CN103143761A - 一种AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超硬自润滑AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀及其制备方法。本发明采用电弧离子镀技术生成由Mo、MoN、AlTiN-MoN依次构成的纳米复合涂层铣刀，结构设计合理，实现成分与硬度梯度的渐变，所制备的AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀具有良好的结合力和耐磨耐蚀性能，同时具有良好的红硬性和自润滑性能，很好地克服了铣刀耐温性和耐磨性不足的问题，保证了铣刀的长期稳定工作，使铣刀加工性能大幅度提高，加工质量稳定，加工效率高，降低了厂家的生产成本，具有良好的工业应用前景。

Description

一种AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀及其制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，特别涉及一种AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀及其制备方法。

背景技术

随着中国工业的进一步发展，切削加工技术向着高速、高效、干式的方向逐步迈进。高速铣削是目前高速切削应用的主要工艺，高速铣刀是实现高速铣削加工的重要技术之一。高速切削加工技术集高效、优质和低耗于一身，不仅切削效率高，而且表面加工质量好、单位切削力小，但对刀具材料的耐磨性能和红硬性能要求也提出了更高的要求。现最普遍使用的硬质合金刀具的磨损及高温软化问题在高速铣削过程中却难以避免。这严重制约了刀具使用寿命和工作效率，更影响工件表面质量。因此，如何降低刀具磨损及高温软化问题显得尤为重要。

刀具涂层技术的发展为提高刀具工作效率和增加刀具使用寿命带来新的思路。刀具涂层技术是把具有较高硬度的涂层材料涂覆在韧性较好的刀具基体上以解决刀具存在的强度和硬度之间的矛盾。涂层摩擦系数较低，可降低切削时的切削力和切削温度的提高，同时其热传导系数较低，能有效改变热流方式 ，使刀具和工件的温度不致过高，大大提高刀具耐用度，同时也提高刀具工作极限速度。此外，涂层可以有效地提高刀具的抗磨性能，对金属切削过程中的刀具磨损问题有很好的改善作用。目前，我国刀片中涂层类约占15％，在国外有70％以上的可转位刀片是涂层硬质合金刀具，80％左右的新型数控机床所用切削刀具使用涂层硬质合金刀具。发展涂层硬质合金刀具是提高我国制造加工效率的一个重要方向。将超硬刀具涂层材料镀于金属切削刀具表面，正适应了现代制造业对铣刀刀具的高技术要求，金属刀具基体不但保持了较高的强度，而镀于表面的涂层又能发挥它“超硬、强韧、耐磨、自润滑”的优势，从而大大提高金属切削刀具在现代加工过程中的耐用度和适应性。目前常规涂层为TiN或者是TiAlN涂层。

TiN涂层和TiAlN涂层耐温有限，当铣刀使用温度超过500℃时，TiN涂层开始失效，而TiAlN的耐温也在700℃左右，不能满足铣刀高速加工的要求。AlTiN是将Al元素沉积到TiN中而形成的PVD刀具涂层。迄今为止，通过增加TiAlN、AlTiN涂层中的铝含量，从而增强刀具涂层的耐高温性能和硬度，一直是刀具制造商和涂层公司关注的重大技术课题。自1995年以来，人们一直在持续不断地研究和改进相关的气相沉积工艺。到2000年，AlTiN涂层中铝元素与钛元素的成分比例已从原来的1∶2提高到3∶2，即铝含量已从33％增加到60％。从实际使用效果看其耐磨性有待加强。

MoN涂层是较新的涂层材料，而元素Mo和N对刀具和工件的摩擦化学具有独特的作用。一般认为Mo是形成减摩反应膜的主要元素，而N对摩擦副和润滑油之间的摩擦化学反应具有良好的促进作用。MoN涂层不易因磨损脱落产生磨粒，故有利于形成大面积的连续摩擦化学反应膜，从而减轻摩擦磨损。

发明内容

本发明本发明的目的就是针对上述现有技术的现状，提供了一种AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀及其制备方法。

本发明产品的技术方案是：一种AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀，其特征在于：所述铣刀表面有从内到外由结合层、过渡层、耐磨层依次构成的复合涂层，且：结合层为Mo层；过渡层为MoN层；耐磨层为AlTiN/MoN层。

 

