CN103132019B - 一种A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具及其制备方法，采用非平衡闭合场磁控溅射离子镀法制备双梯度复合涂层刀具，所得涂层刀具沿垂直基体表面方向自里向外依次为Cr过渡层、梯度CrN过渡层、梯度AlZrCrN过渡层与A1ZrCrN层，使得涂层之间的过渡更为平滑，能够明显降低涂层刀具在使用过程中各涂层之间的残余热应力，极大的提高了刀具的涂层质量。

Description

一种A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种梯度涂层机械切削刀具及其制造技术，具体的说是一种A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具及其制备方法。

背景技术

在机加工过程中，刀具作为切削过程主要的直接执行者，在工件的切削加工过程中不可避免地存在磨损、破损甚至断裂等现象，特别是在高速切削中，刀具的磨损尤为严重；出现磨损现象后，刀具的寿命会急剧下降，所加工的工件表面粗糙度上升，易导致工件的尺寸超出设计公差，虽然及时换刀具可以一定程度上解决工件精度不足的问题，但对于加工航空航天、新型模具等加工难度比较高的器具，特别涉及到有国防要求的大型零件或精密零件，过频的换刀会增大零件的重复定位误差，达不到设计要求。

切削刀具表面涂层技术是近几十年来适应市场需求发展起来的材料表面改性技术，采用涂层技术可以有效提高切削刀具的使用寿命，使刀具获得优良的综合性能，从而大幅度提高机械加工效率，因此，业内人士把涂层技术、刀具材料、切削加工工艺称为切削刀具制造领域的三大关键技术；目前的刀具涂层主要有化学气相沉积法CVD与物理气相沉积法PVD；与CVD工艺相比，PVD工艺处理温度低（多在600℃以下），对刀具材料的抗弯强度无影响，使用PVD技术在基体上沉积得到的薄膜内部应力状态为压应力，更适于加工硬质合金类精密、复杂刀具的涂层，而且PVD技术清洁无污染，更为符合绿色制造的发展方向；PVD技术本身有一定缺陷，因工艺要求处理温度较低，使得涂层与刀具基体、涂层与涂层之间的界面结合强度低，因此同时涂层与刀具基体的性能差异较大，这样以来一方面使涂层厚度受到了限制，另一方面易使涂层在切削负荷时涂层内的残余应力的作用下很快因开裂、剥落而失效，多元、多梯度复合涂层及其相关技术的出现，使刀具涂层既可提高与基体的结合强度，又能具有多种涂层材料的综合物理机械性能，从而满足不同材料、不同加工条件的要求，但现有的梯度涂层刀具存在一些缺陷，如涂层之间的粘连性差，在高速切削时易导致涂层边缘残余热应力过大，从而导致涂层出现裂纹、剥落等现象；而且不同涂层之间材料特性变化过渡大，容易进一步导致应力集中，降低了界面的结合强度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种涂层之间过渡更为平滑、界面之间结合强度更高的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具及其制备方法，能够明显降低涂层刀具在使用过程中各涂层之间的残余热应力，极大的提高了刀具的涂层质量。

进一步的，本发明涉及到的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具与单涂层相比，使得涂层与基体之间具有更高的结合强度，能够有效减小切削摩擦，降低切削力和切削温度，减小刀具磨损。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，先对刀具基体进行超声清洗，然后将刀具基体与所需靶材放入镀膜机真空室，并对刀具基体进行辉光放电清洗和离子清洗，之后进行镀膜，镀膜工艺步骤如下：

（1）Cr过渡层镀膜阶段：真空室抽真空后，通入Ar气，使真空室Ar气气体分压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压调为100~250 V，在将Cr靶电流调整为15A的同时，开启并保持Al靶电流0.4A、Zr靶电流0.2A，时间为3.5-4.5min；

