一種超硬納微米多層復(fù)合涂層及其制備方法
【專利說明】
[技術(shù)領(lǐng)域]
[0001]本發(fā)明涉及金屬加工刃具的表面改性領(lǐng)域，具體地說是一種超硬納微米多層復(fù)合涂層及其制備方法。
[【背景技術(shù)】]
[0002]物理氣相沉積(Physical Vapor Deposit1n，簡稱PVD)制備硬質(zhì)、超硬涂層已被廣泛的應(yīng)用于刃具、模具等領(lǐng)域，尤其對于金屬切削加工刀具而言，在表面制備超硬耐磨涂層不僅可以提高刀具的使用壽命，也有利于提高金屬切削的表面性能。近年來發(fā)展的硬質(zhì)涂層主要為氮化物涂層，如 TiN、CrN、(Ti, A1)N、TiCN、TiSiCN、TiSiCoN、TiAlSiCN、ZrAIN、TiSiN和CrAlSiN等。這些涂層賦予了刀具表面更高的硬度、良好的高溫穩(wěn)定性、抗腐蝕以及耐磨損等性能。不同的涂層材料與基體材料的性質(zhì)各不相同，因此涂層材料與基體的結(jié)合力也不同。多層涂層結(jié)構(gòu)有助于提高界面結(jié)合力，提高涂層的綜合性能。
[0003]公開號CN104862652A公布了一種TiAlSiN超硬梯度涂層的制備方法，該梯度涂層彈性模量可達340GPa，耐高溫氧化溫度可達1200°C，能夠?qū)崿F(xiàn)對HRC60以上的淬火鋼高速切削加工。公開號CN104593737A公布了一種高硅超硬PVD涂層制備工藝，該工藝制備硅含量高達20%的TiAlSiN四元涂層，表面摩擦系數(shù)< 0.35，涂層硬度> HV3800，利用TiAlSiN涂層高硬度、耐高溫氧化等特點。若能結(jié)合TiN涂層與基體結(jié)合力好及TiCN涂層致密性高等優(yōu)點，制備TiAlSiN/TiCN/TiN超硬納微米多層復(fù)合涂層，對于涂層性能的提高具有極其重要的意義。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明的目的就是要解決上述的不足而提供一種超硬納微米多層復(fù)合涂層及其制備方法，其多層化、梯度化的涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅可以緩和基體與涂層之間的應(yīng)力，使其獲得良好的結(jié)合力，而且能夠提高刀具的韌性、耐磨性及高溫穩(wěn)定性。
[0005]為實現(xiàn)上述目的設(shè)計一種超硬納微米多層復(fù)合涂層，所述多層復(fù)合涂層由TiAlSiN層、TiCN層、TiN層構(gòu)成，所述TiAlSiN層為最外層，所述TiCN層為中間層，所述TiN層為最里層，所述TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的涂層厚度逐漸減小，所述TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的厚度呈梯度分布。
[0006]所述TiAlSiN層的厚度為1.5-1.7um，所述TiCN層的厚度為0.8-1.2um，所述TiN層的厚度為0.2-0.6um。
[0007]所述TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的涂層基體為WC_Co硬質(zhì)合金，所述基體硬度為HRA91.5-92.5。
[0008]用于沉積所述TiAlSiN層、TiCN層、TiN層所用的靶材分別為Ti靶、AlTi靶和TiSi靶，所述Ti靶的純度為99.999%,所述AlTi靶中A1與Ti的質(zhì)量比為70:30，所述TiSi革巴中Ti與Si的質(zhì)量比為80:20。
[0009]該超硬納微米多層復(fù)合涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0010]a.基體表面的預(yù)處理:
[0011]將基體放入噴砂機中進行噴砂處理，噴砂距離為100-200mm，噴砂方向與基體法線成20-30°，噴砂結(jié)束后，將基體裝夾于超聲波清洗機中進行超聲清洗30-45min，烘干后將基體裝入涂層真空室進行等離子清洗，Ar氣流量為200SCCm，基體偏壓為450V，清洗時間為15_20min ；
[0012]b.多層復(fù)合涂層的制備:
[0013]l)TiN層的制備:真空爐腔梯度加熱升溫至400-450 °C，真空度為0.005-0.008mbar, Ti靶通電，通電電流為120-160A，基體偏壓為100-120V，N2流量為150_180sccm，沉積時間為 10_15min ；