为进一步提高本发明产品的性价比：

所述复合涂层的厚度为0.62-5微米，其中结合层厚度在20-200纳米之间；过渡层厚度在100-300纳米之间；耐磨层厚度在0.5-4.5微米之间。

所述铣刀的基体为硬质合金、不锈钢、高速钢、碳钢或模具钢。

所述耐磨层为AlTiN层和MoN层交替构成的AlTiN/MoN多层涂层；其AlTiN层单层的厚度为3-5纳米， MoN层单层的厚度为2-5纳米。

 

本发明的制备方法的技术方案是：采用电弧离子镀技术制备涂层，由下述步骤依次形成：

1）对铣刀进行辉光清洗后,在其表面沉积结合层，该结合层为Mo层；

2）在上步得到的结合层上沉积过渡层，该过渡层为MoN层；

3）在上步得到的过渡层上沉积耐磨层，该耐磨层为AlTiN/MoN层；自然冷却，即得。

   作为优选项：

  所述耐磨层为AlTiN层和MoN层交替构成的AlTiN/MoN多层涂层。

为进一步提高本发明方法的工效和质量，可进一步将各步骤的具体条件选择在：

1）辉光清洗的条件为：温度为250－400℃，转速为2rpm到5rpm，氩气环境下；

2）结合层的沉积条件为：气压0.01-0.1Pa，偏压－800V到－1000V；

3）过渡层的沉积条件为：氮气环境下，气压0.1-1Pa，偏压－100V到－250V；

4）耐磨层的沉积条件为：氮气环境下，气压0. 5-5Pa，偏压－100V到－250V。

由上述技术方案可知本发明是电弧离子镀的高离化率来制备AlTiN-MoN纳米多层复合涂层材料。为提高涂层与铣刀基体的结合力，本发明采用辉光清洗，通过辉光放电过程中产生的氩离子清洗铣刀表面氧化层。由于表面氧化层的存在，一般情况下涂层与基体结合并不牢固，所以表面氧化层的清洗在整个涂层的制得过程中尤其关键。一般的化学方法清洗氧化层一旦接触空气后，氧化层又会重新生成，所以用化学方法清洗氧化层都不彻底。而本发明是在真空下用辉光离子清洗表面氧化层，表面不会因接触空气而再次形成氧化层，存在其优越性。辉光清洗的偏压为-800V到－1000V，时间为30到120分钟。通过离子清洗，铣刀表面处于比较清洁的状态。随后，本发明采用电弧离子镀技术制备涂层。开启Mo靶，Mo靶上Mo离子因高温而蒸发，在高偏压的作用下加速运动到铣刀表面，由于铣刀表面有800到1000V的负高压，Mo正离子在高电压下高速撞击铣刀表面，进一步对铣刀表面进行清洗，同时由于Mo正离子高速撞击，铣刀表面温度升高，表面粒子内能提高，加之Mo正离子的高速运动，可能撞至铣刀表面以下5至10纳米，在铣刀表面形成基体与Mo的冶金结合层。在表面沉积的Mo逐渐增多，逐渐由基体和Mo的冶金结合层过渡至纯Mo结合层，结合层的厚度为20-200纳米。此过程在气压0.01-0.1Pa、偏压－800V到－1000V条件下进行。由于Mo的高速撞击与Mo结合层沉积同时进行，形成非常致密的Mo结合层，抑制柱状Mo晶粒的生长。随后打开氮气通道，氮气与Mo反应生成MoN，随着氮气通入量的逐渐增加，形成的MoN也逐渐增多，涂层由纯Mo逐渐过渡到MoN过渡层，过渡层厚度为100-300纳米。此过程在气压为0.1-1Pa、偏压为－100V到－250V的条件下进行。在MoN过渡层的基础上，逐步开启AlTi靶，AlTi与氮气反应生成AlTiN涂层，随着工件架的旋转，其转速为2rpm到5rpm，当铣刀转至AlTi靶附近时多形成AlTiN层，当铣刀转至Mo靶附近时多形成MoN层，铣刀的连续旋转使铣刀表面形成AlTiN-MoN复合涂层，复合涂层厚度为0.5-4.5纳米，单层AlTiN层厚度为3-5纳米，单层MoN层厚度为2-5纳米。此过程在气压为0. 5-5Pa、偏压为－100V到－250V的条件下进行。通过控制工件架的转速，就能够实现在其它条件一定的情况下，控制铣刀表面在电弧靶前停留的时间，进而控制复合涂层的层间厚度。

