CN101831608B

CN101831608B - 一种纳米复合钛铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN101831608B
Application number: CN2010101763350A
Authority: CN
Inventors: 王成勇; 成晓玲; 余东海; 张凤林; 匡同春
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2030-05-11
Also published as: CN101831608A

Abstract

本发明公开了一种纳米复合钛铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法，刀具基体为WC/Co硬质合金，涂层包含有过渡层的纳米复合钛铝硅氮化物涂层，其中含有钛，铝，硅，氮元素，晶粒大小在5～15nm，涂层厚度1～4μm，涂层显微硬度33Gpa，高温稳定性达到1010℃以上；本发明的纳米复合钛铝硅氮化物涂层刀具采用离子镀与溅射镀相结合的方式制备的纳米复合结构涂层刀具，适用于高速条件下的高硬度钢材料切削加工。

Description

一种纳米复合钛铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种采用物理气相沉积技术涂覆的纳米复合钛铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法。

背景技术

刀具涂层技术较好地解决了刀具强度和韧性之间的矛盾，大大提高了刀具的耐用度和切削速度。自涂层刀具问世以来，刀具涂层技术取得了飞快的发展，涂层种类也越来越多。

早期利用物理气相沉积技术制备的硬质涂层材料，通常是简单的TiN、TiC涂层，其显微硬度约为HV 2300，应用温度为500～600℃，相对高速钢或硬质合金材料，具有较高的抗机械磨损、抗磨料磨损性能和较低的摩擦系数。目前有在TiN涂层中添加C、Al等元素形成多组元的多元涂层，如TiCN、TiAlN涂层，显微硬度达到HV 3000，具有比TiN，TiCN涂层更高的抗机械磨损、抗磨料磨损性能。TiAlN涂层的应用温度也提高到800℃以上。

随着汽车、航空、航天、重机等工业的发展，以及数控机床的迅速普及，机械加工技术正朝着提高加工效率，降低加工成本及减少环境污染的方向发展。高速加工、干式切削和微润滑切削成为目前切削加工的发展趋势。以前的硬质合金、高速钢刀具和目前广为应用的TiCN、TiAlN涂层刀具，虽然有效地提高了刀具的抗机械磨损、抗磨料磨损性能，仍不能满足现代化工业对刀具更好性能的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在硬质合金刀具表面涂覆纳米复合钛铝硅氮化物涂层及其制备方法。

本发明提供的一种纳米复合钛铝硅氮化物刀具涂层，按原子百分比计配比如下：钛30～60at.％，铝6～30at.％，硅2～20at.％，氮30～50at.％；所述钛铝硅氧化物刀具涂层的厚度为1～4微米。

本发明还提供一种纳米复合钛铝硅氮化物刀具涂层的制备方法，所述刀具涂层制备的步骤为：将经预处理后的未涂层刀具均匀固定在支架上，装入物理气相镀膜机中，调节工件支架转速为10～20rpm，抽至本底真空2.5～3.0×10^-3Pa，打开加热器升温至300～500℃；通入Ar气，调节真空室约为0.3～0.4Pa，基体加负偏电压290～310V，进行辉光溅射清洗9～11min，溅射功率7kw；随后开启极离子枪；然后降低基体偏电压至200～260V，同时向镀膜室通入N₂气，流量为200～300sccm、温度400～500℃、工作压力0.7～0.9Pa条件下，沉积TiN过渡层9～11min；根据通入反应气体N₂，沉积钛铝硅氮化物刀具涂层，沉积时间保持在100～120min；完成镀膜后，刀具随炉降温至170℃后取出常温冷却即可。

本发明使用的刀具基体为WC/Co硬质合金，刀具基体表面涂层为钛铝硅氮化物硬质涂层材料。

本发明的硬质合金刀具基体为高韧性K类硬质合金，WC的平均晶粒度为0.3～1微米。刀具基体为WC/Co硬质合金，涂层包含有过渡层的纳米复合钛铝硅氮化物涂层，其中含有钛，铝，硅，氮元素，晶粒大小在5～15nm，涂层厚度1～4μm，涂层显微硬度33Gpa，高温稳定性达到1010℃以上。

本发明是在WC/Co硬质合金刀具基体表面采用物理气相沉积技术涂镀一层钛/氮化钛过渡层，然后再涂镀一层钛铝硅氮化物涂层材料，其中过渡层的厚度0.1～0.5微米，钛铝硅氧化物涂层的厚度为1～4微米。其涂层配方如下：钛30～60at.％，铝6～30at.％，硅2～20at.％，氮30～50at.％；用本配方制成的钛铝硅氮化物涂层，其各成分总和应为100％。

