切削用m(AlTiNbN/AlTiON)+AlTiCON多层复合涂层及制备方法与流程

b
tianbbn/al
1-c-d
ticodn)涂层由al
1-a-b
tianbbn涂层与al
1-c-d
ticodn涂层多周期交替沉积而成，m为周期数；所述al
1-x-y
ti
xcyoz～0n1-z～1
为o/n化学计量比梯度降低的梯度层。
7.依照本发明的一个方面，所述al
1-a-b
tianbbn涂层中的ti原子百分比为0.2≤a≤0.6，nb原子百分比为0.01≤b≤0.2，al原子百分比为0.3≤1-a-b≤0.6。
8.依照本发明的一个方面，所述al
1-c-d
ticodn涂层中的ti原子百分比为0.3≤c≤0.6，o原子百分比为0.01≤d≤0.1，al原子百分比为0.3≤1-c-d≤0.6。
9.依照本发明的一个方面，所述al
1-x-y
ti
xcyoz～0n1-z～1
涂层中的ti原子百分比为0.3≤x≤0.6，c原子百分比为0.01≤y≤0.1，al原子百分比为0.3≤1-x-y≤0.6，o原子化学计量比变化范围z～0为0.1～1，对应地n原子化学计量比1-z～1为1～0.9。
10.依照本发明的一个方面，所述m(al
1-a-b
tianbbn/al
1-c-d
ticodn)涂层中的周期数为1≤m≤1000，所述al
1-a-b
tianbbn涂层、al
1-c-d
ticodn涂层的单层厚度不低于0.001μm，m(al
1-a-b
tianbbn/al
1-c-d
ticodn)涂层的厚度为0.5～3μm。
11.依照本发明的一个方面，所述o/n化学计量比梯度降低的梯度层具体为控制总的工作压力不变，逐渐降低o2/n2气体流量比来实现。
12.依照本发明的一个方面，所述多层复合涂层采用物理气相沉积制得。
13.基于同一个发明构思，本发明还提供了上述切削用m(altinbn/altion)+alticon多层复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
14.采用粉末冶金法制备硬质合金或金属陶瓷刀具基体，将刀具基体进行深加工处理，获得深加工处理的刀具基体；
15.对深加工处理的刀具基体进行清洗干燥、氩离子轰击刻蚀、活化处理，获得预处理的刀具基体；
16.采用物理气相沉积法在预处理的刀具基体上交替沉积al
1-a-b
tianbbn涂层和al
1-c-d
ticodn涂层，随后控制总的工作压力不变，逐渐降低气体流量比继续沉积al
1-x-y
ti
xcyoz～0n1-z～1
涂层。
17.依照本发明的一个方面，所述深加工处理包括研磨、喷砂、抛光。
18.依照本发明的一个方面，所述物理气相沉积法具体为阴离子电弧离子镀技术，阴离子电弧离子镀技术基体偏压为30～150v，靶源电流为100～240a，所用工作气体为氮气和氧气，工作气压力为0.5～10pa。
19.本发明的实施优点：本发明的切削用m(altinbn/altion)+alticon多层复合涂层通过多周期交替沉积的m(altinbn/altion)底层赋予了整体涂层良好的膜基结合力，并综合了nb元素的增韧效应与掺o带来的良好抗氧化性能，alticon梯度表层呈现内韧外硬的性能渐变特性，c元素带来良好的减摩效应，o元素的掺杂与n空位的形成赋予涂层良好的高温稳定性，从而实现了涂层强韧、耐磨和耐高温一体化，在不锈钢、高温合金和钛合金等难加工材料的精加工、半精加工以及粗加工多工况条件下具有很好的胜任性与适配性。
附图说明
20.图1为本发明实施例1中涂层的断口截面形貌图；
21.图2为本发明对比例涂层与的实施例1、2、3涂层硬度随温度变化的曲线图。
具体实施方式
22.为使本发明更加容易理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.本发明提供切削用m(altinbn/altion)+alticon多层复合涂层，所述多层复合涂层沉积在刀具基体上，所述刀具基体为粉末冶金法制备而成的硬质合金或金属陶瓷，所述复合涂层包括底层的m(al
