专利名称：一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种采用物理气相沉积技术涂覆的纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法。
背景技术：
刀具涂层是采用物理或化学的气相沉积方法在强度和韧性较好的硬质合金、高速 钢或陶瓷刀片基体表面上镀覆一层几个微米的高硬度，高耐磨性的金属或非金属的化合物 涂层而获得的。以减少刀具与工件间的扩散和化学反应，保护刀具基体材料，提高刀具的耐 磨性和切削硬度。自涂层刀具问世以来，刀具涂层技术取得了飞快的发展，涂层种类也越来越多。早 期利用物理气相沉积技术制备的硬质涂层材料，通常是简单的TiN、TiC涂层，具有较高的 抗机械磨损、抗磨料磨损性能和较低的摩擦系数，但涂层的高温抗氧化性较低，不能适用于 高速加工或干切削的条件。为了进一步提高刀具的高温性能，目前有在TiN涂层中添加Cr、 Al等元素形成多组元的多元涂层，如TiCrN、TiAlN涂层，显微硬度达到HV 3000，具有比 TiN, TiCN涂层更高的抗机械磨损、抗磨料磨损性能，且涂层的应用温度也提高到800°C以 上。目前广泛应用的TiCrN、TiAlN硬质合金涂层刀具，虽然有效地提高了刀具的抗机 械磨损和高温抗氧化性能，仍不能满足现代高速加工对刀具更好性能的要求
发明内容
本发明的目的在于提供一种在硬质合金刀具表面涂覆纳米复合钛铬铝硅氮化物 刀具涂层及其制备方法。本发明提供的一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层，所述的涂层按原子百分比 计配比如下钛25 45at. %，铬5 20at. %，铝5 20at. %，硅5 15at. %，氮30 40at. % ；所述钛铬铝硅氧化物刀具涂层的厚度为1 4微米。本发明还提供一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层的制备方法，所述刀具涂层 制备的步骤为将经预处理后的未涂层刀具均勻固定在支架上，间距大于等于10mm，装入 物理气相镀膜机中，调节工件支架转速为10 20rpm，抽至本底真空2. 5 3. OX 10_3Pa， 同时打开加热器，升温至300 500°C ；打开Ar气流量阀，调节真空室约为0. 3 0. 4Pa, 基体加负偏电压290 310V，进行辉光溅射清洗9 llmin，溅射功率7kw ；随后开启极离 子枪，以Ti离子高能轰击基体3 5分钟以活化基体表面；然后降低基体偏电压至200 260V，同时打开N2气流量阀，在流量200 300sccm、温度400 500°C、工作压力0. 7 0. 9Pa条件下，沉积TiN过渡层9 Ilmin ；根据通入反应气体N2，沉积钛铬铝硅氮化物刀具 涂层，沉积时间保持在100 120min ；完成镀膜后，刀具随炉降温至170°C后取出常温冷却 即可。
本发明使用的刀具基体为WC/Co硬质合金，刀具基体表面涂层为钛铬铝硅氮化物 硬质涂层材料。刀具基体为WC/Co硬质合金，涂层包含有过渡层的纳米复合钛铬铝硅氮化 物涂层，其中含有钛、铬、铝、硅和氮元素，晶粒大小在5 15nm，涂层厚度1 4 μ m，涂层显 微硬度30Gpa，高温稳定性达到1022°C以上。本发明的硬质合金刀具基体为高韧性K类硬质合金，WC的平均晶粒度为0. 3 1 微米； 本发明是在WC/Co硬质合金刀具基体表面采用物理气相沉积技术涂镀一层 钛/氮 化钛过渡层，然后再涂镀一层钛铬铝硅氮化物涂层材料，其中过渡层的厚度0. 1 0.5微 米，钛铬铝硅氧化物涂层的厚度为1 4微米。其涂层配方如下钛25 45at. %，铬5 20at. %，铝 5 20at. %，硅 5 15at. %，氮 30 40at. %用本配方制成的钛铬铝硅氮化物涂层，其各成分总和应为IOOat. %。本发明可以通过改变涂层中的铬、铝和硅含量调节涂层的显微结构、显微硬度和 抗高温氧化的性能，以适应不同的加工对象和切削条件。本发明涉及的刀具基体预处理工艺为未涂层刀具经过金属清洗液超声波清洗、 去离子水漂洗、酒精超声清洗，丙酮脱水。本发明的有益效果是使用本发明制成的刀具，其抗机械磨损性能和抗磨料磨损性能均有大幅度提高， 可以满足现代化工业对合金刀具更好性能的需求，有巨大的市场潜力和切实的使用价值。
图1涂层结构意义图。其中，1-硬质合金刀具基体，2-钛/氮化钛过渡层，3-复合钛铬铝硅氮化物涂层材 料。图2涂层X射线衍射图。图3涂层高温抗氧化性分析。
