本發(fā)明屬于機(jī)械制造金屬切削刀具領(lǐng)域，特別是涉及一種zrmocn梯度復(fù)合涂層刀具及其制備方法。

背景技術(shù)：

高速切削和干切削技術(shù)的發(fā)展，對刀具材料和刀具切削性能提出更高的要求，而對切削刀具進(jìn)行涂層是提高其性能的重要途徑。涂層刀具是在韌性較好的刀體上涂覆一層或多層耐磨性好的難熔化合物，它結(jié)合了基體高強(qiáng)度高韌性和涂層高硬度高耐磨性的優(yōu)點(diǎn)，既可實(shí)現(xiàn)刀具的高速切割和耐磨性的改善，又可提高工件的加工精度和加工質(zhì)量，是切削刀具研制的重要方向。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國家的涂層刀具使用量已占刀具總數(shù)的80％以上，數(shù)控機(jī)床上所用的刀具90％以上是涂層刀具。ticn是目前最廣泛使用的三元碳氮化合物涂層，ticn涂層由于兼具tic的高硬度和tin的良好韌性，顯著提高了其摩擦磨損性能(jinlongli,shihongzhang,mingxili.influenceofthec2h2flowrateongradientticnfilmsdepositedbymulti-arcionplating[j].appliedsurfacescience,2013(283):134-144.)，已廣泛應(yīng)用于銑削、攻牙、沖壓、成型及滾齒的加工，在高速切削時(shí)比普通硬質(zhì)合金刀具的耐磨性高5-8倍。中國專利“汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽銑刀表面ticn多層復(fù)合涂層制備工藝”(專利號201510564738.5)利用ti、氮?dú)?n2)與乙炔氣體(c2h2)在450℃沉積溫度下合成了ticn涂層銑刀，解決了26nicrmov145材料轉(zhuǎn)子加工難題。

ticn涂層雖然具有高硬度、低摩擦系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)因其熱穩(wěn)定性和紅硬性較差，僅適合應(yīng)用于低速切削或具有良好冷卻條件的場合，需要對傳統(tǒng)ticn涂層結(jié)構(gòu)和制備方法進(jìn)行改進(jìn)。目前，多元化是材料改善力學(xué)性能、耐蝕性和耐磨性的有效途徑，通過制備多元復(fù)合涂層，既可提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，又兼顧多種單涂層的綜合性能，顯著提高涂層刀具的性能。

目前ticn等碳氮化合物主要通過化學(xué)氣相沉積技術(shù)(cvd)等技術(shù)制備，即通過ticl4(或ti靶)、ch4(或c2h2)以及n2等氣體反應(yīng)生成，沉積溫度通常超過400-500℃，對基體產(chǎn)生不利影響，同時(shí)氣體碳源容易對涂層設(shè)備造成污染，制約了其廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服目前現(xiàn)有碳氮化合物涂層刀具性能及制備方法的不足，結(jié)合多元復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)提供一種zrmocn梯度復(fù)合涂層刀具及其制備方法。該刀具采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法，直接采用zrmoc復(fù)合靶提供碳源，且沉積溫度控制在300℃以下，可在更為廣泛的刀具或工具基體上制備。該涂層結(jié)構(gòu)由基體到涂層表面依次為：ti過渡層、zrmoc過渡層以及氮含量梯度漸變的zrmocn梯度復(fù)合涂層。

涂層刀具表面為氮含量梯度漸變的zrmocn梯度復(fù)合涂層，刀具基體與涂層間依次為ti過渡層和zrmoc過渡層。該梯度復(fù)合涂層刀具中的zr元素對涂層起到固溶強(qiáng)化作用，提高了涂層的強(qiáng)度和抗磨損特性，mo元素提高了涂層的硬度和強(qiáng)度，提高了涂層的紅硬性，降低了涂層的摩擦系數(shù)，可顯著提高刀具的切削壽命和加工效率。同時(shí)該多層梯度結(jié)構(gòu)能夠減緩?fù)繉优c基體之間的熱膨脹系數(shù)和彈性模量差異，改善結(jié)構(gòu)和性能上的匹配性，增大涂層與基體的結(jié)合力和涂層的耐沖擊性能。