本发明一种AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀不但硬度高，而且铣刀表面的耐磨损性和耐腐蚀性都得到提高。与单层的AlTiN涂层铣刀相比，MoN材料的加入，使涂层具有良好的耐磨损性能。与单层的MoN涂层铣刀相比，AlTiN材料的加入，使涂层具有更高的硬度和强度。使用AlTiN-MoN复合涂层，不但同时提高铣刀表面的硬度和耐磨性，而且由于其多层复合涂层结构，使铣刀表面具有良好的耐腐蚀性能。同时，结合层、过渡层、耐磨层的设计，使表面高硬度的AlTiN-MoN涂层与基体之间具有良好的硬度梯度，提高了涂层与基体的结合力，当铣刀加工高硬度材料时涂层不会因基体塑性变形而脱落失效。

因此本发明具有如下优点：第一，与普通直流磁控溅射方法相比，本发明所采用电弧离子镀技术来制备涂层，由于其离化率高涂层具有较好的结合力，解决磁控溅射法离化率低导致结合力低的问题；第二，由于本发明中铣刀的涂层具有三层结构，实现了成分与结构的渐变，同时涂层与基体为冶金结合，提高了涂层对基体的附着力；第三，由于本发明采用多层复合涂层结构，制得的涂层厚度可达5微米；第四，与常规电弧离子镀技术相比，本发明采用多层结构能抑制柱状晶的生长，提高涂层致密度的同时，进而提高涂层的耐磨性，同进耐蚀性也得到大幅提高；第五，本发明将AlTiN涂层与MoN涂层结合形成多层复合涂层，在国内外也是个尝试，尤其是将其应用到铣刀表面，可大幅度提高铣刀的切削加工性能；第六，本发明采用电弧离子镀技术，与现有涂层设备相近，且涂层设备结构简单，易于控制，具有良好的工业应用前景。

本发明采用电弧离子镀技术生成由Mo、MoN、AlTiN-MoN依次构成的纳米复合涂层铣刀，结构设计合理，实现成分与硬度梯度的渐变，所制备的AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀具有良好的结合力和耐磨耐蚀性能，同时具有良好的红硬性，很好地克服了铣刀耐温性和耐磨性不足的问题，保证了铣刀的长期稳定工作，使铣刀加工性能大幅度提高，加工质量稳定，加工效率高，降低了厂家的生产成本，具有良好的工业应用前景。

附图说明

图1.为本发明中所采用的涂层制备装置示意图；

图2.为本发明制备的AlTiN-MoN纳米多层复合涂层结构示意图；

图3.为本发明制备的AlTiN-MoN纳米多层复合涂层表面形貌；

其中图1中：1.抽气口；2.加热器；3.AlTi靶；4. 炉门；5.炉壁；6.Mo靶；7.工件架。

图2中：1.基体；2.Mo结合层；3. MoN过渡层；4. AlTiN/MoN耐磨层。

 

具体实施方式

实施本发明方法的装置如图1所示，该装置真空室由炉壁5围成，真空室高度为0.5cm，体积50×50×50cm，真空室一侧设有抽气口1，抽气机组由扩散泵、机械泵和分子泵组成，极限真空可低至0.0005Pa，真空室侧面设有炉门4，方便操作者装卸工件，AlTi靶3和Mo靶6分别位于真空室两侧，其直径皆为100mm，且装有强性磁铁用于约束靶弧形状，加热器2位于真空室中央，其四周为工件架7，可在最大限度地利用热能的同时，使工件受热均匀。通过调整工件架7的转速，能够改变工件在不同的靶前滞留的时间，进而改变涂层间的厚度。如此布置，极大增加了真空室中等离子体的空间密度，使工件最大限度地沉浸于等离子体中，提高靶材使用效率、涂层沉积速率和涂层均匀度，减少涂层间内应力，以达到高的涂层硬度、致密度和附着力，得到优良的硬质涂层。

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明：

实施例1：在250℃、转速为5rpm、氩气环境下，对高速钢和硬质合金铣刀经过辉光清洗结束后，在0.01Pa，－800V条件沉积20纳米厚的过渡金属Mo结合层；在0.1Pa，－100V条件沉积100纳米厚的MoN层；最后在0.5Pa气压,－100V偏压条件下沉积AlTiN/MoN多层涂层；AlTiN/MoN多层膜中，单层AlTiN纳米层厚度为3纳米，单层MoN层厚度为2纳米。AlTiN/MoN多层膜厚度为0.5微米。涂层总厚度在控制在0.62微米，制备结束后自然冷却，得到AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀。

