一种多元纳米梯度涂层刀具及其制备方法与流程

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别涉及了一种tinbtac+alzrtac多元纳米梯度涂层刀具及其制备方法。

背景技术：

刀具涂层技术是一种优质的表面改性技术，涂层刀具具有高硬度、良好的耐热性、抗氧化性和抗腐蚀性等优点，对刀具表面进行涂层处理是提高刀具寿命的重要方法之一。近年来，为进一步提高刀具性能，涂层刀具已由单层向多元化和复合化发展；同时，单一涂层在使用过程中受到很大局限性，通过制备梯度复合涂层，既能兼顾单一涂层的优良性能，又能弥补其局限性，从而显著提高涂层刀具性能。

中国发明专利“申请号：201710533151.7”报道了一种alnbn/alnbcn叠层涂层刀具及其制备工艺，该刀具综合了alnbn和alnbcn涂层刀具优点，具有良好的物理机械性能，可广泛用于钛合金、不锈钢等材料的切削加工。中国发明专利“申请号：2011102143939.2”报道了一种梯度叠层涂层刀具及其制备方法，该叠层涂层刀具综合了zrn、zrtin及梯度叠层结构的特点，具有高的硬度和耐磨性能。中国发明专利“申请号：201810077086.6”报道了一种氮化硅-硬质合金叠层涂层刀具及其制备方法，该涂层采用激光熔覆方法制备，兼顾氮化硅基陶瓷和硬质合金的特点，既具有良好的韧性又具有较高的硬度和耐磨性能。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种多元纳米梯度涂层刀具及其制备方法。该刀具表面涂层具有较高的硬度、良好的物理机械性能、热稳定性、抗氧化性和抗磨损性等。该刀具弥补了单一涂层加工对象的局限性，可广泛应用于不锈钢、钛合金、铝合金等材料的切削加工。

技术方案：本发明的一种多元纳米梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，基体材料表面具有tinbtac+alzrtac交替分布的多元纳米梯度涂层。该梯度涂层至少含有两层tinbtac和两层alzrtac单个层，且tinbtac与alzrtac单个层的厚度小于等于100nm。tinbtac涂层中ti元素原子百分比在30-40％，nb元素原子百分比在5-20％，ta元素原子百分比在10-40％，c元素原子百分比在20-40％，所述ti、nb、ta、c元素原子百分比之和为1；alzrtac涂层中al元素原子百分比在30-40％，zr元素原子百分比在5-15％，ta元素原子百分比在20-40％，c元素原子百分比在20-40％，所述al、zr、ta、c元素原子百分比之和为1。

本发明的一种多元纳米梯度涂层刀具的制备方法，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备tinbtac与alzrtac交替分布的多元纳米梯度涂层。其具体制备方法，包括以下步骤：

(1)前处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10^-3-8.0×10^-3pa，加热至200-300℃，保温时间30-40min；

(2)离子清洗：通入ar2，其压力为0.5-2.0pa，开启偏压电源，电压700-1200v，占空比0.3，辉光放电清洗20-30min；偏压降低至300-800v，开启离子源离子清洗20-30min，开启电弧源ti靶，偏压400-600v，靶电流40-80a，离子轰击ti靶0.5-1min；

(3)沉积tinbtac层：调整工作气压为0.5-2.0pa，偏压100-200v，调整ti靶电流60-120a；开启nbtac复合靶电弧电源，靶电流调至60-80a，沉积tinbtac涂层5-10min；

(4)沉积alzrtac层：关闭ti靶和nbtac复合靶，调整工作气压为0.5-1.0pa，偏压100-150v，开启alzrtac复合靶电弧电源，靶电流调至60-80a，沉积alzrtac涂层5-10min；

(5)沉积tinbtac+alzrtac交替梯度涂层：重复以上步骤(3)和(4)，交替沉积tinbtac+alzrtac梯度涂层；

(6)后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温30-60min，涂层结束。

其中，tinbtac+alzrtac交替梯度涂层总层数为4-100层。

有益效果：1.本发明的梯度涂层刀具具有较高的硬度、良好的热稳定性、抗氧化性等，可显著提高提出刀具的切削性能；2.tinbtac+alzrtac梯度涂层克服了单一涂层的局限性，增加了涂层刀具适用范围，纳米涂层能够显著提高涂层与基体及涂层间结合强度，减少涂层内应力；3.该刀具可广泛应用于不锈钢、钛合金、铝合金等材料的切削加工。

