一种多层结构的纳米复合刀具涂层的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种刀具涂层及其制备方法，尤其涉及一种多层结构的纳米复合刀具 涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 采用化学气相沉积（CVD)或物理气相沉积（PVD)方法在刀具表面涂覆一层硬质涂 层是提高材料表面性能的一种经济实用的有效途径。硬质涂层作为机械功能膜的一个重要 分支，在机械加工工具中应用很广，特别是在金属切削中占了主导地位。硬质涂层能改善材 料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温 稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命。
[0003] 近年来刀具涂层材料不断升级更新，经历了简单二元涂层（TiN、TiC)-三元或 四元固溶涂层（TiAIN、TiCN、TiAlCN等）一多层或超晶格结构涂层（TiN/TiC/TiN多层、 TiAlN/TiN多层、TiN/AIN超晶格等）一纳米复合结构涂层（TiSiN、TiAlSiN等）的发展，涂 层的硬度和最高使用温度不断提高。其中多层涂层是由两种或两种以上成分或结构不同的 材料在垂直于涂层表面方向上相互交替生长而形成的二维多层材料，对于两种不同结构或 组成的多层涂层，每相邻两层形成一个基本单元，其厚度称为调制周期。纳米复合涂层为纳 米的硬质氮化物晶粒弥散地分布在晶态或者非晶态的第二相基体中，主要为氮化物/非晶 相纳米复合涂层（Me~Si~N，Me :过渡金属元素及其组合或与A1等元素的组合，如Ti、 TiAl等）。Me~Si~N纳米复合涂层通过在传统的TiN和TiAIN等单相涂层中加入一定 含量的Si元素，发生热力学上的调幅分解，生成由1~2个非晶原子层（Si 3N4)包覆纳米晶 过渡金属氮化物（TiN，TiAlN等）的骨架式纳米复合结构，由于纳米晶体的强化效应及非晶 层限制晶粒的滑移和转动对纳米晶晶界的强化作用，涂层表现出传统硬质涂层难以达到的 高硬度，而且涂层高温下的组织稳定性、热硬性和抗氧化性等性能也大幅度提高。
[0004] 随着高速加工技术及各类高性能难加工材料的发展，对金属切削刀具性能提出了 越来越高的要求，不仅要求其具有较高的硬度、耐磨、耐冲击性能，更要求其具有较高的耐 高温性能，以满足越来越高的工程需要。为适应于高速切削条件下对涂层性能的苛刻要求， 有必要设计并制备一种具有更高硬度和耐磨性的多层结构纳米复合涂层刀具。
【发明内容】
[0005] 基于此，有必要提供一种高硬度和高耐磨性的多层结构的纳米复合刀具涂层及其 制备方法。
[0006] -种多层结构的纳米复合刀具涂层，包括依次沉积于刀具基体表面的CrN结合 层、AlTiN过渡层、AlTiN/TiSiN支撑层和TiSiN功能层；所述CrN结合层的厚度为0. 1~ 0. 5 y m ;所述AlTiN过渡层的厚度为0. 5~3 y m ;所述AlTiN/TiSiN支撑层为TiSiN和 AlTiN周期性交替沉积结构，每一周期TiSiN和AlTiN交替沉积厚度称为调制周期且为 0. 1~1 y m，交替沉积次数为1~30次；所述TiSiN功能层厚度为0. 5~3 y m。
[0007] 在其中一个实施方式中，所述多层结构纳米复合刀具涂层的涂层总厚度为1~ 10 u m〇
[0008] 在其中一个实施方式中，所述CrN结合层以原子百分比计，包括35 %~55 %的Cr 及35%~65%的N。
[0009] 在其中一个实施方式中，所述AlTiN过渡层以原子百分比计，包括15%~40%的 八1、10%~35%的打及30%~60%的叱
[0010] 在其中一个实施方式中，所述AlTiN/TiSiN支撑层的TiSiN膜以原子百分比计， 包括30%~55%的Ti、3%~12%的Si及30%~60%的N;所述AlTiN/TiSiN支撑层的 AlTiN膜以原子百分比计，包括15%~40%的Al、10%~35%的Ti及30%~60%的N。
[0011] 在其中一个实施方式中，所述TiSiN功能层以原子百分比计，包括30 %~55 %的 Ti、3%~12%的 Si 及 30%~60%的 N。
[0012] -种上述的多层结构的纳米复合刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0013] 1)对刀具基体进行超声波清洗并去除表面水分，随后将刀具基体均匀装夹在涂层 设备转架上并入炉，调节转架公转速度转速为2~8rpm，转架自转速度5-15rpm，真空室抽 至本底真空0.0 lPa以下，同时打开加热器升温至300~500°C ;
[0014] 2)对刀具基体的表面进行辉光清洗及Cr离子轰击，以活化基体表面；
[0015] 3)在刀具基体的表面制备CrN结合层，所述CrN结合层的材料为CrN，厚度为 0. 1 ~0. 5 u m ;
