一种多元复合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mobsec+alhfvc/crzrhfc多元复合梯度涂层刀具及其制备方法。

背景技术：

对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，根据涂层材料的性质不同，涂层可分为以提高刀具表面硬度和耐磨性能的“硬涂层”和以减小刀具表面摩擦且具有自润滑功效的“软涂层”。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，将软涂层与硬涂层结合应用于切削刀具，使得刀具表面既具有较高的硬度又具有良好的自润滑功效，从而显著提高涂层刀具性能。

中国专利“申请号：cn200910256536.9”报道了一种软硬复合涂层刀具及其制备方法，该刀具采用中频磁控沉积和多弧离子镀膜方法制备mos2/zrn复合涂层刀具，该刀具既具有较低的摩擦系数，又具有较高的硬度。中国专利“申请号：201610427737.0”报道了一种tialcrn+mos2/ti/al/cr组合润滑涂层刀具及其制备工艺，该刀具兼顾tialcrn多元硬涂层和mos2/ti/al/cr软涂层特性，可广泛应用于材料的干切削加工。以上报道的软硬涂层在硬度、热稳定性等方面有待于进一步提高。目前，国内外未见mobsec+alhfvc/crzrhfc多元复合梯度涂层刀具的报道。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种多元复合梯度涂层刀具及其制备方法。该刀具结合硬涂层及软涂层的特点，既具有高的硬度又具有良好的自润滑性能，且刀具涂层具有良好的耐热性及抗氧化性等。干切削时，该刀具能够减小摩擦，抑制粘结、降低切削力和切削温度，减小刀具磨损，提高加工表面质量。

技术方案：本发明的一种多元复合梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速钢、硬质合金、陶瓷或立方氮化硼，其特征在于：所述刀具基体材料表面具有多元复合梯度涂层，其中最外层为mobsec软涂层，向内为alhfvc与crzrhfc交替分布叠层硬涂层，硬涂层与基体间依次有tizrcn和tin过渡层。

本发明的多元复合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依次制备tin+tizrcn过渡层、alhfvc与crzrhfc交替分布叠层硬涂层、mobsec软涂层。

所述的一种多元复合梯度涂层刀具的制备方法，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1-2min；

(3)沉积tin过渡层：调整工作气压为0.5-0.8pa，偏压80-150v，ti靶电流90-120a；开启n2，调整n2流量为150-300sccm，沉积温度为200-250℃，沉积2-10min；

(4)沉积tizrcn过渡层：开启zr靶电弧电源，zr靶电流调至60-90a，开启c靶电弧电源，电流调至20-50a，沉积tizrcn5-10min；

(5)沉积crzrhfc硬涂层：关闭ti靶，关闭n2，调整工作气压为0.8-2.0pa，偏压100-200v；开启cr靶电弧电源，cr靶电流调至80-100a，开启hf靶电弧电源，电流调至30-50a，沉积crzrhfc涂层20-40min；

(6)沉积alhfvc硬涂层：关闭cr靶，关闭zr靶，调整工作气压为0.8-2.0pa，偏压100-200v；开启al靶电弧电源，al靶电流调至80-100a，开启v靶电弧电源，电流调至30-50a，沉积alhfvc涂层20-40min；

(7)沉积crzrhfc+alhfvc交替叠层硬涂层：重复以上步骤(5)和(6)，交替沉积crzrhfc+alhfvc叠层涂层；crzrhfc+alhfvc叠层涂层总层数为2-8层；

(8)沉积mobsec软涂层：关闭cr靶、zr靶、al靶、v靶、hf靶，调整工作气压为1.0-3.0pa，偏压150-250v；开启中频磁控溅射mobse靶电源，电流调至50-60a，电弧镀+中频磁控溅射沉积mobsec涂层20-30min；

(9)后处理：关闭mobse靶和c靶，关闭偏压电源及气体源，保温30-60min，涂层结束。

有益效果：1.本发明的涂层刀具既具有较高的硬度、良好的热稳定性、抗氧化性等，又具有良好的润滑性能，可显著提高提出刀具的切削性能。干切削时，硬涂层承受载荷，软涂层能够在摩擦表面形成润滑膜，从而减小刀具表面摩擦磨损；2.该涂层刀具从过渡层到软硬涂层均含有过渡元素，能够减缓由于涂层成分突变造成的层间应力，且能够显著提高涂层与基体间及涂层与涂层间结合力；3.crzrhfc+alhfvc叠层涂层提高了单一涂层的性能，增加了涂层刀具适用范围，mobsec相比普通mos2等软涂层不仅具有自润滑性能，同时具有高的硬度和良好的抗氧化性；4.该刀具可广泛应用于干切削及难加工材料的切削加工。

