CN101200797B - 一种切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层及其制备方法 - Google Patents

一种切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种切削不锈钢用的PVD纳米多层涂层及其制备方法，具体制作工艺如下：(A)将硬质合金基体做表面清洁处理；(B)接着在真空条件下，采用多靶磁控溅射方法在旋转运动的硬质合金基体上交替沉积以TiN/(Tix，Al1-x)N/(Tiy，Al1-y)N/(Tix，Al1-x)N为调制周期的纳米多层涂层，采用Ar2为溅射气体，Ar的流量为180～300cm3/s，Ar的分压为1.7～9.0′10-1Pa，反应气体为N2，并通过控制N2的分压来控制总压。本发明将具有优良高温抗氧化性能的高Al含量TiAlN引入到多层涂层材料体系中，提高了涂层的高温抗氧化性能和硬度，通过显微结构优化设计，改善了涂层的韧性，使该种涂层在具有高温抗氧化性能的同时，还获得了优异的力学性能。本发明所制备的纳米多层涂层在不锈钢切削加工中具有很大的应用价值。

Description

一种切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层，该涂层可用于切削刀具技术领域，特别适用于不锈钢类材料的切削加工，本发明还涉及切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层的制备方法。
背景技术
高速切削及干式切削由于其机械加工效率高，环境污染少，正日益成为切削技术发展的主流。这种加工技术对刀具涂层的性能提出了更高的要求，不仅要求刀具涂层硬度高，摩擦系数小，而且还需具有较高的抗氧化能力。常用的TiN等单一涂层由于硬度不高(室温硬度低于25GPa)，不能满足切削加工技术的进一步发展。在TiN涂层基础上加入金属元素(如Al、Cr、Zr等)可以进一步提高其硬度和抗氧化性，其中(Ti，Al)N涂层的硬度(约33GPa)和高温抗氧化能力，均较TiN涂层有很大提高，成为目前最常用的刀具涂层材料。同普通钢材相比，不锈钢属于难加工材料，其加工硬化现象严重、切削阻力大、切削温度高。普通的TiAlN涂层HV硬度为30±5GPa，抗氧化温度为800℃，已经不能很好地满足不锈钢在高速切削和干式切削苛刻服役条件下的需要。提高TiAlN涂层中的Al含量可以提高涂层的硬度和抗氧化性能，但过高的Al含量会导致涂层的晶体结构由面心立方结构向密排六方结构转变，从而使涂层的力学性能急剧下降。
两种材料以纳米量级交替沉积形成的纳米多层涂层中，存在着硬度异常升高的超硬效应。此类涂层由两种剪切模量不同的材料组成，借助于界面对位借移动及裂纹扩展的阻滞作用，可使涂层的硬度、弹性模量和断裂强度等力学性能显著提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高温抗氧化性能、韧性、硬度、弹性模量和断裂强度等力学性能较高的切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种工艺简单、操作方便的切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明是提供切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层，纳米多层涂层由Ti N层、(Tix，Al1-x)N层、(Tiy，Al1-y)N和(Tix，Al-x)N交替沉积在硬质合金基体上组成，涂层总的厚度控制在2～6μm，其中TiN单层厚度控制在2～8nm，(Tix，Al1-x)N单层厚度控制在1～5nm，(Tiy，Al1-y)N单层厚度控制在1～5nm，所述的TixAl1-x和TiyAl1-y靶材的成分为0.5＜x＜1，0.3＜y＜0.5。
在沉积纳米多层涂层前依次预先沉积厚度分别为20～30nm的Ti和20～40nm的TiN过渡层。
本发明提供的切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层的制备方法，具体制作工艺如下：
(A)、将硬质合金基体做表面清洁处理；
(B)、接着在真空条件下，采用多靶磁控溅射方法在旋转运动的硬质合金基体上交替沉积以TiN/(Tix，Al1-x)N/(Tiy，Al1-y)N/(Tix，Al1-x)N为调制周期的纳米多层涂层，采用Ar为溅射气体，Ar2的流量为180～300cm3/s，Ar的分压为1.7～9.0×10-1Pa，反应气体为N2，并通过控制N2的分压来控制总压。
在步骤(A)之后、步骤(B)之前增加步骤(A)：在处理后的硬质合金基体上沉积厚度为20～30nm的金属Ti和20～40nm TiN的过渡层。
采用1块Ti靶，2块TixAl1-x靶和1块TiyAl1-y靶。
多靶反应磁控溅射时，四块工作靶材的摆放位置为：Ti靶和TiyAl1-y靶分别置于真空室的8、10号位置，两块TixAl1-x靶分别置于真空室的9、11号位置。
多靶反应磁控溅射过程中，通过载物基座的旋转获得具有成分调制结构的纳米多层涂层，每一层的厚度由基座的旋转速度以及溅射靶的功率来控制。基座的旋转速度控制在0.5～2圈/分钟，靶材的功率控制在9000～11000W。真空条件为真空度高于3×10-3Pa。