[0016] 4)在所述CrN结合层的表面制备AlTiN过渡层，所述AlTiN过渡层的材料为 AlTiN，厚度为0? 5 ~3ym;
[0017] 5)在所述AlTiN过渡层的表面制备AlTiN/TiSiN支撑层，所述AlTiN/TiSiN支撑 层为TiSiN和AlTiN周期性交替沉积结构，每一周期TiSiN和AlTiN交替沉积厚度称为调 制周期且为0. 1~1 y m，交替沉积次数为1~30次；
[0018] 6)在所述AlTiN/TiSiN支撑层的表面制备TiSiN功能层，所述TiSiN功能层的材 料为TiSiN，厚度为0. 5~3 y m;
[0019] 在其中一个实施方式中，进行辉光清洗和Cr离子轰击时，通入气体为Ar气，炉腔 真空度为〇. 01~IPa，基体加负偏压300~1000V，进行辉光清洗5~35min;然后调整基 体负偏压至50~300V，开启Cr靶，调整靶材电流为100~350A，以Cr离子高能轰击基体 1~lOmin以活化基体表面；
[0020] 制备所述CrN结合层时，通入气体为N2，调整镀膜压力为1~5Pa，刀具基体负偏 电压为50V~300V，靶材电流为100~350A，靶材为Cr，沉积时间为1~15分钟；
[0021] 制备所述AlTiN过渡层的条件为：靶材为AlTi，通入气体为N2，调整镀膜压力为 1~5Pa，调整刀具基体负偏电压为30V~200V，弧源电流200~400A，沉积时间为5~ 35min；
[0022] 制备所述AlTiN/TiSiN支撑层的TiSiN膜的条件为：靶材为TiSi，通入气体为N2， 调整镀膜压力为1~5Pa，调整刀具基体负偏电压为30V~200V，弧源电流为200~400A;
[0023] 制备所述AlTiN/TiSiN支撑层的AlTiN膜的条件为：靶材为AlTi，通入气体为N 2， 镀膜压力为1~5Pa，调整刀具基体负偏电压为30V~200V，弧源电流为200~400A;
[0024] 制备所述TiSiN功能层的条件为：靶材为TiSi，通入气体为N 2，镀膜温度为200~ 400°C，镀膜压力为1~5Pa，调整刀具基体负偏电压为30V~200V，弧源电流为200~400A。
[0025] 上述多层结构的纳米复合刀具涂层以AlTiN作为AlTiN过渡层，以AlTiN与TiSiN 多层交替沉积结构形成AlTiN/TiSiN支撑层，AlTiN具有高达900°C的使用温度和高韧性， 在高温下可以形成阻止进一步氧化的氧化铝薄膜，而TiSiN容易形成非晶Si 3N4包裹TiN 纳米晶的纳米复合结构，使多层结构的纳米复合刀具涂层具有超高的硬度；这种交替的多 层结构的AlTiN/TiSiN支撑层不仅可以使多层结构的纳米复合刀具涂层具有良好的抗裂 纹扩展性，还可以使多层结构的纳米复合刀具涂层在高温下保持较高的硬度和高的抗氧化 性。TiSiN功能层的材料为TiSiN，同样是为了形成纳米复合结构使多层结构的纳米复合刀 具涂层具有超高的硬度和耐磨性。
【附图说明】
[0026] 图1为实施例3制备的多层结构的纳米复合涂层透射电镜TCM截面照片；
[0027] 图2为实施例3制备的多层结构的纳米复合涂层刀具与未涂层刀具以及单层 AlTiN涂层刀具后刀面磨损情况对比图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的【具体实施方式】做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发 明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0029] -实施方式的多层结构的纳米复合刀具涂层，包括依次沉积于刀具基体表面的 CrN结合层、AlTiN过渡层、AlTiN/TiSiN支撑层和TiSiN功能层；所述CrN结合层的厚度为 0. 1~0. 5 ym ;所述AlTiN过渡层的厚度为0. 5~3 ym ;所述AlTiN/TiSiN支撑层为TiSiN 和AlTiN周期性交替沉积结构，每一周期TiSiN和AlTiN交替沉积厚度称为调制周期且为 0. 1~1 y m，交替沉积次数为1~30次；所述TiSiN功能层厚度为0. 5~3 y m。
[0030] 优选的，CrN结合层以原子百分比计，包括35 %~55 %的Cr及35 %~65 %的N。
[0031] 优选的，AlTiN过渡层以原子百分比计，包括15%~40%的A1、10%~35%的Ti 及30%~60%的N。
[0032] 优选的，AlTiN/TiSiN支撑层的AlTiN膜以原子百分比计，包括15 %~40 %的A1、 10%~35%的Ti及30%~60%的N ;所述AlTiN/TiSiN支撑层的TiSiN膜以原子百分比 计，包括30%~55%的Ti、3%~12%的Si及30%~60%的N。
[0033] 优选的，TiSiN功能层TiSiN层以原子百分比计，包括30%~55%的Ti、3%~ 12% 的 Si 及 30