本發(fā)明是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明zrmocn梯度復(fù)合涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、工具鋼、模具鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷或立方氮化硼中的一種，涂層刀具由內(nèi)至外依次為刀具基體、ti過渡層、zrmoc過渡層以及氮含量梯度漸變的zrmocn梯度復(fù)合涂層。

本發(fā)明所述的zrmocn梯度復(fù)合涂層刀具的制備方法，沉積方式采用非平衡磁控濺射和電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法，沉積時(shí)使用2個(gè)非平衡磁控濺射zrmoc復(fù)合靶，2個(gè)電弧鍍ti靶，首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法沉積zrmoc過渡層和氮含量梯度漸變的zrmocn梯度復(fù)合涂層，具體步驟如下：

(1)前處理：將刀具基體表面拋光，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30min，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8.0×10^-3pa，加熱至260℃，保溫30～35min；

(2)離子清洗：通ar氣，其壓力為1.2pa，開啟偏壓電源，電壓700v，占空比0.3，輝光放電清洗30min；降低偏壓至500v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗30min，開啟電弧鍍ti靶電源，ti靶電流60a，偏壓300v，占空比0.2，離子轟擊2～3min；

(3)沉積ti過渡層：ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓降至200v，ti靶電流70a，沉積溫度230℃，電弧鍍ti過渡層5～6min；

(4)沉積zrmoc過渡層：ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓調(diào)至170v，關(guān)閉電弧鍍ti靶電源，沉積溫度200℃，開啟非平衡磁控濺射zrmoc靶電流25a，沉積zrmoc過渡層5～6min；

(5)沉積zrmocn梯度復(fù)合層：開啟n2，n2氣壓為0.8pa，ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓160v，zrmoc靶電流30a，沉積溫度210℃，沉積zrmocn復(fù)合層9～10min；其它參數(shù)不變，升高n2氣壓，n2氣壓每次升高0.1pa，沉積zrmocn復(fù)合層9～10min，直至n2氣壓升至1.4pa，再沉積zrmocn復(fù)合層9～10min；

(6)后處理：關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。

通過上述工藝制備的zrmocn梯度復(fù)合涂層刀具，刀具表面為氮含量梯度漸變的zrmocn梯度復(fù)合涂層，刀具基體與涂層間依次為ti過渡層和zrmoc過渡層，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。該梯度復(fù)合涂層刀具中的zr元素對涂層起到固溶強(qiáng)化作用，提高了涂層的強(qiáng)度和抗磨損特性，mo元素提高了涂層的硬度和強(qiáng)度，提高了涂層的紅硬性，降低了涂層的摩擦系數(shù)，并能阻止涂層裂紋的擴(kuò)展，可改善傳統(tǒng)碳氮化合物涂層刀具的物理機(jī)械性能。同時(shí)該多層梯度結(jié)構(gòu)能夠減緩?fù)繉优c基體之間的熱膨脹系數(shù)和彈性模量差異，改善結(jié)構(gòu)和性能上的匹配性，增大涂層與基體的結(jié)合力和涂層的耐沖擊性能。

該zrmocn梯度復(fù)合涂層刀具具有很高的硬度和韌性，良好的抗氧化性能和摩擦磨損特性，并能阻止涂層裂紋的擴(kuò)展。切削過程中該刀具可減小干切削過程中刀具與工件之間的摩擦和粘結(jié)，降低切削力和切削溫度30％以上，提高涂層刀具抗氧化性能45％以上，延長刀具使用壽命和耐用度40％以上，該zrmocn梯度復(fù)合涂層刀具可廣泛應(yīng)用于淬硬鋼、鋁合金等難加工材料的高速、高精密連續(xù)或斷續(xù)切削加工。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的zrmocn梯度復(fù)合涂層刀具的截面示意圖；