本发明将具有优良高温抗氧化性能的高Al含量TiAlN引入到多层涂层材料体系中，提高了涂层的高温抗氧化性能和硬度，通过显微结构优化设计，改善了涂层的韧性，使该种涂层在具有高温抗氧化性能的同时，还获得了优异的力学性能。本发明所制备的纳米多层涂层在不锈钢切削加工中具有很大的应用价值。
附图说明
图1是在硬质合金基体上沉积以TiN/(Tix，Al1-x)N/(Tiy，Al1-y)N/(Tix，Al1-x)N为调制周期的纳米多层涂层结构示意图；
图2是纳米多层涂层沉积时靶材的位置示意图(Ti靶和TiyAl1-y靶分别置于真空室的8、10号位置，两块TixAl1-x靶分别置于真空室的9、11号位置)。
图中：
1-TiN；2-TixAl1-xN；3-TiyAl1-yN；4-TixAl1-xN；5-TiN 过渡层；6-Ti过渡；7-基体；8，9，10，11分别表示涂层炉的四个靶材位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
用牌号为YG8、型号为CNMG120408的硬质合金刀片做基体分别沉积普通的TiAlN涂层和本发明的纳米多层涂层之后切削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)。
参见图1，具体制作工艺如下：
(A)、将硬质合金基体7做表面清洁处理；
(A′)：在处理后的硬质合金基体7上沉积厚度为20～30nm的金属Ti层6和20～40nm Ti N的过渡层5；
(B)、采用1块Ti靶，2块TixAl1-x靶和1块TiyAl1-y靶。多靶反应磁控溅射时，四块工作靶材的摆放位置为：Ti靶和TiyAl1-y靶分别置于真空室的8、10号位置，两块TixAl1-x靶分别置于真空室的9、11号位置，真空室的真空度高于3×10-3Pa，硬质合金基体旋转速度控制为2圈/分钟，靶材的功率控制在11000W，采用多靶磁控溅射方法交替沉积以TiN/(Tix，Al1-x)N/(Tiy，Al1-y)N/(Tix，Al1-x)N为调制周期的纳米多层涂层，采用Ar为溅射气体，Ar的流量为300cm3/s，Ar的分压为1.7×10-1Pa，反应气体为N2，并通过控制N2的分压来控制总压。
参见图1，1-TiN；2-TixAl1-xN；3-TiyAl1-yN；4-TixAl1-xN；5-TiN过渡层；6-Ti过渡；7-基体；本发明沉积的TiN/(Ti0.7，Al0.3)N/(Ti0.4，Al0.6)N/(Ti0.7，Al0.3)N涂层厚度为3μm。加工参数为：切削线速度Vc＝200m/mi n，进给量为f＝0.2mm/r，切削深度ap＝1.0mm。加工状况：干式切削。切削结果见表1。
表1  在CNMG 120408硬质合金刀片基体沉积Ti Al N涂层和纳米多层涂层之后切削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的使用寿命
  产品编号   使用寿命   备注
  TiAlN涂层(工业界现在使用的涂层)   8min   切削线速度200m/min，进给量0.2mm/r，切削深度1mm，干式切削
  纳米多层涂层(本工作制备的涂层)   15min   切削线速度200m/min，进给量0.2mm/r，切削深度1mm，干式切削
实施例2
用牌号为YG10、型号为SEET12T3的硬质合金刀片做基体分别沉积普通的TiAlN涂层和本发明的纳米多层涂层之后铣削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)。
参见图1，具体制作工艺如下：
(A)、将硬质合金基体7做表面清洁处理；
(A)：在处理后的硬质合金基体7上沉积厚度为20～30nm的金属Ti层6和20～40nm TiN的过渡层5；
(B)、采用1块Ti靶，2块TixAl1-x靶和1块TiyAl1-y靶。多靶反应磁控溅射时，四块工作靶材的摆放位置为：Ti靶和TiyAl1-y靶分别置于真空室的8、10号位置，两块TixAl1-x靶分别置于真空室的9、11号位置，真空室的真空度高于3×10-3Pa，硬质合金基体旋转速度控制为0.5圈/分钟，靶材的功率控制在9000W，采用多靶磁控溅射方法交替沉积以TiN/(Tix，Al1-x)N/(Tiy，Al1-y)N/(Tix，Al1-x)N为调制周期的纳米多层涂层，采用Ar为溅射气体，Ar2的流量为180cm3/s，Ar的分压为9.0×10-1Pa，反应气体为N2，并通过控制N2的分压来控制总压。
参见图1，1-TiN；2-TixAl1-xN；3-TiyAl1-yN；4-TixAl1-xN；5-TiN过渡层；6-Ti过渡；7-基体；本发明沉积的TiN/(Ti0.6，Al0.4)N/(Ti0.35，Al0.65)N/(Ti0.6，Al0.4)N涂层，涂层厚度为3μm。加工参数：切削线速度Vc＝120m/min，进给量为f＝0.2mm/r，切削深度ap＝1.0mm。加工状况：干式切削。切削结果见表2。
表2在SEET12T3硬质合金刀片基体沉积TiAlN涂层和纳米多层涂层之后切削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的使用寿命
  产品编号   使用寿命   备注
  普通Ti Al N涂层(工业界现在使用的涂层)   25min   切削线速度120m/min，进给量为0.2mm/r，切削深度1mm，干式切削
  纳米多层涂层(本工作制备的涂层)   40min   切削线速度120m/min，进给量为0.2mm/r，切削深度1mm，干式切削