本发明可以通过改变涂层中的铝和硅含量调节涂层的显微结构、显微硬度和抗高温氧化的性能，以适应不同的加工对象和切削条件。

本发明涉及的刀具基体预处理工艺为：未涂层刀具经过金属清洗液超声波清洗、去离子水漂洗、酒精超声清洗，丙酮脱水。

本发明的有益效果是：

使用本发明制成的刀具，其抗机械磨损性能和抗磨料磨损性能均有大幅度提高，可以满足现代化工业对合金刀具更好性能的需求，有巨大的市场潜力和切实的使用价值。

附图说明

图1涂层结构意义图。

其中，1-硬质合金刀具基体，2-钛/氮化钛过渡层，3-复合钛铝硅氮化物涂层材料。

图2涂层X射线衍射图。

图3涂层高温抗氧化性分析。

具体实施方式

本发明是在WC/Co硬质合金刀具基体表面采用物理气相沉积技术涂镀一层钛/氮化钛过渡层，然后再涂镀一层钛铝硅氮化物涂层材料，其中过渡层的厚度0.1～0.5微米，钛铝硅氧化物涂层的厚度为1～4微米。

其涂层配方分别如下：

钛44at.％，铝16at.％，硅5at.％，氮35at.％；

钛30at.％，铝20at.％，硅20at.％，氮30at.％；

钛60at.％，铝6at.％，硅2at.％，氮32at.％；

钛30at.％，铝30at.％，硅10at.％，氮30at.％；

钛38at.％，铝10at.％，硅2at.％，氮50at.％；

钛50at.％，铝8at.％，硅2at.％，氮40at.％；

本发明的镀膜步骤为：将经预处理后的未涂层刀具均匀固定在支架上，间距为10mm，装入镀膜机中，调节工件支架转速为10rpm，抽至本底真空3.0×10^-3Pa，同时打开加热器，升温至400℃，打开Ar气流量阀，调节真空室约为0.3Pa，基体加负偏电压300V，进行辉光溅射清洗10min，溅射功率7kw；随后开启极离子枪，以Ti离子高能轰击基体4分钟；然后降低基体偏电压至200V，同时打开N₂气流量阀，在流量200sccm、温度400℃、工作压力0.7Pa条件下，沉积TiN过渡层10min；根据通入反应气体N₂，沉积涂层，沉积时间保持在100min；完成镀膜后，刀具随炉降温至170℃后取出常温冷却即可。

在K30硬质合金立铣刀表面，制备的钛铝硅氮化物涂层立铣刀，刀具表面涂层厚度为2～3微米，含有钛/氮化钛的过渡层0.1～0.5微米，与在相同硬质合金立铣刀表面沉积的氮化钛涂层立铣刀和无涂层的硬质合金立铣刀在高速切削淬硬钢的寿命对比实验，每种刀具各取5支，平均寿命分别为：无涂层刀具切削9.2m，氮化钛涂层刀具切削23.1m，纳米复合钛铝硅氮化物涂层刀具(涂层配方：钛44at.％，铝16at.％，硅5at.％，氮35at.％)切削54.6m。其切削条件为工件材料：DIN 1.2311(HRC 52)，切削速度：200m/min，进给率：0.02mm/tooth，切深：0.1mm，切宽：2mm，干铣，顺铣。

Claims

1.一种纳米复合钛铝硅氮化物刀具涂层的制备方法，其特征在于涂层刀具的涂层步骤为：将经预处理后的未涂层刀具均匀固定在支架上，装入物理气相镀膜机中，调节工件支架转速为10～20rpm，抽至本底真空2.5～3.0×10^-3Pa，打开加热器升温至300～500℃；通入Ar气，调节真空室为0.3～0.4Pa，基体加负偏电压290～310V，进行辉光溅射清洗9～11min，溅射功率7kw；随后开启极离子枪；然后降低基体偏电压至200～260V，同时向镀膜室通入N₂气，流量为200～300sccm、温度400～500℃、工作压力0.7～0.9Pa条件下，沉积TiN过渡层9～11min；通入反应气体N2，沉积钛铝硅氮化物刀具涂层，沉积时间保持在100～120min；完成镀膜后，刀具随炉降温至170℃后取出常温冷却即可；

所述的钛铝硅氮化物刀具涂层按原子百分比计配比如下：钛30～60at.％，铝6～30at.％，硅2～20at.％，氮30～50at.％；所述钛铝硅氧化物刀具涂层的厚度为1～4微米。