[0014]2)TiCN層的制備:爐腔真空度、溫度及氣體總流量不變，同時向真空爐中通入C2H2氣體，初始流量為20SCCm，隨后C2H2氣體流量梯度升高到65-80SCCm，&流量梯度減少到55-80sccm，Ti靶通電電流為120-160A，基體偏壓為130-150V，沉積時間為30_40min ；
[0015]3)TiAlSiN層的制備:爐腔溫度降至380_420°C，停止向真空爐腔中通入C2H2氣體，真空度升至0.040-0.060mbar，N2流量為200-240sccm，Ti靶斷電，AlTi靶、TiSi靶同時通電，通電電流分別為140-160A、120-140A，基體偏壓為70-90V，沉積時間為60min。
[0016]本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
[0017](1)其多層化、梯度化的涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅可以緩和基體與涂層之間的應(yīng)力，使其獲得良好的結(jié)合力，而且能夠提高刀具的韌性、耐磨性及高溫穩(wěn)定性；
[0018](2)采用相對較軟的TiN做打底層，相比較其他涂層而言，TiN涂層與基體具有較好的結(jié)合力，因此可以保證涂層與基體良好的結(jié)合力，而TiCN涂層綜合了 TiN附著強度好、硬度高和TiC耐磨性好、韌度高等優(yōu)點；
[0019](3)采用TiCN作為中間層，可以有效緩解涂層之間由于彈性模量等物理性質(zhì)不匹配導(dǎo)致的涂層結(jié)合力不足等矛盾，提高層間結(jié)合力；
[0020](4)新一代的超硬涂層TiAlSiN，20% Si元素的摻雜賦予了涂層超高的硬度、耐磨性及高溫穩(wěn)定性，進一步延長了金屬刃具的使用壽命，該TiAlSiN涂層的表面摩擦系數(shù)為
0.35，其摩擦系數(shù)低于未涂層硬質(zhì)合金切削金屬時的摩擦系數(shù)，經(jīng)切削加工試驗表明，涂層刀具相比較于未涂層刀具具有較小的切削力；
[0021](5)該工藝克服了以往超硬涂層材料與基體結(jié)合力差的缺點的同時，進一步提高了涂層的硬度、高溫穩(wěn)定性及結(jié)合力；
[0022](6)該涂層是由陰極電弧離子鍍沉積而成，陰極電弧離子鍍具有離化率高、繞鍍性強及沉積溫度低等特點，相比其它方法制備的涂層具有更加優(yōu)異的性能。
[【附圖說明】]
[0023]圖1是本發(fā)明的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明實施例中對涂層硬質(zhì)合金刀具及未涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力大小比較圖；
[0025]圖中:1、TiAlSiN層 2、TiCN 層 3、TiN 層。
[【具體實施方式】]
[0026]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作以下進一步說明:
[0027]本發(fā)明提供了一種超硬納微米多層復(fù)合涂層，該多層復(fù)合涂層由TiAlSiN層、TiCN層、TiN層構(gòu)成，TiAlSiN層為最外層，TiCN層為中間層，TiN層為最里層，TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的涂層厚度逐漸減小，TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的厚度呈梯度分布；其中，TiAlSiN層的厚度為1.5-1.7um，TiCN層的厚度為0.8-1.2um，TiN層的厚度為0.2-0.6um ；TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的涂層基體為WC-Co硬質(zhì)合金，基體硬度為HRA91.5-92.5 ;用于沉積TiAlSiN層、TiCN層、TiN層所用的靶材分別為Ti靶、AlTi靶和TiSi靶，Ti靶的純度為99.999%,AlTi靶中A1與Ti的質(zhì)量比為70:30,TiSi靶中Ti與Si的質(zhì)量比為80:20。
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