附图说明

图1为本发明的多元复合梯度涂层刀具结构示意图，其中：1为刀具基体材料，2为tin过渡层，3为tizrcn过渡层，4为crzrhfc硬涂层，5为alhfvc硬涂层，6为crzrhfc+alhfvc交替叠层硬涂层，7为mobsec软涂层。

具体实施方式

实例1：一种多元复合梯度涂层刀具，刀具基体材料为硬质合金，刀具基体表面具有多元复合梯度涂层，其中最外层为mobsec软涂层，向内为alhfvc与crzrhfc交替分布叠层硬涂层，硬涂层与基体间依次有tizrcn和tin过渡层。

该多元复合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依次制备tin+tizrcn过渡层、alhfvc与crzrhfc交替分布叠层硬涂层、mobsec软涂层。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^-3pa，加热至200℃，保温时间30min；

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

(3)沉积tin过渡层：调整工作气压为0.6pa，偏压100v，ti靶电流90a；开启n2，调整n2流量为150sccm，沉积温度为200℃，沉积5min；

(4)沉积tizrcn过渡层：开启zr靶电弧电源，zr靶电流调至60a，开启c靶电弧电源，电流调至30a，沉积tizrcn5min；

(5)沉积crzrhfc硬涂层：关闭ti靶，关闭n2，调整工作气压为1.0pa，偏压120v；开启cr靶电弧电源，cr靶电流调至80a，开启hf靶电弧电源，电流调至40a，沉积crzrhfc涂层20min；

(6)沉积alhfvc硬涂层：关闭cr靶，关闭zr靶，调整工作气压为1.2pa，偏压150v；开启al靶电弧电源，al靶电流调至80a，开启v靶电弧电源，电流调至40a，沉积alhfvc涂层20min；

(7)沉积crzrhfc+alhfvc交替叠层硬涂层：重复以上步骤(5)和(6)，交替沉积crzrhfc+alhfvc叠层涂层；crzrhfc+alhfvc叠层涂层总层数为4层；

(8)沉积mobsec软涂层：关闭cr靶、zr靶、al靶、v靶、hf靶，调整工作气压为2.0pa，偏压150v；开启中频磁控溅射mobse靶电源，电流调至50a，电弧镀+中频磁控溅射沉积mobsec涂层30min；

(9)后处理：关闭mobse靶和c靶，关闭偏压电源及气体源，保温40min，涂层结束。

实例2：一种多元复合梯度涂层刀具，刀具基体材料为陶瓷，刀具基体表面具有多元复合梯度涂层，其中最外层为mobsec软涂层，向内为alhfvc与crzrhfc交替分布叠层硬涂层，硬涂层与基体间依次有tizrcn和tin过渡层。

该多元复合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依次制备tin+tizrcn过渡层、alhfvc与crzrhfc交替分布叠层硬涂层、mobsec软涂层。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8.0×10^-3pa，加热至300℃，保温时间40min；

(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30min，开启电弧源ti靶，偏压600v，靶电流60a，离子轰击ti靶1min；

(3)沉积tin过渡层：调整工作气压为0.7pa，偏压100v，ti靶电流120a；开启n2，调整n2流量为250sccm，沉积温度为230℃，沉积8min；

(4)沉积tizrcn过渡层：开启zr靶电弧电源，zr靶电流调至90a，开启c靶电弧电源，电流调至45a，沉积tizrcn10min；

(5)沉积crzrhfc硬涂层：关闭ti靶，关闭n2，调整工作气压为1.8pa，偏压180v；开启cr靶电弧电源，cr靶电流调至100a，开启hf靶电弧电源，电流调至50a，沉积crzrhfc涂层30min；

(6)沉积alhfvc硬涂层：关闭cr靶，关闭zr靶，调整工作气压为2.0pa，偏压200v；开启al靶电弧电源，al靶电流调至100a，开启v靶电弧电源，电流调至50a，沉积alhfvc涂层30min；

(7)沉积crzrhfc+alhfvc交替叠层硬涂层：重复以上步骤(5)和(6)，交替沉积crzrhfc+alhfvc叠层涂层；crzrhfc+alhfvc叠层涂层总层数为8层；

(8)沉积mobsec软涂层：关闭cr靶、zr靶、al靶、v靶、hf靶，调整工作气压为2.0pa，偏压200v；开启中频磁控溅射mobse靶电源，电流调至60a，电弧镀+中频磁控溅射沉积mobsec涂层20min；

(9)后处理：关闭mobse靶和c靶，关闭偏压电源及气体源，保温60min，涂层结束。