CN102899613B - AlTiN高速切削刀具涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlTiN高速切削刀具涂层的制备方法，将高速切削刀具预处理后放入电弧离子镀膜设备中的转架杆上，以矩形Ti靶作为底层的Ti来源，矩形Ti靶安置在炉体左内壁上，通过矩形靶电弧电源的电流控制矩形Ti靶的溅射率；以圆形AlTi靶作为制备AlTiN涂层的Al、Ti元素来源，圆形AlTi靶共三个，以均布的方式安置在炉体右内壁上，通过圆形AlTi靶电弧电源的电流控制AlTi靶的溅射率；采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯N2作为反应气体，使其离化并与Al、Ti元素结合，在高速切削刀具表面沉积形成AlTiN涂层。该AlTiN涂层抗氧化温度可以达到900℃，具有优良的抗氧化性能。
Description
技术领域
本发明属于涂层材料制备领域，进一步涉及一种在刀具表面制备具有高硬度、耐磨损和抗氧化的AlTiN硬质涂层的方法。该涂层特别适合于在高速干切削等严酷服役条件下的刀具领域应用。
背景技术
近年来，刀具切削技术正向高速（≥100米/分钟）干式切削方向发展，而干式切削是一种在加工过程中不使用切削液的加工方法。干切削不是简单地停止使用切削液，而是要在停止使用切削液的同时，保证高加工效率、高产品质量、高的刀具耐用度以及切削过程的可靠性，这就需要使用耐磨损和抗氧化性能优良的干切削刀具。
对刀具表面进行涂层处理，是提高刀具切削性能的重要途径。近十年来，刀具涂层技术发展非常迅速，涂层材料多达十几种之多，如TiN、CrN、TiC等。这类涂层硬度高，耐磨性好，但在800℃以上的高温条件下其抗氧化性能明显不足。AlTiN刀具涂层在高温切削下比TiN更耐磨损，且具有优良的抗氧化性能。研究认为，AlTiN涂层优良的抗氧化性能可归功于高温时涂层表面的部分Al氧化后，在切屑/刀具界面形成Al2O3薄膜，把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的AlTiN涂层还可以通过减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。AlTiN涂层刀具既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。因此，AlTiN涂层在高速连续干切削时，优于TiN、CrN、TiC等传统刀具涂层，具有巨大的应用潜力。
目前AlTiN涂层制备主要采用小圆弧离子镀技术，优点是靶材利用率高，但小圆弧靶冷却不好，涂层中的液滴过大，导致涂层结构较为疏松，表面粗糙度差，影响涂层的使用寿命。
发明内容
基于传统硬质涂层抗氧化性能的不足，本发明的目的在于，提供一种采用矩形靶与圆弧靶复合的电弧离子镀制备AlTiN涂层的新方法，特别适合于在高速干切削等严酷服役条件下的刀具领域应用。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种AlTiN高速切削刀具涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1）将高速切削刀具预处理后放入电弧离子镀膜设备中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，或者自转，以保证镀膜过程的均匀性；
2）以矩形Ti靶作为底层的Ti来源，矩形Ti靶安置在炉体左内壁上，通过矩形靶电弧电源的电流控制矩形Ti靶的溅射率；以圆形AlTi靶作为制备AlTiN涂层的Al、Ti元素来源，其中Al、Ti元素的原子成分比例为Al/Ti=67/33，圆形AlTi靶共三个，以均布的方式安置在炉体右内壁上，通过圆形AlTi靶电弧电源的电流控制AlTi靶的溅射率；采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯N2作为反应气体，使其离化并与Al、Ti元素结合，在高速切削刀具表面沉积形成AlTiN涂层；
3）制备工艺条件：
A）高速切削刀具等离子体清洗：
高速切削刀具装入真空室后，抽真空并加热到480℃不变，镀膜前，通入10mL/min的Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-1000V对真空室的高速切削刀具表面进行轰击清洗，持续30分钟；
B）Ti底层制备：
高速切削刀具清洗完成后，调节Ar流量到20mL/min，将真空室气压调至0.3Pa，打开矩形Ti靶电弧电源，弧电流110A，调整偏压到-300V，制备Ti底层，持续10分钟。
C）AlTiN涂层制备：
Ti底层制备完成后，将偏压调整为-200V，打开N2开关，调整N2流量使真空室气压为0.6Pa，将矩形Ti靶关闭，将圆形AlTi靶打开，电流为80A，开始在Ti底层上制备AlTiN涂层，持续70分钟，镀膜过程中真空室温度由加热器加热维持为480℃。
本发明的方法引入矩形电弧放电靶，通过矩形靶电弧放电先在高速切削刀具表面制备Ti底层，显著提高了涂层与高速切削刀具的结合力。随后，AlTiN涂层由圆弧靶放电离化沉积完成。这一独特的复合沉积工艺既保证了涂层结合力的提高，又保证了涂层致密性、耐磨性能和抗氧化性能的提高。
经测定，采用本发明方法制备的AlTiN高速切削刀具涂层，其AlTiN涂层厚度为2.5微米，原子成分含量为Ti：18at.%，Al：24at.%，N：58at.%。涂层硬度30GPa，在室温干摩擦和对副为GCr15条件下，销盘实验测出的AlTiN涂层的摩擦系数为0.4，表明AlTiN涂层具有优良的耐磨损性能。