（2）梯度CrN过渡层镀膜阶段：向真空室内通入N₂气，并调整Ar气的通入量，使N₂气与Ar气的分压比为1.5:1，真空室内的气压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压调为100V，之后，开启Cr靶电流并使其保持15A，同时调整Al靶电流和Zr靶电流，使Al靶电流自梯度CrN过渡层镀膜开始至结束从0.4A逐渐增加到1A，Zr靶电流自梯度CrN过渡层镀膜开始至结束从0.2A逐渐增加到1A，镀膜时间为7.5-8.5min；

（3）梯度A1ZrCrN过渡层镀膜阶段：调整N₂气和Ar气的通入量，使N₂气与Ar气的分压比为1:1，真空室气压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压保持100V，开启Cr靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使其在14.5-15.5min内从1A逐渐增加到25A，之后使各靶电流保持稳定并立即增加N₂气的通入量，14-16min之后使得N₂气与Ar气的分压比为1.5:1，完成沉积A1ZrCrN梯度过渡层；

（4）A1ZrCrN层镀膜阶段：将真空室气压调整为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压保持100V，N₂气与Ar气的分压比调为1:1，保持Cr靶电流为15A，Al靶电流25A，Zr靶电流25A，110-130min后，完成沉积A1ZrCrN层。

所述预处理过程中超声清洗时，先将刀具基体进行镜面加工，之后放入酒精中超声清洗25~35min，取出后放入丙酮中超声清洗25~35min。

刀具基体放入镀膜机真空室之前进行充分干燥。

刀具基体放入真空室后，并在辉光放电清洗和离子清洗之前，调整真空室气压使其小于1.3×10^-4Pa，之后加热至200℃，并保温35~45min。

在对刀具基体进行辉光放电清洗时，向真空室内通入Ar气，至其气体分压为1~1.5 Pa，之后在刀具基体两端施加400~500V偏压，频率为100kHz，占空比70~80%，清洗时间为25-40min。

离子清洗刀具基体时，将刀具基体两端偏压调至200~300 V，之后开启离子源对刀具基体进行离子清洗，时间为15 min。

所需靶材装入真空室后，在镀膜之前，先开启电弧源，调整各靶电流使Cr靶电流为15A，铝靶电流15A，Zr靶电流15A，对各靶进行离子轰击，时间为2min。

根据权利要求1制备的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具，包括刀具基体与涂覆在刀具基体上的涂层，所述刀具基体为硬质合金，所述涂层沿垂直基体表面方向自里向外依次为Cr过渡层、梯度CrN过渡层、梯度AlZrCrN过渡层与A1ZrCrN层。

所述刀具基体为钨钴类硬质合金，合金中钴含量%3-30%，以及其它适合作为刀具基体用的金属、合金材料。

所述刀具基体为钨钛类硬质合金以及其它适合作为刀具基体用的金属、合金材料，刀具基体的成分对该发明没有本质上的影响，在此不一一举例。

有益效果：本发明涉及到的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具是以CrN为主的基础相的稳定体，在刀具基体与A1ZrCrN涂层之间依次涂有Cr过渡层、梯度CrN过渡层、梯度AlZrCrN过渡层，Cr过渡层与基体之间的化学反应使界面结合成为形成化合物的界面，金属Cr过渡层与A1ZrCrN涂层之间采用双梯度、多因素复合的二次连接层，在制备过程中，镀Cr过渡层与梯度CrN过渡层时，均添加少量的Al与Zr，Al、Zr元素的添加使得涂层之间的过渡更为平滑，使得各涂层结合成较为紧密合理的刀具涂层材料，与以往刀具上的梯度涂层相比，A1ZrCrN复合双梯度涂层的热膨胀系数与泊松比等材料特性的变化过渡比普通涂层刀具更为平缓，有效的减小了制备过程中的残余热应力，提高界面的结合强度；

进一步的，本发明中梯度连续平滑过渡的涂层组分可以优化相结构的变化，使涂层能够随温度变化出现成分与相的双重渐变结构，提高其综合力学性能。

使用该发明制得的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具进行切削时，能达到减小切削摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的效果，能够适合于各种干切削。

