CN101596607A - TiZrN涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种硬质涂层刀具及其制备方法。该刀具为采用多弧离子镀膜法制备的TiZrN+Zr/Ti+Ti复合涂层刀具，刀具表面为合金氮化物TiZrN层，TiZrN层与刀具基体之间具有Ti和Zr/Ti过渡层。该刀具表面的TiZrN层有着很高的硬度和强度、较低的摩擦系数、较好的抗氧化性能和热稳定性、高抗热震性能，优异的抗磨损和抗腐蚀性能，切削过程中可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。该涂层刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工以及有色金属的切削加工。

Description

TiZrN涂层刀具及其制备方法

技术领域

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种硬质涂层刀具及其制备方法。

背景技术

TiN薄膜作为一种硬质涂层，已经广泛应用于机械加工刀具、刃具、各种模具、各种耐磨涂层和各种金属的耐腐蚀涂层和装饰涂层等。TiN基薄膜是比较理想的薄膜体系，在一个相当宽的成分范围内比较稳定，而且薄膜合成工艺已经成熟。但是TiN涂层也暴露出了一些问题，如抗氧化温度低(450℃)、热硬度低等，而且TiN薄膜一般呈柱状结构，这种柱状结构之间存在着贯穿整个膜层的孔隙(也叫做针孔状结构)，而使基材得不到保护，耐腐蚀性差，尤其是不耐碱腐蚀。TiN基合金薄膜有着比TiN薄膜更优异的性能，成为新一代硬质薄膜研究的重要内容之一。

中国专利“专利号：200510104988”报道了利用磁控溅射方法制备的至少两层的多层结构的Ti基薄膜或Cr基薄膜，Ti基薄膜为Ti层、TiN层、Ti层、TiN层依次交错构成，Cr基薄膜为Cr层、CrN层、Cr层、CrN层依次交错构成。中国专利“申请号：200610029133”报道了采用在氩气氛中的双靶溅射技术在抛光的金属或陶瓷基体表面交替沉积ZrO₂层和TiN层得到的ZrO₂/TiN纳米多层涂层，ZrO₂层的厚度为2～8nm，TiN层厚为0.4～1.2nm，涂层总厚度为2～5μm。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种硬质涂层刀具及其制备方法。该刀具其涂层为多层结构，刀具表面为合金氮化物TiZrN层，TiZrN层与刀具基体之间有Ti和Zr/Ti过渡层，以减小残余应力，增加涂层与刀具基体间的结合强度。该硬质涂层刀具进行干切削时，可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。

本发明是通过以下方式实现的。

TiZrN涂层刀具，基体材料为高速钢或硬质合金，涂层材料为：Ti、Zr/Ti和TiZrN；刀具表面为合金氮化物TiZrN层，TiZrN层与刀具基体之间有Ti和Zr/Ti过渡层。

TiZrN涂层刀具的制备方法，其特征在于沉积方式为多弧离子镀膜法镀Zr、Zr/Ti及TiZrN，其制备方法的步骤为：

(1)前处理：将刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空7.0×10^-3Pa，加热至200℃，保温30～40min；

(2)离子清洗：通Ar₂，其压力为0.6～1.5Pa，开启偏压电源，电压800～900V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；偏压降低至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压400V，靶电流50～70A，离子轰击Ti靶0.5min；

(3)沉积Ti：调整Ar₂压为0.4～0.5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 1～2min；

(4)沉积Ti/Zr：调整Ar₂压为0.4～0.5Pa，偏压150V，同时开启Ti靶和Zr靶，靶电流50～60A，电弧镀Ti和Zr 2～3min；

(5)沉积TiZrN：调整工作气压为0.4～0.5Pa，偏压150V，Ti靶和Zr靶的靶电流90～100A；开启N₂，调整N₂与Ar₂的分压比为1∶1，电弧镀TiZrN 60～80min；

(6)后处理：关闭钛靶、锆靶，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

通过上述工艺制备的TiZrN涂层刀具，刀具表面为合金氮化物TiZrN层，TiZrN层与刀具基体间具有Ti和Zr/Ti过渡层，可减小残余应力，增加涂层与刀具基体间的结合强度。由于Zr掺杂，造成涂层的混晶强化、晶格畸变，使得涂层硬度很大；TiN薄膜柱状结构的孔隙大为减少，涂层抗腐蚀性能提高。该涂层刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工以及有色金属的切削加工，利用TiZrN涂层刀具进行干切削是一种环境效益和经济效益俱佳的工艺选择，具有广阔应用前景。

