CN101831615A - 一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法 - Google Patents

一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米复合钛铬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铬铝硅氮化物涂层，其中含有钛、铬、铝、硅和氮元素，晶粒大小在5～15nm，涂层厚度1～4μm，涂层显微硬度30GPa，高温稳定性达到1022℃以上；本发明的纳米复合钛铬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

一种纳米复合钛铬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铬铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法。
背景技术
刀具涂层是采用物理或化学的气相沉积方法在强度和韧性较好的硬质合金、高速钢或陶瓷刀片基体表面上镀覆一层几个微米的高硬度，高耐磨性的金属或非金属的化合物涂层而获得的。以减少刀具与工件间的扩散和化学反应，保护刀具基体材料，提高刀具的耐磨性和切削硬度。
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，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，但涂层的高温抗氧化性较低，不能适用于高速加工或干切削的条件。为了进一步提高刀具的高温性能，目前有在TiN涂层中添加Cr、Al等元素形成多组元的多元涂层，如TiCrN、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，且涂层的应用温度也提高到800℃以上。
目前广泛应用的TiCrN、TiAlN硬质合金涂层刀具，虽然有效地提高了刀具的抗机械磨损和高温抗氧化性能，仍不能满足现代高速加工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铬铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法。
本发明提供的一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层，所述的涂层按原子百分比计配比如下：钛25～45at.％，铬5～20at.％，铝5～20at.％，硅5～15at.％，氮30～40at.％；
所述钛铬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铬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，间距大于等于10mm，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，同时打开加热器，升温至300～500℃；打开Ar气流量阀，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，以Ti离子高能轰击基体3～5分钟以活化基体表面；然后降低基体偏电压至200～260V，同时打开N2气流量阀，在流量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，沉积钛铬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铬铝硅氮化物硬质涂层材料。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铬铝硅氮化物涂层，其中含有钛、铬、铝、硅和氮元素，晶粒大小在5～15nm，涂层厚度1～4μm，涂层显微硬度30Gpa，高温稳定性达到1022℃以上。
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；
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，然后再涂镀一层钛铬铝硅氮化物涂层材料，其中过渡层的厚度0.1～0.5微米，钛铬铝硅氧化物涂层的厚度为1～4微米。其涂层配方如下：钛25～45at.％，铬5～20at.％，铝5～20at.％，硅5～15at.％，氮30～40at.％
用本配方制成的钛铬铝硅氮化物涂层，其各成分总和应为100at.％。
本发明可以通过改变涂层中的铬、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-复合钛铬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，然后再涂镀一层钛铬铝硅氮化物涂层材料，其中过渡层的厚度0.1～0.5微米，钛铬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40at.％，铬10at.％，铝10at.％，硅5at.％，氮35at.％；
钛25at.％，铬20at.％，铝20at.％，硅5at.％，氮30at.％；
钛30at.％，铬15at.％，铝15at.％，硅10at.％，氮30at.％；
钛45at.％，铬5at.％，铝5at.％，硅5at.％，氮40at.％；
钛25at.％，铬10at.％，铝10at.％，硅15at.％，氮40at.％；
钛40at.％，铬20at.％，铝5at.％，硅5at.％，氮30at.％；
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，制备的钛铬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，纳米复合钛铬铝硅氮化物涂层刀具(其涂层配方：钛40at.％，铬10at.％，铝10at.％，硅5at.％，氮35at.％)切削58.4m。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 (2)

1.一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层，其特征在于所述的涂层按原子百分比计配比如下：钛25～45at.％，铬5～20at.％，铝5～20at.％，硅5～15at.％，氮30～40at.％；
所述钛铬铝硅氧化物刀具涂层的厚度为1～4微米。
2.一种权利要求1所述的纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层的制备方法，其特征在于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，间距大于等于10mm，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，同时打开加热器，升温至300～500℃；打开Ar气流量阀，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，以Ti离子高能轰击基体3～5分钟以活化基体表面；然后降低基体偏电压至200～260V，同时打开N2气流量阀，在流量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，沉积钛铬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。
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