具体实施例方式本发明是在WC/Co硬质合金刀具基体表面采用物理气相沉积技术涂镀一层钛/氮 化钛过渡层，然后再涂镀一层钛铬铝硅氮化物涂层材料，其中过渡层的厚度0. 1 0.5微 米，钛铬铝硅氧化物涂层的厚度为1 4微米。其涂层配方分别如下钛40at. %，铬 IOat. %，铝 IOat. %，硅 5at. %，氮 35at. % ；钛25at. %，铬 20at. %，铝 20at. %，硅 5at. %，氮 30at. % ；钛30at. %，铬 15at. %，铝 15at. %，硅 IOat. %，氮 30at. % ；钛45at. %，铬 5at. %，铝 5at. %，硅 5at. %，氮 40at. % ；钛25at. %，铬 IOat. %，铝 IOat. %，硅 15at. %，氮 40at. % ；钛40at. %，铬 20at. %，铝 5at. %，硅 5at. %，氮 30at. % ；本发明涉及的刀具基体预处理工艺为未涂层刀具经过金属清洗液超声波清洗、 去离子水漂洗、酒精超声清洗，丙酮脱水。
本发明的镀膜步骤为将经预处理后的未涂层刀具均勻固定在支架上，间距为 IOmm,装入镀膜机中，调节工件支架转速为lOrpm，抽至本底真空3. O X 10_3Pa，同时打开加 热器，升温至400°C，打开Ar气流量阀，调节真空室约为0. 3Pa,基体加负偏电压300V，进行 辉光溅射清洗lOmin，溅射功率7kw ；随后开启极离子枪，以Ti离子高能轰击基体4分钟； 然后降低基体偏电压至200V，同时打开N2气流量阀，在流量200SCCm、温度400°C、工作压 力0. 7Pa条件下，沉积TiN过渡层IOmin ；根据通入反应气体N2,沉积涂层，沉积时间保持在 IOOmin ；完成镀膜后，刀具随炉降温至170°C后取出常温冷却即可。在K30硬质合金立铣刀表面，制备的钛铬铝硅氮化物涂层立铣刀，刀具表面涂层 厚度为2 3微米，含有钛/氮化钛的过渡层0. 1 0. 5微米，与在相同硬质合金立铣刀 表面沉积的氮化钛涂层立铣刀和无涂层的硬质合金立 铣刀在高速切削淬硬钢的寿命对 比实验，每种刀具各取5支，平均寿命分别为无涂层刀具切削9. 2m，氮化钛涂层刀具切 削23. lm，纳米复合钛铬铝硅氮化物涂层刀具(其涂层配方钛40at. %，铬IOat. %，铝 IOat. %，硅5at. %，氮35at. % )切削58. 4m。其切削条件为工件材料:DIN 1. 2311 (HRC 52)，切削速度200m/min，进给率0. 02mm/tooth，切深0. 1mm，切宽2mm，干铣，顺铣。
权利要求
一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层，其特征在于所述的涂层按原子百分比计配比如下钛25～45at.％，铬5～20at.％，铝5～20at.％，硅5～15at.％，氮30～40at.％；所述钛铬铝硅氧化物刀具涂层的厚度为1～4微米。
2.—种权利要求1所述的纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层的制备方法，其特征在于 所述刀具涂层制备的步骤为将经预处理后的未涂层刀具均勻固定在支架上，间距大于等 于10mm，装入物理气相镀膜机中，调节工件支架转速为10 20rpm，抽至本底真空2. 5 3.0X10-3Pa,同时打开加热器，升温至300 500°C ；打开Ar气流量阀，调节真空室约为 0. 3 0. 4Pa，基体加负偏电压290 310V，进行辉光溅射清洗9 llmin，溅射功率7kw ； 随后开启极离子枪，以Ti离子高能轰击基体3 5分钟以活化基体表面；然后降低基体偏 电压至200 260V，同时打开队气流量阀，在流量200 300sccm、温度400 500°C、工作 压力0. 7 0. 9Pa条件下，沉积TiN过渡层9 llmin ；根据通入反应气体N2，沉积钛铬铝 硅氮化物刀具涂层，沉积时间保持在100 120min ；完成镀膜后，刀具随炉降温至170°C后 取出常温冷却即可。
全文摘要
本发明公开了一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法，刀具基体为WC/Co硬质合金，涂层包含有过渡层的纳米复合钛铬铝硅氮化物涂层，其中含有钛、铬、铝、硅和氮元素，晶粒大小在5～15nm，涂层厚度1～4μm，涂层显微硬度30GPa，高温稳定性达到1022℃以上；本发明的纳米复合钛铬铝硅氮化物涂层刀具采用离子镀与溅射镀相结合的方式制备的纳米复合结构涂层刀具，适用于高速条件下的高硬度钢材料切削加工。
文档编号C23C14/34GK101831615SQ20101017623
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者余东海, 匡同春, 张凤林, 成晓玲, 王成勇 申请人:广东工业大学