圖中：1為刀具基體、2為ti過渡層、3為zrmoc過渡層、4為zrmocn梯度復(fù)合涂層。

具體實(shí)施方式：

下面給出本發(fā)明的二個(gè)最佳實(shí)施例：

實(shí)施例一：

本發(fā)明zrmocn梯度復(fù)合涂層刀具及其制備方法，該刀具為普通的機(jī)夾車刀片，其基體材料為：硬質(zhì)合金yw2，沉積方式采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法，沉積時(shí)使用2個(gè)非平衡磁控濺射zrmoc復(fù)合靶，2個(gè)電弧鍍ti靶。首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法沉積zrmoc過渡層和氮含量梯度漸變的zrmocn梯度復(fù)合涂層，具體步驟如下：

(1)前處理：將刀具基體表面拋光，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30min，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8.0×10^-3pa，加熱至260℃，保溫30min；

(2)離子清洗：通ar氣，其壓力為1.2pa，開啟偏壓電源，電壓700v，占空比0.3，輝光放電清洗30min；降低偏壓至500v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗30min，開啟電弧鍍ti靶電源，ti靶電流60a，偏壓300v，占空比0.2，離子轟擊2min；

(3)沉積ti過渡層：ar氣壓0.7pa，偏壓降至200v，ti靶電流70a，沉積溫度230℃，電弧鍍ti過渡層5min；

(4)沉積zrmoc過渡層：ar氣壓0.7pa，偏壓調(diào)至170v，關(guān)閉電弧鍍ti靶電源，沉積溫度200℃，開啟非平衡磁控濺射zrmoc靶電流25a，沉積zrmoc過渡層5min；

(5)沉積zrmocn梯度復(fù)合層：開啟n2，n2氣壓為0.8pa，ar氣壓0.7pa，偏壓160v，zrmoc靶電流30a，沉積溫度210℃，沉積zrmocn復(fù)合層9min；其它參數(shù)不變，升高n2氣壓，n2氣壓每次升高0.1pa，沉積zrmocn復(fù)合層9min，直至n2氣壓升至1.4pa，再沉積zrmocn復(fù)合層9min；

(6)后處理：關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。

實(shí)施例二：

本發(fā)明zrmocn梯度復(fù)合涂層刀具及其制備方法，該刀具為普通麻花鉆頭，其刀具基體材料為：高速鋼w18cr4v，沉積方式采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法，沉積時(shí)使用2個(gè)非平衡磁控濺射zrmoc復(fù)合靶，2個(gè)電弧鍍ti靶。首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法沉積zrmoc過渡層和氮含量梯度漸變的zrmocn梯度復(fù)合涂層，具體步驟如下：

(1)前處理：將刀具基體表面拋光，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30min，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8.0×10^-3pa，加熱至260℃，保溫35min；

(2)離子清洗：通ar氣，其壓力為1.2pa，開啟偏壓電源，電壓700v，占空比0.3，輝光放電清洗30min；降低偏壓至500v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗30min，開啟電弧鍍ti靶電源，ti靶電流60a，偏壓300v，占空比0.2，離子轟擊3min；

(3)沉積ti過渡層：ar氣壓0.8pa，偏壓降至200v，ti靶電流70a，沉積溫度230℃，電弧鍍ti過渡層6min；

(4)沉積zrmoc過渡層：ar氣壓0.8pa，偏壓調(diào)至170v，關(guān)閉電弧鍍ti靶電源，沉積溫度200℃，開啟非平衡磁控濺射zrmoc靶電流25a，沉積zrmoc過渡層6min；

(5)沉積zrmocn梯度復(fù)合層：開啟n2，n2氣壓為0.8pa，ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓160v，zrmoc靶電流30a，沉積溫度210℃，沉積zrmocn復(fù)合層10min；其它參數(shù)不變，升高n2氣壓，n2氣壓每次升高0.1pa，沉積zrmocn復(fù)合層10min，直至n2氣壓升至1.4pa，再沉積zrmocn復(fù)合層10min；

(6)后處理：關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。