实施例2：在300℃、转速为4rpm、氩气环境下，对高速钢和硬质合金铣刀经过辉光清洗结束后，在0.05Pa，－900V条件沉积50纳米厚的过渡金属Mo结合层；在0.5Pa，－150V条件沉积150纳米厚的MoN层；最后在1Pa气压,－150V偏压条件下沉积AlTiN/MoN多层涂层；AlTiN/MoN多层膜中，单层AlTiN纳米层厚度为4纳米，单层MoN层厚度为3纳米。AlTiN/MoN多层膜厚度为2微米。涂层总厚度在控制在2.2微米，制备结束后自然冷却，得到AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀。

实施例3：在350℃、转速为3rpm、氩气环境下，对高速钢和硬质合金铣刀经过辉光清洗结束后，在0.07Pa，－900V条件沉积100纳米厚的过渡金属Mo结合层；在0.5Pa，－200V条件沉积200纳米厚的MoN层；最后在2Pa气压,－200V偏压条件下沉积AlTiN/MoN多层涂层；AlTiN/MoN多层膜中，单层AlTiN纳米层厚度为4纳米，单层MoN层厚度为4纳米。AlTiN/MoN多层膜厚度为3微米。涂层总厚度在控制在3.3微米，制备结束后自然冷却，得到AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀。

实施例4：在400℃、转速为2rpm、氩气环境下，对高速钢和硬质合金铣刀经过辉光清洗结束后，在0.1Pa，－1000V条件沉积200纳米厚的过渡金属Mo结合层；在1Pa，－250V条件沉积300纳米厚的MoN层；最后在5Pa气压,－250V偏压条件下沉积AlTiN/MoN多层涂层；AlTiN/MoN多层膜中，单层AlTiN纳米层厚度为5纳米，单层MoN层厚度为5纳米。AlTiN/MoN多层膜厚度为4.5微米。涂层总厚度在控制在5微米，制备结束后自然冷却，得到AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀。

上述实施例中铣刀的基体可以换为不锈钢、碳钢或模具钢，且不影响涂层效果。

图2.为本发明制备的AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀结构示意图：从图中可以看出，涂层结构上存在成分和结构梯度的渐变，降低了涂层的应力，可沉积较厚的涂层。

图3.为本发明制备的AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀表面形貌：从图中可以看出涂层表面表面光滑，涂层致密。

Claims (7)

1.一种AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀，其特征在于：所述铣刀表面有从内到外由结合层、过渡层、耐磨层依次构成的复合涂层，且：

1）结合层为Mo层；

2）过渡层为MoN层；

3）耐磨层为AlTiN/MoN层。

2.如权利要求1所述的AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀，其特征在于：所述复合

层的厚度为0.62-5微米，其中：

1）结合层厚度为20-200纳米；

2）过渡层厚度为100-300纳米；

3）耐磨层厚度为0.5-4.5微米。

3.如权利要求1所述的超硬自润滑AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀，其特征在于：所述铣刀的基体为硬质合金、不锈钢、高速钢、碳钢或模具钢。

4.如权利要求1-3任一所述的AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀，其特征在于：所述耐磨层为AlTiN层和MoN层交替构成的AlTiN/MoN多层涂层；其AlTiN层单层的厚度为3-5纳米，MoN层单层的厚度为2-5纳米。

5.一种如权利要求1所述的AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀的制备方法，其特征在于由下述步骤依次形成：

1）对铣刀进行辉光清洗后,在其表面沉积结合层，该结合层为Mo层；

2）在上步得到的结合层上沉积过渡层，该过渡层为MoN层；

3）在上步得到的过渡层上沉积耐磨层，该耐磨层为AlTiN/MoN层；自然冷却，即得。

6.如权利要求5所述的AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀的制备方法，其特征在于：所述耐磨层为AlTiN层和MoN层交替构成的AlTiN/MoN多层涂层。

7.如权利要求5-6任一所述的AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀的制备方法，其特征在于：

1）所述的辉光清洗的条件为：温度为250－400℃，转速为2rpm到5rpm，氩气环境下；

2）所述结合层的沉积条件为：气压0.01-0.1Pa，偏压－800V到－1000V；

3）所述过渡层的沉积条件为：氮气环境下，气压0.1-1Pa，偏压－100V到－250V；

4）所述耐磨层的沉积条件为：氮气环境下，气压0. 5-5Pa，偏压－100V到－250V。

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