1-a-b
tianbbn/al
1-c-d
ticodn)涂层和位于m(al
1-a-b
tianbbn/al
1-c-d
ticodn)涂层上的al
1-x-y
ti
xcyoz～0n1-z～1
涂层；其中，所述m(al
1-a-b
tianbbn/al
1-c-d
ticodn)涂层由al
1-a-b
tianbbn涂层与al
1-c-d
ticodn涂层多周期交替沉积而成，m为周期数；所述al
1-x-y
ti
xcyoz～0n1-z～1
为o/n化学计量比梯度降低的梯度层。
24.优选的，所述al
1-a-b
tianbbn涂层中的ti原子百分比为0.2≤a≤0.6，nb原子百分比为0.01≤b≤0.2，al原子百分比为0.3≤1-a-b≤0.6。
25.优选的，所述al
1-c-d
ticodn涂层中的ti原子百分比为0.3≤c≤0.6，o原子百分比为0.01≤d≤0.1，al原子百分比为0.3≤1-c-d≤0.6。
26.优选的，所述al
1-x-y
ti
xcyoz～0n1-z～1
涂层中的ti原子百分比为0.3≤x≤0.6，c原子百分比为0.01≤y≤0.1，al原子百分比为0.3≤1-x-y≤0.6，o原子化学计量比变化范围z～0为0.1～1，对应地n原子化学计量比1-z～1为1～0.9。
27.优选的，所述m(al
1-a-b
tianbbn/al
1-c-d
ticodn)涂层中的周期数为1≤m≤1000，所述al
1-a-b
tianbbn涂层、al
1-c-d
ticodn涂层的单层厚度不低于0.001μm，m(al
1-a-b
tianbbn/al
1-c-d
ticodn)涂层的厚度为0.5～3μm。
28.优选的，所述o/n化学计量比梯度降低的梯度层具体为控制总的工作压力不变，逐渐降低o2/n2气体流量比来实现。
29.优选的，所述多层复合涂层采用物理气相沉积制得。
30.本发明还提供了上述切削用m(altinbn/altion)+alticon多层复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
31.采用粉末冶金法制备硬质合金或金属陶瓷刀具基体，将刀具基体进行深加工处理(研磨、喷砂、抛光)，获得深加工处理的刀具基体；
32.对深加工处理的刀具基体进行预处理(包括清洗干燥、氩离子轰击刻蚀及活化处理)，获得预处理的刀具基体；
33.采用物理气相沉积法中阴极电弧离子镀技术在预处理的刀具基体上交替沉积al
1-a-b
tianbbn涂层和al
1-c-d
ticodn涂层，随后控制总的工作压力不变，逐渐降低气体流量比继续沉积al
1-x-y
ti
xcyoz～0n1-z～1
涂层。
34.优选的，阴离子电弧离子镀技术基体偏压为30～150v，靶源电流为100～240a，所用工作气体为氮气和氧气，工作气压力为0.5～10pa。
35.实施例1
36.一种如图1所示的本发明的多层复合结构涂层刀具，由内向外依次为刀具基体、100(altinbn/altion)、alticon涂层组成，涂层总厚度为3.28μm；
37.其中，100(altinbn/altion)涂层厚度为2.12μm，alticon涂层厚度为1.16μm；
38.100(altinbn/altion)复合涂层包括由内向外设置的周期性相互交替沉积的altinbn层与altion层，包含100个周期，altinbn单层厚度为0.012μm，altion单层厚度为0.01μm；
39.alticon涂层为o/n化学计量比梯度降低的单层梯度结构的alticon层。
40.上述多层复合结构涂层中altinbn层按原子比组成为al
0.6
ti
0.35
nb
0.05
n，altion层按原子比组成为al
0.6
ti
0.35o0.05
n，alticon层按原子比组成为al
0.6
ti
0.35c0.05
(o
0.08～0n0.92～1
)1。
41.刀具基体为w薄片和型号为wnmg080408-bm的硬质合金不锈钢车削用刀片。
42.上述本实施案例的多层梯度结构涂层刀具的制备方法，具体步骤如下：