附图说明

图1是非平衡闭合场磁控溅射离子镀原理图；

图2是复合双梯度涂层刀具的结构示意图；

图3是W9Cr4V2高速钢基体上沉积CrN涂层的Von Mises等效残余热应力云图；

图4是W9Cr4V2高速钢基体上沉积ZrN涂层的Von Mises等效残余热应力云图；

图5是W9Cr4V2高速钢基体上沉积A1ZrCrN复合双梯度涂层的Von Mises等效残余热应力云图；

图6是YT15硬质合金基体上沉积CrN涂层的Von Mises等效残余热应力云图；

图7是YT15硬质合金基体上沉积ZrN涂层的Von Mises等效残余热应力云图；

图8是YT15硬质合金基体上沉积A1ZrCrN复合双梯度涂层的Von Mises等效残余热应力云图；

图9为单层涂层与多层AlZrCrN涂层裂纹扩展结构示意图。

图中标记：11、刀具基体，12、复合梯度涂层，121、Cr过渡层，122、梯度CrN过渡层，123、梯度AlZrCrN过渡层，124、AlZrCrN层，13、单涂层，14、多涂层，21~29为不同涂层刀具横切试样热应力分布区域及相应区域对应的测量值。

具体实施方式

一种A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具，该刀具其涂层为双梯度涂层结构，刀具表面为合金氮化物A1ZrCrN层，与刀具基体之间有Cr过渡层、梯度CrN过渡层和梯度AlZrCrN过渡层。

本发明提出的复合双梯度涂层刀具，采用的基体为硬质合金，镀层设备选择非平衡闭合场磁控溅射离子镀装置，利用物理气相沉积技术，非平衡磁场分布将磁场区域延伸到基体的表面；闭合场磁场分布形成了闭合的磁场线，阻止电子流失到炉壁因而极大地提高了离子电流密度，离子轰击效果增强，可获得较好的镀层质量。

非平衡闭合场磁控溅射离子镀原理如图1所示，在阴极靶材上施加溅射电源，使靶材在一定真空度下形成辉光放电，产生离子、原子等粒子形成的等离子体，在永磁铁产生的磁场、工件上施加的负偏压形成的电场及粒子初始动能作用下，流向工件；同时，在阴极和工件之间增加了磁控管，这可增加周边额外磁场，用它来改变阴极和工件之间的磁场，使得外部磁场强于中心磁场，在这种情况下，封闭的磁力线从阴极周边指向工件，电子沿该磁力线运动，极大地增加了电子与靶材原子和分子的碰撞机会，使得离化率大大提高，因此，即使工件保持不动，也可以从等离子区得到很大密度的离子流。

本发明设计采用复合双梯度涂层技术，在整个设计中，Ar气是溅射发生的媒体，也是等离子体的主要来源；N₂气是主要的反应气体，其中Cr、Al、Zr三种金属的含量由每种靶材产生的离子流密度来决定，而靶材的粒子流密度主要由外加电流大小来控制，涂层生长的速度和微观结构受粒子轰击最大，决定粒子轰击能量大小和密度的关键因素是基体偏压的大小，复合双梯度刀具涂层的结构如图2所示，即涂层制备过程为Cr→/CrN （少量AlZr）→A1ZrCrN（AlZr逐渐增加）→A1ZrCrN （N含量逐渐增加）→A1ZrCrN几个连续的过渡阶段。

一种A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，先对刀具基体进行超声清洗，然后将刀具基体与所需靶材放入镀膜机真空室，并对刀具基体进行辉光放电清洗和离子清洗，之后进行镀膜，镀膜工艺步骤如下：

（1）Cr过渡层镀膜阶段：真空室抽真空后，通入Ar气，使真空室Ar气气体分压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压调为100~250 V，在将Cr靶电流调整为15A的同时，开启并保持Al靶电流0.4A、Zr靶电流0.2A，时间为3.5-4.5min；

（2）梯度CrN过渡层镀膜阶段：向真空室内通入N₂气，并调整Ar气的通入量，使N₂气与Ar气的分压比为1.5:1，真空室内的气压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压调为100V，之后，开启Cr靶电流并使其保持15A，同时调整Al靶电流和Zr靶电流，使Al靶电流自梯度CrN过渡层镀膜开始至结束从0.4A逐渐增加到1A，Zr靶电流自梯度CrN过渡层镀膜开始至结束从0.2A逐渐增加到1A，镀膜时间为7.5-8.5min；