附图说明

图1为本发明的多元纳米梯度涂层刀具结构示意图，其中：1为刀具基体材料，2为tinbtac层，3为alzrtac层，4为tinbtac+alzrtac交替梯度涂层。

具体实施方式

实例1：本发明的一种多元纳米梯度涂层刀具，刀具基体材料为9w18cr4v高速钢，其特征在于：刀具基体材料表面具有tinbtac+alzrtac交替分布的多元纳米梯度涂层。该梯度涂层至少含有两层tinbtac和两层alzrtac单个层，且tinbtac与alzrtac单个层的厚度小于等于100nm。tinbtac涂层中ti元素原子百分比在30％，nb元素原子百分比在20％，ta元素原子百分比在30％，c元素原子百分比在20％，所述ti、nb、ta、c元素原子百分比之和为1；alzrtac涂层中al元素原子百分比在30％，zr元素原子百分比在10％，ta元素原子百分比在30％，c元素原子百分比在30％，所述al、zr、ta、c元素原子百分比之和为1。

本发明的一种多元纳米梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备tinbtac与alzrtac交替分布的多元纳米梯度涂层。其具体制备方法，包括以下步骤：

(1)前处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入酒精和丙酮中超声清洗各30min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为8.0×10^-3pa，加热至300℃，保温时间30min；

(2)离子清洗：通入ar2，其压力为2.0pa，开启偏压电源，电压1000v，占空比0.3，辉光放电清洗30min；偏压降低至600v，开启离子源离子清洗25min，开启电弧源ti靶，偏压500v，靶电流60a，离子轰击ti靶1min；

(3)沉积tinbtac层：调整工作气压为1.5pa，偏压200v，调整ti靶电流100a；开启nbtac复合靶电弧电源，靶电流调至80a，沉积tinbtac涂层8min；

(4)沉积alzrtac层：关闭ti靶和nbtac复合靶，调整工作气压为1.0pa，偏压150v，开启alzrtac复合靶电弧电源，靶电流调至80a，沉积alzrtac涂层8min；

(5)沉积tinbtac+alzrtac交替梯度涂层：重复以上步骤(3)和(4)，交替沉积tinbtac+alzrtac梯度涂层，使得总层数为20层；

(6)后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温60min，涂层结束。

实例2：

本发明的一种多元纳米梯度涂层刀具，刀具基体材料为yg6硬质合金，其特征在于：刀具基体材料表面具有tinbtac+alzrtac交替分布的多元纳米梯度涂层。该梯度涂层至少含有两层tinbtac和两层alzrtac单个层，且tinbtac与alzrtac单个层的厚度小于等于100nm。tinbtac涂层中ti元素原子百分比在40％，nb元素原子百分比在10％，ta元素原子百分比在20％，c元素原子百分比在30％，所述ti、nb、ta、c元素原子百分比之和为1；alzrtac涂层中al元素原子百分比在35％，zr元素原子百分比在15％，ta元素原子百分比在20％，c元素原子百分比在30％，所述al、zr、ta、c元素原子百分比之和为1。

本发明的一种多元纳米梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备tinbtac与alzrtac交替分布的多元纳米梯度涂层。其具体制备方法，包括以下步骤：

(1)前处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10^-3pa，加热至220℃，保温时间30min；

(2)离子清洗：通入ar2，其压力为1.0pa，开启偏压电源，电压800v，占空比0.3，辉光放电清洗20min；偏压降低至500v，开启离子源离子清洗20min，开启电弧源ti靶，偏压400v，靶电流80a，离子轰击ti靶0.5min；

(3)沉积tinbtac层：调整工作气压为1.0pa，偏压150v，调整ti靶电流80a；开启nbtac复合靶电弧电源，靶电流调至60a，沉积tinbtac涂层5min；

(4)沉积alzrtac层：关闭ti靶和nbtac复合靶，调整工作气压为0.5pa，偏压120v，开启alzrtac复合靶电弧电源，靶电流调至80a，沉积alzrtac涂层5min；

(5)沉积tinbtac+alzrtac交替梯度涂层：重复以上步骤(3)和(4)，交替沉积tinbtac+alzrtac梯度涂层，使得总层数为100层；

(6)后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温30min，涂层结束。