43.1)利用粉末冶金方法对w、co、ti、ta、cr、v、c、n、o等元素及其化合物进行湿磨、喷雾干燥、压制、烧结成型后并经过一系列工序的机械后序加工和后续工艺处理得到刀具基体研磨品；对刀具基体研磨品涂层处理与超声清洗，以达到去污要求和良好的表面质量，然后送入涂层设备进行相应涂层的涂覆沉积。涂层炉内本底真空为5x10-2
pa，采用红外线加热管方式将刀具产品加热至300℃。然后继续用红外线加热管结合等离子体继续加热(通入ar，流量为50sccm)，并辅以h2还原处理(通入h2，流量为300sccm)，加热控制温度设定为480℃，处理时间为48min。
44.2)涂层前采用氩离子对刀具基体表面进行轰击刻蚀，进一步去除刀具基体表面脏化物，并活化刀具基体表面改善刀具基体与涂层的结合：通入工作气体ar，保持炉内压力为2.2x10-1pa；开启偏压电源，电压为180v；开启离子源，电流为140a。刻蚀时间为30min。
45.3)利用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上沉积100(altinbn/altion)复合交替涂层：通入工作气体n2并保持压力为4.0pa，设定偏压为50v，工件架转速为40％(约1.58r/min)，altinb弧源电流为200a，沉积时间1min；然后关闭altinb弧源，并开启alti弧源，电流为200a，偏压降为40v，通入50sccm的o2，保持工作压力4.0pa，沉积时间1min。然后重复上述沉积步骤，沉积周期为100，总的沉积时间200min。
46.4)利用阴极电弧离子镀技术在100(altinbn/altion)涂层上沉积o/n化学计量比梯度降低的alticon梯度涂层：开启altic弧源，电流为200a，偏压为50v，保持工作压力为4.0pa，初始o2通入流量为100sccm，初始n2通入流量为1200sccm，依次降低、增加o2、n2的通入量，终了o2通入量为0sccm，n2通入量为1300sccm，总沉积时间100min。
47.5)关闭所有弧源，关闭偏压电源，关闭加热电源，关闭气体，真空状态下自然冷却至产品温度小于200℃，涂层结束。
48.6)上述方法主要是根据各种刀具的要求使用不同成分的altinb靶、alti靶与altic靶，并控制工作气体o2/n2流量比，在刀具基体表面上沉积得到不同靶材搭配的多层复合涂层，涂层总厚度为3.28μm。
49.实施例2
50.一种如实施例1的本发明的多层复合结构涂层刀具，由内向外依次为刀具基体、50(altinbn/altion)、alticon涂层组成，涂层总厚度为3.16μm；
51.其中，50(altinbn/altion)涂层厚度为2.08μm，alticon涂层厚度为1.08μm；
52.50(altinbn/altion)复合涂层包括由内向外设置的周期性相互交替沉积的altinbn层与altion层，包含50个周期，altinbn单层厚度为0.021μm，altion单层厚度为
0.019μm；
53.alticon涂层为o/n化学计量比梯度降低的单层梯度结构的alticon层。
54.上述多层复合结构涂层中altinbn层按原子比组成为al
0.6
ti
0.35
nb
0.05
n，altion层按原子比组成为al
0.55
ti
0.45o0.1
n，alticon层按原子比组成为al
0.6
ti
0.35c0.05
(o
0.1～0n0.9～1
)1。
55.刀具基体为w薄片和型号为wnmg080408-bm的硬质合金不锈钢车削用刀片。
56.上述本实施案例的多层梯度结构涂层刀具的制备方法如实施例1。
57.实施例3
58.一种如实施例1本发明的多层复合结构涂层刀具，由内向外依次为刀具基体、20(altinbn/altion)、alticon涂层组成，涂层总厚度为3.22μm；
59.其中，20(altinbn/altion)涂层厚度为2.02μm，alticon涂层厚度为1.2μm。