（3）梯度A1ZrCrN过渡层镀膜阶段：调整N₂气和Ar气的通入量，使N₂气与Ar气的分压比为1:1，真空室气压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压保持100V，开启Cr靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使其在14.5-15.5min内从1A逐渐增加到25A，之后使各靶电流保持稳定并立即增加N₂气的通入量，14-16min之后使得N₂气与Ar气的分压比为1.5:1，完成沉积A1ZrCrN梯度过渡层；

（4）A1ZrCrN层镀膜阶段：将真空室气压调整为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压保持100V，N₂气与Ar气的分压比调为1:1，保持Cr靶电流为15A，Al靶电流25A，Zr靶电流25A，110-130min后，完成沉积A1ZrCrN层。

所述预处理过程中超声清洗时，先将刀具基体进行镜面加工，之后放入酒精中超声清洗25~35min，取出后放入丙酮中超声清洗25~35min。

刀具基体放入镀膜机真空室之前进行充分干燥。

刀具基体放入真空室后，并在辉光放电清洗和离子清洗之前，调整真空室气压使其小于1.3×10^-4Pa，之后加热至200℃，并保温35~45min。

在对刀具基体进行辉光放电清洗时，向真空室内通入Ar气，至其气体分压为1~1.5 Pa，之后在刀具基体两端施加400~500V偏压，频率为100kHz，占空比70~80%，清洗时间为25-40min。

离子清洗刀具基体时，将刀具基体两端偏压调至200~300 V，之后开启离子源对刀具基体进行离子清洗，时间为15 min。

所需靶材装入真空室后，在镀膜之前，先开启电弧源，调整各靶电流使Cr靶电流为15A，铝靶电流15A，Zr靶电流15A，对各靶进行离子轰击，时间为2min。

根据权利要求1制备的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具，包括刀具基体与涂覆在刀具基体上的涂层，所述刀具基体为硬质合金，所述涂层沿垂直基体表面方向自里向外依次为Cr过渡层、梯度CrN过渡层、梯度AlZrCrN过渡层与A1ZrCrN层。

所述刀具基体为钨钴类硬质合金。

所述刀具基体为钨钛类硬质合金。

上述过程完成后，关闭所有靶材上的电流，并关闭电源，整个涂层过程全部结束。

本发明在制备过程中，镀Cr过渡层与梯度CrN过渡层时，均添加少量的Al与Zr，Al、Zr元素的添加使得涂层之间的过渡更为平滑，使得各涂层结合成较为紧密合理的刀具涂层材料，与以往刀具上的梯度涂层相比，A1ZrCrN复合双梯度涂层的热膨胀系数与泊松比等材料特性的变化过渡比普通涂层刀具更为平缓，有效的减小了制备过程中的残余热应力，各涂层界面之间的结合强度得到最大程度上的加强。

而且进一步的，通过上述工艺制备的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具，表面为A1ZrCrN层，刀具基体与表面之间依次设有Cr过渡层、梯度CrN过渡层和梯度AlZrCrN过渡层，双梯度涂层减小了涂层与基体之间的残余应力，与单涂层刀具相比，能够增加涂层与刀具基体间的结合强度，图3为W9Cr4V2高速钢基体上沉积CrN的Von Mises等效残余热应力云图，从图中可以看出，制备后单独的CrN涂层的等效残余拉应力较大，经检测计算可知其拉应力最大值达到了1150MPa，并且分布在涂层结合的边缘处，结合力较弱，在高速切削时极易脱落。图4为W9Cr4V2高速钢基体上沉积ZrN的Von Mises等效残余热应力云图，从图中可以看出，制备后单独的ZrN涂层的等效残余热应力较大，经检测计算其最大值达到了1210MPa，最大残余应力也分布于边缘处，结合力较弱。图5为W9Cr4V2高速钢基体上沉积A1ZrCrN复合双梯度涂层的Von Mises等效残余热应力云图，从图中可以看出，制备A1ZrCrN复合双梯度涂层的等效残余热应力最大值较小，经检测计算得知其应力值仅为373MPa，而且分布在中心部分，边缘处的最大残余拉应力仅不到单独的涂层的10%，换句话说，其结合力要比单独涂层强10倍以上，极易适用于高速干切削。图6和图7分别为YT15硬质合金基体上沉积CrN和ZrN涂层的Von Mises等效残余热应力云图，图8为YT15硬质合金基体上沉积A1ZrCrN复合双梯度涂层的Von Mises等效残余热应力云图，其结论与W9Cr4V2高速钢基体大体相似，但是等效残余热应力的值相应减少，这与涂层制备工艺有关，特别是YT15硬质合金基体上沉积A1ZrCrN复合双梯度涂层的边缘残余热应力特别小，涂层的结合力相当好，极易作为先进切削刀具，抗磨性很强。

