氣壓0.5 0. 6Pa，偏壓降至250V，沉積溫度250°C，Ti靶電流80A，電弧鍍Ti過(guò)渡層2 ;3min ；
d.沉積Zr層=Ar氣壓0.5Pa,偏壓200V,關(guān)閉Ti靶，開(kāi)啟Zr靶，Zr靶電流100A,沉積溫度200^220 0C，電弧鍍Zr層2min ；
e.沉積ZrN層Ar氣壓0.5 Pa，偏壓200V，^ 靶的靶電流80A ；開(kāi)啟N2,N2氣壓0. 8Pa， 沉積溫度20(T220°C，電弧鍍ZrN層^iin ；
f.沉積^ 層關(guān)閉N2,重復(fù)d步驟；
g.沉積ZrN層重復(fù)e步驟；
h.重復(fù)f、g步驟交替沉積Ir和ZrN涂層共SOmin；
i.沉積表面層Ar氣壓0.5Pa，偏壓200V，&靶的靶電流80 A ；開(kāi)啟N2, N2氣壓為 0. 8Pa，沉積溫度 20(T220°C，電弧鍍 ZrN 2min ；
j.后處理關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。通過(guò)上述工藝制備的Ti-ZrArN納米多層涂層刀具，刀具表面為高硬度涂層， 刀具基體與涂層間有Ti過(guò)渡層，以減小殘余應(yīng)力，增加涂層與刀具基體間的結(jié)合強(qiáng)度，在 Ti過(guò)渡層與表面ZrN涂層間為ττ和ZrN交替的多層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明Ti-ZrArN納米多層涂層刀具，含有高硬度涂層和韌性金屬^ ，可以保持較高硬度的同時(shí)提高涂層的韌性和與基體間的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高涂層的耐磨性。用這種涂層刀具進(jìn)行切削時(shí)，能夠彌補(bǔ)ZrN單涂層刀具韌性較差的缺點(diǎn)，顯著減小刀具的磨損， 延長(zhǎng)刀具使用壽命，提高涂層刀具的切削性能，該納米多層涂層刀具可應(yīng)用于各種淬硬材料的干切削加工。制備工藝容易掌握，生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定可靠。


附圖是本發(fā)明的Ti-ZrArN納米多層涂層刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
參照附圖，該刀具為普通的銑刀片，刀具基體ι材料為硬質(zhì)合金γτ 5，涂層材料為^ 和 ZrN,刀具基體1表面為ZrN高硬度涂層4，刀具基體1與ZrN高硬度涂層4之間有Ti過(guò)渡層2，在Ti過(guò)渡層2與表面ZrN高硬度涂層4之間為rLr和ZrN交替的多層結(jié)構(gòu)3。沉積方式為電弧離子鍍沉積Ti過(guò)渡層，然后交替沉積ττ涂層和涂層，最后表面涂層為ZrN涂層，沉積時(shí)使用兩個(gè)電弧靶、一個(gè)Ti靶、一個(gè)Ir靶，具體工藝步驟如下
a.前處理將硬質(zhì)合金YT15刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)，抽真空至7. OX 10_3Pa，加熱至300°C，保溫3(T40min ；
b.離子清洗通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開(kāi)啟偏壓電源，電壓800V，占空比0. 2，輝光放電清洗15min ；降低偏壓至200V，占空比0. 2，開(kāi)啟離子源離子清洗20min，開(kāi)啟Ti靶的電弧源，偏壓400V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶2min ；
c.沉積Ti過(guò)渡層調(diào)整Ar氣壓0.5 0. 6Pa，偏壓降至250V，沉積溫度250°C，Ti靶電流80A，電弧鍍Ti過(guò)渡層2 ;3min ；
d.沉積^ 層Ar氣壓0.5 Pa，偏壓200V，關(guān)閉Ti靴，開(kāi)啟&靴，Zr靶電流100A，沉積溫度20(T220°C，電弧鍍r(jià)Lr層^iin ；
e.沉積ZrN層=Ar氣壓0.5Pa，偏壓200V, Zr靶的靶電流80A ；開(kāi)啟N2, N2氣壓0. 8Pa， 沉積溫度20(T220°C，電弧鍍ZrN層^iin ；
f.沉積^ 層關(guān)閉N2,重復(fù)d步驟；
g.沉積ZrN層重復(fù)e步驟；
h.重復(fù)f、g步驟交替沉積Ir和ZrN涂層共SOmin；
i.沉積表面層Ar氣壓0.5 Pa，偏壓200 V，Zr靶的靶電流80A ；開(kāi)啟N2, N2氣壓為0. 8Pa，沉積溫度20(T220°C，電弧鍍ZrN 2min ；
j.后處理關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。實(shí)施例2
刀具為普通麻花鉆，刀具基體材料為高速鋼W18Cr4V,涂層材料為Ir和&Ν，刀具基體1 表面為ZrN高硬度涂層4，刀具基體1與ZrN高硬度涂層4之間有Ti過(guò)渡層2，在Ti過(guò)渡層2與表面ZrN高硬度涂層4之間為ττ和ZrN交替的多層結(jié)構(gòu)3。沉積方式為電弧離子鍍沉積Ti過(guò)渡層，然后交替沉積ττ涂層和涂層，最后表面涂層為ZrN涂層，沉積時(shí)使用兩個(gè)電弧靶、一個(gè)Ti靶、一個(gè)Ir靶，具體工藝步驟如下
a.前處理將麻花鉆刀具基體表面用1000號(hào)砂紙打磨，去除表面油污、銹跡雜質(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)，抽真空至7. 0X 10 ,加熱至300°C，保溫3(T40min ；
