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crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具及其制備工藝。
背景技術(shù)：
當(dāng)代切削加工技術(shù)的快速發(fā)展對刀具的材料和性能提出了更高的要求，干式、高速切削成為刀具切削發(fā)展的方向。在刀具表面沉積硬質(zhì)薄膜成為改善和提高刀具使用性能的重要途徑。ticn是目前最廣泛使用的三元碳氮化合物硬質(zhì)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、氮氣(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，但同時因其熱穩(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)和制備工藝進(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℃，對基體產(chǎn)生不利影響，同時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。
層狀復(fù)合材料是近幾年發(fā)展起來的材料增強(qiáng)增韌新技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)是通過模仿貝殼而來，因此又叫仿生疊層復(fù)合材料。自然界中貝殼的珍珠層是一種天然的層狀結(jié)構(gòu)材料，其斷裂韌性卻比普通單一均質(zhì)結(jié)構(gòu)高出3000倍以上。因此，通過模仿生物材料結(jié)構(gòu)形式的層間設(shè)計，制備出的疊層復(fù)合涂層可以提高目前碳氮化合物涂層的韌性、穩(wěn)定性及減摩耐磨性等綜合性能。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對目前現(xiàn)有碳氮化合物涂層刀具性能及制備方法的不足，結(jié)合層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)點提供一種crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具及其制備工藝。
本發(fā)明所述的crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具，包括刀具基體，在刀具基體表面沉積有涂層，所述涂層從內(nèi)到外依次為：cr過渡層、crnbc涂層與crnbcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)，最外層為crnbcn涂層；
其中：刀具基體材料為高速鋼、工具鋼、模具鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石、立方氮化硼。
本發(fā)明所述的crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具的制備工藝，沉積方式為采用中頻磁控濺射+電弧離子鍍復(fù)合鍍膜方法，沉積時使用2個中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶，2個電弧離子鍍cr靶：首先采用電弧離子鍍沉積cr過渡層，然后采用中頻磁控濺射方法交替沉積crnbc涂層與crnbcn涂層，最外層為crnbcn涂層。
所述中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶中包含重量分?jǐn)?shù)為65-80wt％的cr、10-20wt％的nb和10-15wt％的c，所述中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶采用真空熱壓法制備，具體包括以下步驟：
(1)將重量配比好的粉末純度均為99.9％的cr、nb和c的粉末混勻并裝入模具，然后將裝有粉末的模具置于真空熱壓爐；
(2)首先快速升溫，并在升溫開始施加初始壓力10～35mpa，然后慢速升溫至800～1200℃，保溫，混合粉經(jīng)熱壓燒結(jié)后成型得樣品；
(3)燒結(jié)結(jié)束后樣品隨爐冷卻降溫至80℃以下后出爐得中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶。
所述crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具的制備工藝，具體包括以下步驟：
(1)對刀具基體表面預(yù)處理：首先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40min，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7.0×10-3pa，加熱至270℃，保溫50min；
(2)對刀具基體表面離子清洗：通ar氣，調(diào)其壓力為1.5pa，開啟偏壓電源，電壓500v，占空比0.3，輝光放電清洗50min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗45min，開啟電弧離子鍍cr靶電源，cr靶電流65a，偏壓300v，占空比0.2，離子轟擊2～3min；
(3)采用電弧離子鍍在刀具基體表面沉積cr過渡層：調(diào)ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓降至150v，電弧離子鍍cr靶電流75a，沉積溫度170℃，沉積cr過渡層5～6min；
(4)采用中頻磁控濺射在cr過渡層上沉積crnbc涂層：關(guān)閉電弧離子鍍cr靶電源，ar氣壓0.9～1.0pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度150℃，開啟中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶電流35a，沉積crnbc涂層2～3min；