使用本发明所制得的硬质合金复合双梯度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；设计的梯度复合多层涂层，除了能有效提高基体与涂层的结合强度，减小内应力，还能抑制摩擦裂纹的扩展和蔓延，引导裂纹沿涂层界面方向扩展，减小涂层剥落；如图9所示，复合梯度涂层刀具上的裂纹扩展情况与单涂层刀具相比，具有明显的阻碍裂纹扩展作用，而且进一步的，在高速切削时，AlZrCrN涂层刀具中的Cr、Al元素与空气中的O反应形成Al₂O₃和Cr₂O₃氧化膜，起到抑制氧化、耐磨及隔热作用，使更多的热量通过切屑带走，降低了刀具体温度，因此在难加工材料的高速切削领域有望代替TiAlN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A1ZrCrN复合双梯度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。

下面给出本发明的两个实施例：

实施例一、

一种A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，先对刀具基体进行超声清洗，然后将刀具基体与所需靶材放入镀膜机真空室，并对刀具基体进行辉光放电清洗和离子清洗，之后进行镀膜，镀膜工艺步骤如下：

（1）Cr过渡层镀膜阶段：真空室抽真空后，通入Ar气，使真空室Ar气气体分压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压调为100~250 V，在将Cr靶电流调整为15A的同时，开启并保持Al靶电流0.4A、Zr靶电流0.2A，时间为4min；

（2）梯度CrN过渡层镀膜阶段：向真空室内通入N₂气，并调整Ar气的通入量，使N₂气与Ar气的分压比为1.5:1，真空室内的气压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压调为100V，之后，开启Cr靶电流并使其保持15A，同时调整Al靶电流和Zr靶电流，使Al靶电流自梯度CrN过渡层镀膜开始至结束从0.4A逐渐增加到1A，Zr靶电流自梯度CrN过渡层镀膜开始至结束从0.2A逐渐增加到1A，镀膜时间为8min；

（3）梯度A1ZrCrN过渡层镀膜阶段：调整N₂气和Ar气的通入量，使N₂气与Ar气的分压比为1:1，真空室气压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压保持100V，开启Cr靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使其在15min内从1A逐渐增加到25A，之后使各靶电流保持稳定并立即增加N₂气的通入量，15min之后使得N₂气与Ar气的分压比为1.5:1，完成沉积A1ZrCrN梯度过渡层；

（4）A1ZrCrN层镀膜阶段：将真空室气压调整为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压保持100V，N₂气与Ar气的分压比调为1:1，保持Cr靶电流为15A，Al靶电流25A，Zr靶电流25A，120min后，完成沉积A1ZrCrN层。

所述预处理过程中超声清洗时，先将刀具基体进行镜面加工，之后放入酒精中超声清洗25~35min，取出后放入丙酮中超声清洗25~35min。

刀具基体放入镀膜机真空室之前进行充分干燥。

刀具基体放入真空室后，并在辉光放电清洗和离子清洗之前，调整真空室气压使其小于1.3×10^-4Pa，之后加热至200℃，并保温35~45min。

在对刀具基体进行辉光放电清洗时，向真空室内通入Ar气，至其气体分压为1~1.5 Pa，之后在刀具基体两端施加400~500V偏压，频率为100kHz，占空比70~80%，清洗时间为25-40min。