60.20(altinbn/altion)复合涂层包括由内向外设置的周期性相互交替沉积的altinbn层与altion层，包含20个周期，altinbn单层厚度为0.051μm，altion单层厚度为0.049μm。
61.alticon涂层为o/n化学计量比梯度降低的单层梯度结构的alticon层。
62.上述多层复合结构涂层中altinbn层按原子比组成为al
0.6
ti
0.35
nb
0.05
n，altion层按原子比组成为al
0.6
ti
0.35o0.05
n，alticon层按原子比组成为al
0.6
ti
0.35c0.05
(o
0.1～0n0.9～1
)1。
63.基体为w薄片和型号为wnmg080408-bm的硬质合金不锈钢车削用刀片。
64.上述本实施案例的多层梯度结构涂层刀具的制备方法如实施例1。
65.对比例1
66.对比刀具1为与实施例1、2、3的多层复合涂层刀具具有相同刀具基体成分与相同机械设计外形的wnmg080408-bm硬质合金不锈钢车削用刀片以及w薄片，采用相同的阴极电弧离子镀技术沉积制备ti
0.33
al
0.67
n单层均一涂层，涂层厚度3.12μm。
67.性能检测：
68.采用csm公司micro-combi tester型纳米压痕模块对实施例1、2、3和对比例1的涂层室温及经过不同高温退火后(ta＝800、900、1000、1100、1200℃)的纳米硬度和弹性模量进行测定，结果如图2所示。可以看到实施例1、2、3涂层经过高温退火后在900～1000℃仍保持高硬度力学性能，而对比例1涂层在900℃后硬度急剧下降，说明实施例1、2、3涂层的高温稳定性好于对比例1涂层。
69.将实施例1、2、3的多层复合涂层刀具、对比例1的刀具按照相同的切削加工条件进行加工，具体切削参数如下：
70.参数1：
71.加工材料sus316不锈钢
72.切削速度vc＝240/min
73.每齿进给量fz＝0.15mm/r
74.切削深度ap＝0.8mm
75.冷却方式干冷
76.参数2：
77.加工材料sus316不锈钢
78.切削速度vc＝200/min
79.每齿进给量fz＝0.3mm/r
80.切削深度ap＝1.5mm
81.冷却方式干冷
82.产品性能评估采用同寿命和全寿命两种标准，同寿命即切削相同时间，对比刀具前后刀面的磨损失效情况；全寿命以后面均匀磨损量vb达到0.25mm或刀具涂层剥落、崩刃明显、机床震动较大。
83.参数1下，试刀结果显示，同寿命下，在连续车削20分钟后实施例1、2、3涂层刀具后刀面磨损量vb分别为0.107、0.114、0.135mm，如表2所示。对比例1的刀具后刀面磨损量vb为0.237mm，已完全失效。全寿命下，实施例1、2、3涂层刀具及对对比例1的刀具完全失效时切削时间分别为38分钟、36分钟、33分钟及20分钟，本实施案例涂层1、2、3刀具寿命相对于对对比例1的刀具分别提升了90％、80％、65％。
84.表1实施例1、2、3与对比例1刀具寿命
[0085][0086][0087]
参数2下，试刀结果显示，同寿命下，在连续车削15分钟后实施例1、2、3涂层刀具后刀面磨损量vb分别为0.097、0.116、0.125mm，如表2所示。对比刀具1后刀面磨损量vb为0.221mm，已完全失效。全寿命下，实施例1、2、3涂层刀具及对比刀具1完全失效时切削时间分别为29分钟、27分钟、26分钟及15分钟，本实施案例涂层1、2、3刀具寿命相对于对比刀具1分别提升了93％、80％、73％。
[0088]
表2实施例1、2、3与对比例1刀具寿命
[0089][0090]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员和专业研究人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，如采用磁控溅射技术或其他物理气相沉积技术沉积制备上述设计概念涂层、打底层修饰层涂层的增加、其他多组元成分涂层的简单替换等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的
保护范围为准。