(5)采用中頻磁控濺射在crnbc涂層上沉積crnbcn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.4pa，ar氣壓0.9～1.0pa，偏壓150v，開啟中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶電流30a，沉積溫度150℃，復(fù)合沉積crnbcn涂層2～3min，沉積完成關(guān)閉n2；
(6)采用中頻磁控濺射在crnbcn涂層上沉積crnbc涂層：調(diào)ar氣壓0.9～1.0pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度150℃，開啟中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶電流35a，沉積crnbc涂層2～3min；
(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)……(6)、(5)，交替沉積crnbcn涂層、crnbc涂層、crnbc涂層……crnbc涂層、crnbcn涂層，共沉積80min：
(8)后處理：關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
本發(fā)明所述的crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具，在刀具基體表面沉積有涂層，所述涂層從內(nèi)到外依次為：cr過渡層、crnbc涂層與crnbcn涂層交替的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)，最外層為crnbcn涂層。刀具基體上的cr過渡層主要作用是減緩因涂層成分突變造成的層間應(yīng)力，提高了涂層與刀具基體間的結(jié)合性能，涂層中的cr元素對涂層起到固溶強(qiáng)化作用，改善涂層的抗氧化性能，nb元素提高了涂層的硬度、強(qiáng)度和抗壓、耐磨、耐蝕性能，涂層中的c元素降低了涂層表面的摩擦系數(shù)，使涂層具備優(yōu)異的減摩潤滑及耐摩擦磨損性能。同時該疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的層間界面可阻止涂層柱狀晶的生長，阻礙裂紋和缺陷的擴(kuò)展，提高涂層的硬度、韌性和耐沖擊性。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果。
本發(fā)明采用中頻磁控濺射+電弧離子鍍的復(fù)合鍍膜方法，直接采用中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶作碳源，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。本發(fā)明所制備的crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具綜合了crnbc碳化物涂層、crnbcn碳氮化合物涂層及疊層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，可提高涂層的硬度和強(qiáng)度，改善涂層的抗氧化性能，降低涂層的摩擦系數(shù)，減少切屑瘤的產(chǎn)生，具有很好的抗熱變形能力和耐切深處磨損能力，并能防止細(xì)微崩碎，保證工件表面加工質(zhì)量。相比傳統(tǒng)ticn等涂層刀具，所制備的crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具可提高切削速度80％以上，降低切削力和切削溫度30％以上，提高涂層使用壽命100％以上，可廣泛應(yīng)用于軸承鋼、熱扎和冷撥工具鋼、高速鋼、模具鋼、表面淬硬鋼，滲碳和滲氮硬化鐵，以及其它表面硬化的工件材料。
附圖說明
圖1、本發(fā)明的crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1、刀具基體2、cr過渡層3、crnbc涂層4、crnbcn涂層5、crnbc涂層與crnbcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
下面給出本發(fā)明的二個最佳實施例：
實施例1
本實施例所述的crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具，該刀具為普通的鏜刀片，其基體材料為：硬質(zhì)合金p20，在刀具基體表面沉積有涂層，所述涂層從內(nèi)到外依次為：cr過渡層、crnbc涂層與crnbcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)，最外層為crnbcn涂層。
本實施例所述的crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具的制備工藝，沉積方式為采用中頻磁控濺射+電弧離子鍍復(fù)合鍍膜方法，沉積時使用2個中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶，2個電弧離子鍍cr靶：首先采用電弧離子鍍沉積cr過渡層，然后采用中頻磁控濺射方法交替沉積crnbc涂層與crnbcn涂層，最外層為crnbcn涂層。
所述中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶中包含重量分?jǐn)?shù)為65wt％的cr、20wt％的nb和15wt％的c。
本實施例所述crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具的制備工藝，具體包括以下步驟：
(1)對刀具基體表面預(yù)處理：首先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40min，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7.0×10-3pa，加熱至270℃，保溫50min；
(2)對刀具基體表面離子清洗：通ar氣，調(diào)其壓力為1.5pa，開啟偏壓電源，電壓500v，占空比0.3，輝光放電清洗50min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗45min，開啟電弧離子鍍cr靶電源，cr靶電流65a，偏壓300v，占空比0.2，離子轟擊2～3min；