离子清洗刀具基体时，将刀具基体两端偏压调至200~300 V，之后开启离子源对刀具基体进行离子清洗，时间为15 min。

所需靶材装入真空室后，在镀膜之前，先开启电弧源，调整各靶电流使Cr靶电流为15A，铝靶电流15A，Zr靶电流15A，对各靶进行离子轰击，时间为2min。

采用钨钛类YT15硬质合金作为基体材料，合金各组分含量为：WC 79Wt/%，TiC 15Wt/%，Co 6Wt/%，根据上述方法制备的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具，涂层表面为A1ZrCrN层，刀具基体与涂层表面之间依次有Cr过渡层、梯度CrN过渡层和梯度AlZrCrN过渡层。

根据上述制备方法制得的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具，包括刀具基体与涂覆在刀具基体上的涂层，所述刀具基体为硬质合金，所述涂层沿垂直基体表面方向自里向外依次为Cr过渡层、梯度CrN过渡层、梯度AlZrCrN过渡层与A1ZrCrN层。

实施例二、

一种A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，先对刀具基体进行超声清洗，然后将刀具基体与所需靶材放入镀膜机真空室，并对刀具基体进行辉光放电清洗和离子清洗，之后进行镀膜，镀膜工艺步骤如下：

（1）Cr过渡层镀膜阶段：真空室抽真空后，通入Ar气，使真空室Ar气气体分压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压调为100~250 V，在将Cr靶电流调整为15A的同时，开启并保持Al靶电流0.4A、Zr靶电流0.2A，时间为3.5-4.5min；

（2）梯度CrN过渡层镀膜阶段：向真空室内通入N₂气，并调整Ar气的通入量，使N₂气与Ar气的分压比为1.5:1，真空室内的气压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压调为100V，之后，开启Cr靶电流并使其保持15A，同时调整Al靶电流和Zr靶电流，使Al靶电流自梯度CrN过渡层镀膜开始至结束从0.4A逐渐增加到1A，Zr靶电流自梯度CrN过渡层镀膜开始至结束从0.2A逐渐增加到1A，镀膜时间为7.5-8.5min；

（3）梯度A1ZrCrN过渡层镀膜阶段：调整N₂气和Ar气的通入量，使N₂气与Ar气的分压比为1:1，真空室气压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压保持100V，开启Cr靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使其在14.5-15.5min内从1A逐渐增加到25A，之后使各靶电流保持稳定并立即增加N₂气的通入量，14-16min之后使得N₂气与Ar气的分压比为1.5:1，完成沉积A1ZrCrN梯度过渡层；

（4）A1ZrCrN层镀膜阶段：将真空室气压调整为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压保持100V，N₂气与Ar气的分压比调为1:1，保持Cr靶电流为15A，Al靶电流25A，Zr靶电流25A，110-130min后，完成沉积A1ZrCrN层。

所述预处理过程中超声清洗时，先将刀具基体进行镜面加工，之后放入酒精中超声清洗25~35min，取出后放入丙酮中超声清洗25~35min。

刀具基体放入镀膜机真空室之前进行充分干燥。

刀具基体放入真空室后，并在辉光放电清洗和离子清洗之前，调整真空室气压使其小于1.3×10^-4Pa，之后加热至200℃，并保温35~45min。

在对刀具基体进行辉光放电清洗时，向真空室内通入Ar气，至其气体分压为1~1.5 Pa，之后在刀具基体两端施加400~500V偏压，频率为100kHz，占空比70~80%，清洗时间为25-40min。

离子清洗刀具基体时，将刀具基体两端偏压调至200~300 V，之后开启离子源对刀具基体进行离子清洗，时间为15 min。

所需靶材装入真空室后，在镀膜之前，先开启电弧源，调整各靶电流使Cr靶电流为15A，铝靶电流15A，Zr靶电流15A，对各靶进行离子轰击，时间为2min。

采用钨钛类YT15硬质合金作为基体材料，合金各组分含量为：WC 79Wt/%，TiC 15Wt/%，Co 6Wt/%，根据上述方法制备的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具，涂层表面为A1ZrCrN层，刀具基体与涂层表面之间依次有Cr过渡层、梯度CrN过渡层和梯度AlZrCrN过渡层。