b.離子清洗通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開(kāi)啟偏壓電源，電壓800V，占空比0. 2，輝光放電清洗15min ；降低偏壓至200V/0. 2，開(kāi)啟離子源離子清洗20min，開(kāi)啟Ti靶的電弧源，偏壓400V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶2min ；
c.沉積Ti過(guò)渡層調(diào)整Ar氣壓0.5 0. 6Pa,偏壓降至250V，沉積溫度250°C，Ti靶電流80A，電弧鍍Ti過(guò)渡層2 ;3min ；
d.沉積Zr層=Ar氣壓0.5Pa,偏壓200V,關(guān)閉Ti靶，開(kāi)啟Zr靶，Zr靶電流100A,沉積溫度20(T220°C，電弧鍍?chǔ)应訉觀iin ；
e.沉積ZrN層Ar氣壓0.5 Pa，偏壓200V，^ 靶的靶電流80A ；開(kāi)啟N2,N2氣壓0. 8Pa， 沉積溫度20(T220°C，電弧鍍ZrN層^iin ；
f.沉積^ 層關(guān)閉N2,重復(fù)d步驟；
g.沉積ZrN層重復(fù)e步驟；
h.重復(fù)f、g步驟交替沉積Ir和ZrN涂層共SOmin；
i.沉積表面ZrN層Ar氣壓0.5Pa，偏壓200V，Zr靶的靶電流80A ；開(kāi)啟N2, N2氣壓為 0. 8Pa，沉積溫度 20(T220°C，電弧鍍 ZrN 2min ；
j.后處理關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種Ti-ZrArN納米多層涂層刀具，刀具基體材料為硬質(zhì)合金或高速鋼，其特征在于涂層為ττ和&Ν，刀具基體(1)表面為ZrN高硬度涂層(4)，刀具基體(1)與ZrN高硬度涂層(4)之間有Ti過(guò)渡層(2)，在Ti過(guò)渡層(2)與表面ZrN高硬度涂層(4)之間為&和 ZrN交替的多層結(jié)構(gòu)(3)。
2.一種制備權(quán)利要求1所述的Ti-&/ZrN納米多層涂層刀具的方法，其特征在于沉積方式為電弧離子鍍沉積3(T40nm的Ti過(guò)渡層，然后交替沉積厚度為4(T50nm的&涂層和ZrN涂層，最后表面涂層為ZrN涂層，沉積時(shí)使用兩個(gè)電弧靶、一個(gè)Ti靶、一個(gè)&靶，具體步驟如下a.前處理將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡雜質(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)，抽真空至7. 0X10_3Pa，加熱至300°C，保溫3(T40min ；b.離子清洗通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開(kāi)啟偏壓電源，電壓800V，占空比0. 2，輝光放電清洗15min ；降低偏壓至200V，占空比0. 2，開(kāi)啟離子源離子清洗20min，開(kāi)啟Ti靶的電弧源，偏壓400V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶2min ；c.沉積Ti過(guò)渡層調(diào)整Ar氣壓0.5 0. 6Pa,偏壓降至250V，沉積溫度250°C，Ti靶電流80A，電弧鍍Ti過(guò)渡層2 ;3min ；d.沉積Zr層=Ar氣壓0.5Pa,偏壓200V,關(guān)閉Ti靶，開(kāi)啟Zr靶，Zr靶電流100A,沉積溫度200^220 0C，電弧鍍Zr層2min ；e.沉積ZrN層=Ar氣壓0.5Pa，偏壓200V, Zr靶的靶電流80A ；開(kāi)啟N2, N2氣壓0. 8Pa， 沉積溫度20(T220°C，電弧鍍ZrN層^iin ；f.沉積^ 層關(guān)閉N2,重復(fù)d步驟；g.沉積ZrN層重復(fù)e步驟；h.重復(fù)f、g步驟交替沉積Ir和ZrN涂層共SOmin；i.沉積表面層Ar氣壓0.5Pa，偏壓200V，&靶的靶電流80 A ；開(kāi)啟N2, N2氣壓為 0. 8Pa，沉積溫度 20(T220°C，電弧鍍 ZrN 2min ；j.后處理關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
全文摘要
一種Ti-Zr/ZrN納米多層涂層刀具及其制備工藝，刀具基體材料為硬質(zhì)合金或高速鋼，刀具基體表面為ZrN高硬度涂層，刀具基體與ZrN高硬度涂層之間有Ti過(guò)渡層，在Ti過(guò)渡層與表面ZrN高硬度涂層之間為Zr和ZrN交替的多層結(jié)構(gòu)。具體工藝包括前處理、離子清洗、沉積Ti過(guò)渡層、反復(fù)沉積Zr層和ZrN層、沉積表面ZrN層的步驟。Ti-Zr/ZrN納米多層涂層刀具含有高硬度ZrN涂層和韌性金屬Zr，可以保持較高硬度的同時(shí)提高涂層的韌性和與基體間的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高涂層的耐磨性；該制備工藝容易掌握，生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定可靠。
文檔編號(hào)C23C14/06GK102181835SQ20111008200
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者姚友良, 宋文龍, 張立銀, 徐剛, 徐長(zhǎng)重, 鄧建新, 閆建峰 申請(qǐng)人:山推工程機(jī)械股份有限公司