附图说明

附图为本发明的TiZrN涂层刀具的涂层结构示意图。图中：1为刀具基体、2为Ti层、3为Zr/Ti层、4为TiZrN层。

具体实施方式：

下面给出本发明的二个最佳实施例：

实施例一：如附图所示，TiZrN涂层刀具及其制备方法，该刀具的基体材料为：W18Cr4V高速钢；涂层材料为：Ti、Zr/Ti和TiZrN；沉积方式为：多弧离子镀膜法镀Ti、Zr/Ti和TiZrN。其制备工艺步骤如下：

(1)前处理：将W18Cr4V高速钢刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空7.0×10^-3Pa，加热至200℃，保温30min；

(2)离子清洗：通Ar₂，其压力为0.8Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；偏压降低至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶0.5min；

(3)沉积Ti：调整Ar₂气压为0.4Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 2min；

(4)沉积Ti/Zr：调整Ar₂气压为0.4Pa，偏压150V，同时开启Ti靶和Zr靶，靶电流60A，电弧镀Ti和Zr 3min；

(5)沉积TiZrN：调整工作气压为0.4Pa，偏压200V，Ti靶和Zr靶的靶电流90A；开启N₂，调整N₂与Ar₂的分压比为1∶1，电弧镀TiZrN 60min；

(6)后处理：关闭钛靶、锆靶，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

实施例二：如附图所示，TiZrN涂层刀具及其制备方法，该刀具的基体材料为：YT15硬质合金；涂层材料为：Ti、Zr/Ti和TiZrN；沉积方式为：多弧离子镀膜法镀Ti、Zr/Ti和TiZrN。其制备工艺步骤如下：

(1)前处理：将YT15硬质合金刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空7.0×10^-3Pa，加热至200℃，保温40min；

(2)离子清洗：通Ar₂，其压力为1.0Pa，开启偏压电源，电压900V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；偏压降低至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压400V，靶电流70A，离子轰击Ti靶0.5min；

(3)沉积Ti：调整Ar₂气压为0.45Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 2min；

(4)沉积Ti/Zr：调整Ar₂气压为0.45Pa，偏压150V，同时开启Ti靶和Zr靶，靶电流60A，电弧镀Ti和Zr 3min；

(5)沉积TiZrN：调整工作气压为0.45Pa，偏压150V，Ti靶和Zr靶的靶电流100A；开启N₂，调整N₂与Ar₂的分压比为1∶1，电弧镀TiZrN 80min；

(6)后处理：关闭钛靶、锆靶，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

Claims (2)

1、TiZrN涂层刀具，刀具基体材料为高速钢或硬质合金，其特征是涂层材料为：Ti、Zr/Ti和TiZrN；刀具表面为合金氮化物TiZrN层，TiZrN层与刀具基体之间有Ti和Zr/Ti过渡层。

2、TiZrN涂层刀具的制备方法，其特征在于沉积方式为多弧离子镀膜法镀Ti、Zr/Ti和TiZrN，其制备方法的步骤为：

(1)前处理：将刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空7.0×10^-3Pa，加热至200℃，保温30～40min；

(2)离子清洗：通Ar₂，其压力为0.6～1.5Pa，开启偏压电源，电压800～900V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；偏压降低至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压400V，靶电流50～70A，离子轰击Ti靶0.5min；

(3)沉积Ti：调整Ar₂气压为0.4～0.5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 1～2min；

(4)沉积Ti/Zr：调整Ar₂气压为0.4～0.5Pa，偏压150V，同时开启Ti靶和Zr靶，靶电流50～60A，电弧镀Ti和Zr 2～3min；

(5)沉积TiZrN：调整工作气压为0.4～0.5Pa，偏压150V，Ti靶和Zr靶的靶电流90～100A；开启N₂，调整N₂与Ar₂的分压为1∶1，电弧镀TiZrN 60～80min；

(6)后处理：关闭钛靶、锆靶，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

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