Claims (10)

1.一种A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，先对刀具基体进行超声清洗，然后将刀具基体与所需靶材放入镀膜机真空室，并对刀具基体进行辉光放电清洗和离子清洗，之后进行镀膜，其特征在于：镀膜工艺步骤如下：

（1）Cr过渡层镀膜阶段：真空室抽真空后，通入Ar气，使真空室Ar气气体分压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压调为100~250 V，在将Cr靶电流调整为15A的同时，开启并保持Al靶电流0.4A、Zr靶电流0.2A，时间为3.5-4.5min；

（2）梯度CrN过渡层镀膜阶段：向真空室内通入N₂气，并调整Ar气的通入量，使N₂气与Ar气的分压比为1.5:1，真空室内的气压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压调为100V，之后，开启Cr靶电流并使其保持15A，同时调整Al靶电流和Zr靶电流，使Al靶电流自梯度CrN过渡层镀膜开始至结束从0.4A逐渐增加到1A，Zr靶电流自梯度CrN过渡层镀膜开始至结束从0.2A逐渐增加到1A，镀膜时间为7.5-8.5min；

（3）梯度A1ZrCrN过渡层镀膜阶段：调整N₂气和Ar气的通入量，使N₂气与Ar气的分压比为1:1，真空室气压为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压保持100V，开启Cr靶电流并使其保持15A，同时开启Al靶电流和Zr靶电流，并使其在14.5-15.5min内从1A逐渐增加到25A，之后使各靶电流保持稳定并立即增加N₂气的通入量，14-16min之后使得N₂气与Ar气的分压比为1.5:1，完成沉积A1ZrCrN梯度过渡层；

（4）A1ZrCrN层镀膜阶段：将真空室气压调整为0.4~0.6 Pa，刀具基体两端偏压保持100V，N₂气与Ar气的分压比调为1:1，保持Cr靶电流为15A，Al靶电流25A，Zr靶电流25A，110-130min后，完成沉积A1ZrCrN层。

2.如权利要求1所述的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述预处理过程中超声清洗时，先将刀具基体进行镜面加工，之后放入酒精中超声清洗25~35min，取出后放入丙酮中超声清洗25~35min。

3.如权利要求1所述的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：刀具基体放入镀膜机真空室之前进行充分干燥。

4.如权利要求1所述的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：刀具基体放入真空室后，并在辉光放电清洗和离子清洗之前，调整真空室气压使其小于1.3×10^-4Pa，之后加热至200℃，并保温35~45min。

5.如权利要求1所述的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：在对刀具基体进行辉光放电清洗时，向真空室内通入Ar气，至其气体分压为1~1.5 Pa，之后在刀具基体两端施加400~500V偏压，频率为100kHz，占空比70~80%，清洗时间为25-40min。

6.如权利要求1所述的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：离子清洗刀具基体时，将刀具基体两端偏压调至200~300 V，之后开启离子源对刀具基体进行离子清洗，时间为15 min。

7.如权利要求1所述的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：所需靶材装入真空室后，在镀膜之前，先开启电弧源，调整各靶电流使Cr靶电流为15A，铝靶电流15A，Zr靶电流15A，对各靶进行离子轰击，时间为2min。

8.一种根据权利要求1制备的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具，包括刀具基体与涂覆在刀具基体上的涂层，所述刀具基体为硬质合金，其特征在于：所述涂层沿垂直基体表面方向自里向外依次为Cr过渡层、梯度CrN过渡层、梯度AlZrCrN过渡层与A1ZrCrN层。

9.如权利要求8所述的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述刀具基体为钨钴类硬质合金。

10.如权利要求8所述的A1ZrCrN复合双梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：所述刀具基体为钨钛类硬质合金。