(3)采用電弧離子鍍在刀具基體表面沉積cr過渡層：調(diào)ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓降至150v，電弧離子鍍cr靶電流75a，沉積溫度170℃，沉積cr過渡層5～6min；
(4)采用中頻磁控濺射在cr過渡層上沉積crnbc涂層：關(guān)閉電弧離子鍍cr靶電源，ar氣壓0.9～1.0pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度150℃，開啟中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶電流35a，沉積crnbc涂層2～3min；
(5)采用中頻磁控濺射在crnbc涂層上沉積crnbcn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.4pa，ar氣壓0.9～1.0pa，偏壓150v，開啟中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶電流30a，沉積溫度150℃，復(fù)合沉積crnbcn涂層2～3min，沉積完成關(guān)閉n2；
(6)采用中頻磁控濺射在crnbcn涂層上沉積crnbc涂層：調(diào)ar氣壓0.9～1.0pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度150℃，開啟中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶電流35a，沉積crnbc涂層2～3min；
(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)……(6)、(5)，交替沉積crnbcn涂層、crnbc涂層、crnbc涂層……crnbc涂層、crnbcn涂層，共沉積80min：
(1)后處理：關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
實施例2
本實施例所述的crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具，該刀具為普通機(jī)夾銑刀，其刀具基體材料為：高速鋼w18cr4v，在刀具基體表面沉積有涂層，所述涂層從內(nèi)到外依次為：cr過渡層、crnbc涂層與crnbcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)，最外層為crnbcn涂層。
本實施例所述的crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具的制備工藝，沉積方式為采用中頻磁控濺射+電弧離子鍍復(fù)合鍍膜方法，沉積時使用2個中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶，2個電弧離子鍍cr靶：首先采用電弧離子鍍沉積cr過渡層，然后采用中頻磁控濺射方法交替沉積crnbc涂層與crnbcn涂層，最外層為crnbcn涂層。
所述中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶中包含重量分?jǐn)?shù)為80wt％的cr、10wt％的nb和10-wt％的c。
本實施例所述crnbc/crnbcn疊層復(fù)合涂層刀具的制備工藝，具體包括以下步驟：
(1)對刀具基體表面預(yù)處理：首先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40min，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7.0×10-3pa，加熱至270℃，保溫50min；
(2)對刀具基體表面離子清洗：通ar氣，調(diào)其壓力為1.5pa，開啟偏壓電源，電壓500v，占空比0.3，輝光放電清洗50min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗45min，開啟電弧離子鍍cr靶電源，cr靶電流65a，偏壓300v，占空比0.2，離子轟擊2～3min；
(3)采用電弧離子鍍在刀具基體表面沉積cr過渡層：調(diào)ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓降至150v，電弧離子鍍cr靶電流75a，沉積溫度170℃，沉積cr過渡層5～6min；
(4)采用中頻磁控濺射在cr過渡層上沉積crnbc涂層：關(guān)閉電弧離子鍍cr靶電源，ar氣壓0.9～1.0pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度150℃，開啟中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶電流35a，沉積crnbc涂層2～3min；
(5)采用中頻磁控濺射在crnbc涂層上沉積crnbcn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.4pa，ar氣壓0.9～1.0pa，偏壓150v，開啟中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶電流30a，沉積溫度150℃，復(fù)合沉積crnbcn涂層2～3min，沉積完成關(guān)閉n2；
(6)采用中頻磁控濺射在crnbcn涂層上沉積crnbc涂層：調(diào)ar氣壓0.9～1.0pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度150℃，開啟中頻磁控濺射crnbc復(fù)合靶電流35a，沉積crnbc涂層2～3min；
(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)……(6)、(5)，交替沉積crnbcn涂層、crnbc涂層、crnbc涂層……crnbc涂層、crnbcn涂層，共沉積80min：
(8)后處理：關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。