附图说明
图1为电弧离子镀膜设备结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例给出一种采用电弧离子镀膜技术在高速钢表面制备抗氧化AlTiN涂层的方法，需要说明的是，本发明的方法制备的抗氧化AlTiN涂层，可以在任何刀具选用的材料上进行，并不限于该实施例。
本实施例的具体制备过程是：
（1）采用经1170℃淬火，550℃回火后的硬度为HRC=60的高速切削刀具（材料：W18Cr4V）作为样品，经表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，酒精脱水。
（2）将预处理好的样品放入电弧离子镀膜设备中。如图1所示，电弧离子镀膜设备至少包括外加电源偏压1、转台架2、真空室3、转架杆4、矩形靶5、永磁体6、圆形AlTi靶（7、8、9）（粉末冶金靶，其中Al、Ti元素的原子成分比例为Al/Ti=67/33）、加热器10、泵组11。样品置于转架杆4上，转架杆4可以随转台架2转动，也可以自转，这样就保证了镀膜过程的均匀性。
（3）采用840×140×10mm的矩形Ti靶5作为Ti底层的Ti来源，通过矩形Ti靶5的弧电源电流控制Ti靶5的溅射率；采用直径尺寸为65mm的圆形AlTi靶（7、8、9）作为制备AlTiN涂层的Al、Ti元素的来源，如图1所示，三个圆形AlTi靶以均布的方式安置在炉体右内壁上，并通过调整圆形AlTi靶的电源电流控制圆形AlTi靶（7、8、9）的溅射率，采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯N2作为反应气体，使其离化并与各靶中的Al、Ti元素结合，在样品表面沉积形成AlTiN涂层。
（4）AlTiN涂层的优化工艺条件为：
A）样品等离子体清洗：
样品装入真空室后，抽真空并加热到480℃不变。通入10mL/min的Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-1000V对真空室中的样品表面进行轰击清洗，持续30分钟。
B）Ti底层制备：
样品清洗完成后，调节Ar流量到20mL/min，将真空室气压调至0.3Pa，打开矩形Ti靶电弧电源，弧电流110A，调整偏压到-300V，制备Ti底层，持续10分钟。
C）AlTiN涂层制备：
Ti底层制备完成后，将偏压调整为-200V，打开N2开关，调整N2流量使真空室气压为0.6Pa，将矩形Ti靶关闭，将圆形AlTi靶打开，电流为80A，开始制备AlTiN涂层，持续70分钟，镀膜过程中真空室温度由加热器加热维持为480℃。
经测定，采用本发明方法在高速切削刀具表面制备的AlTiN涂层，厚度为2.5微米，原子成分含量为Ti：18at.%，Al：24at.%，N：58at.%。涂层硬度30GPa，在室温干摩擦和对副为GCr15条件下，销盘实验测出的AlTiN涂层的摩擦系数为0.4，表明涂层具有优良的耐磨损性能。
将所制备的AlTiN涂层在空气炉中加热到900℃，保温1小时，冷却到室温后，发现涂层表面没有开裂及脱落现象，证实AlTiN涂层抗氧化温度可以达到900℃，表明该AlTiN涂层具有优良的抗氧化性能。
Claims (2)
1.一种AlTiN高速切削刀具涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1）将高速切削刀具经预处理后放入电弧离子镀膜设备中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，或者自转，以保证镀膜过程的均匀性；
2）以矩形Ti靶作为底层的Ti来源，矩形Ti靶安置在炉体左内壁上，通过矩形靶电弧电源的电流控制矩形Ti靶的溅射率；以圆形AlTi靶作为制备AlTiN硬质涂层的Al、Ti元素来源，其中Al、Ti元素的原子成分比例为Al/Ti=67/33，圆形AlTi靶共三个，以均布的方式安置在炉体右内壁上，通过圆形AlTi靶电弧电源的电流控制圆形AlTi靶的溅射率；采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯N2作为反应气体，使其离化并与Al、Ti元素结合，在高速切削刀具表面沉积形成AlTiN涂层；
3）制备工艺条件：
A）高速切削刀具等离子体清洗：
高速切削刀具装入真空室后，抽真空并加热到480℃不变，通入10mL/min的Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-1000V对真空室内的高速切削刀具表面进行轰击清洗，持续30分钟；
B）Ti底层制备：
高速切削刀具清洗完成后，调节Ar流量到20mL/min，将真空室气压调至0.3Pa，打开矩形Ti靶电弧电源，弧电流110A，调整偏压到-300V，在高速切削刀具上制备Ti底层，持续10分钟；
C）AlTiN涂层制备：
Ti底层制备完成后，将偏压调整为-200V，打开N2开关，调整N2流量使真空室气压为0.6Pa，将矩形Ti靶关闭，将圆形AlTi靶打开，电流为80A，开始制备AlTiN涂层，持续70分钟，镀膜过程中真空室温度由加热器加热维持为480℃。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的预处理包括表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗和酒精脱水。
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