Claims (8)

1.一种切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层，其特征是：纳米多层涂层由TiN层、(Tix，Al1-x)N层、(Tiy，Al1-y)N和(Tix，Al1-x)N交替沉积在硬质合金基体上组成，涂层总的厚度控制在2～6μm，其中Ti N单层厚度控制在2～8nm，(Tix，Al1-x)N单层厚度控制在1～5nm，(Tiy，Al1-y)N单层厚度控制在1～5nm，TixAl1-x和TiyAl1-y靶材的成分为0.5＜x＜1，0.3＜y＜0.5。
2.根据权利要求1所述的切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层，其特征是：在沉积纳米多层涂层前依次预先沉积厚度分别为20～30nm的Ti和20～40nm的TiN过渡层。
3.制备权利要求1所述的切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层的方法，其特征是：具体制作工艺如下：
(A)、将硬质合金基体做表面清洁处理；
(B)、接着在真空条件下，采用多靶磁控溅射方法在旋转运动的硬质合金基体上交替沉积以TiN/(Tix，Al1-x)N/(Tiy，Al1-y)N/(Tix，Al1-x)N为调制周期的纳米多层涂层，采用Ar2为溅射气体，Ar2的流量为180～300cm3/s，Ar2的分压为1.7～9.0×10-1Pa，反应气体为N2，并通过控制N2的分压来控制总压。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：在步骤(A)之后、步骤(B)之前增加步骤(A′)：在处理后的硬质合金基体上沉积厚度为20～30nm的金属Ti和20～40nm TiN的过渡层。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：采用1块Ti靶，2块TixAl1-x靶和1块TiyAl1-y靶。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是：多靶反应磁控溅射时，四块工作靶材的摆放位置为Ti靶和TiyAl1-y靶分别置于真空室的8、10号位置，两块TixAl1-x靶分别置于真空室的9、11号位置。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：所述的硬质合金基体的旋转速度控制在0.5～2圈/分钟，靶材的功率控制在9000～11000W。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：所述的真空条件为真空度高于3×10-3Pa。
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