CN104260440B - 一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及其制作方法 - Google Patents

一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104260440B
CN104260440B CN201410495930.9A CN201410495930A CN104260440B CN 104260440 B CN104260440 B CN 104260440B CN 201410495930 A CN201410495930 A CN 201410495930A CN 104260440 B CN104260440 B CN 104260440B
Authority
CN
China
Prior art keywords
coating
nano
composite coating
cutter
titanium silicon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201410495930.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104260440A (zh
Inventor
赵先锐
王晓军
方一航
许辉
张梦贤
徐爱娇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WENLING WENJIAO YOUDE TOOL FACTORY
Original Assignee
WENLING WENJIAO YOUDE TOOL FACTORY
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by WENLING WENJIAO YOUDE TOOL FACTORY filed Critical WENLING WENJIAO YOUDE TOOL FACTORY
Priority to CN201410495930.9A priority Critical patent/CN104260440B/zh
Publication of CN104260440A publication Critical patent/CN104260440A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104260440B publication Critical patent/CN104260440B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/14—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by a layer differing constitutionally or physically in different parts, e.g. denser near its faces
    • B32B5/147—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by a layer differing constitutionally or physically in different parts, e.g. denser near its faces by treatment of the layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/04—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/46—Sputtering by ion beam produced by an external ion source

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

<b>本发明涉及一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及其制作方法，属于刀具涂层材料技术领域。为了解决现有的结合力差的问题，提供一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及制作方法，所述刀具包括刀具基体和沉积在刀具基体表面的复合涂层，所述复合涂层从内到外依次为</b><b>Ti-TiN</b><b>涂层、以“</b><b>TiNi</b><b>涂层到</b><b>Ti1-xAlxN</b><b>涂层”为交替周期的纳米多层膜涂层、</b><b>nc-AlTiYN/a-Si3N4</b><b>纳米复合涂层；该方法包括将刀具基体进行预处理，将经过预处理的刀具基进行涂层沉积，沉积结束后，冷却、出炉，得到含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具。本发明的刀具具有界面结合力好，又能保证刀具硬度和耐磨性高的效果，且工艺简单，对设备要求低。</b>

Description

一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及其制作方法
技术领域
本发明涉及含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及其制作方法，属于刀具涂层材料技术领域。
背景技术
硬质合金涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金刀具基体表面上，通过物理或化学的气相沉积法，在刀具基体表面沉积具有高硬度、高耐磨性的金属或非金属的化合物，使在刀具的表面形成一层复合涂层，以实现保护刀具基体材料，提高刀具的耐磨性和切削硬度。随着切削技术的发展，高速切削、硬切削、干式切削是近年来切削技术研究的热点。然而，这些加工过程中对刀具的要求更高。
目前，硬质合金涂层刀具有上百种不同的涂层材料及涂层结构设计，市场上常用的就有几十种，每种涂层都有一定的适用刀具类型及切削条件。如TiN涂层由于结合力好，制备简单，颜色漂亮，切削性能好，应用非常广泛，但其硬度只有23GPa左右，最高使用温度只能达到500℃左右，仍然满足不了高速切削的要求。另一方面，目前研究发现采用多层膜且每层厚度为纳米级时硬度和韧性都迅速增大。因此，目前采用纳米多层膜逐渐替代了单层膜和多层膜刀具涂层。
如中国专利（公开号：CN102242338B)公开了一种含周期性复合涂层的刀具及其制作方法，其包括刀具基体和在所述刀具基体上沉积的复合涂层，所述复合涂层包括位于底层的TiAlN基底层和位于表层的周期性涂层，该周期性涂层是以“TiSiN层到TiAlSiN层到TiSiN层到TiAlN层”为一个循环周期的多周期涂层。其在一定程度上提高了刀具的使用寿命，但是在硬度方面还有不足。
近年来，nc-MeTiN/a-Si3N4（nc是纳米晶，a为非晶，Me可以为Al、Y、Zr等）纳米复合涂层因其超高的硬度和耐高温氧化性成为超硬膜研究的热点之一，其硬度可以达到40GPa以上，耐高温性能可以达到1000℃。可满足对黑色金属的高速干式硬切削条件，但是，由于其硬度过高，如直接沉积在硬质合金基体上产生的残余应力过大，结合力很差。因此不易作为单独涂层沉积在刀具上。
发明内容
本发明针对以上现有技术中存在的缺陷，提供一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及其制作方法，解决的问题是实现结合力好、高硬度、高耐磨性和抗高温氧化性好的效果。
本发明的目的之一是通过以下技术方案得以实现的，一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，所述刀具包括刀具基体和沉积在刀具基体表面的复合涂层，所述复合涂层从内到外依次为Ti-TiN涂层、以“TiN涂层到Ti1-xAlxN涂层”为交替周期的纳米多层膜涂层、nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层；且所述Ti1-xAlxN涂层中的X为0～0.6。
本发明含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，通过先在刀具基体上先沉积一层Ti-TiN作为中间粘结层，为了解决本发明沉积的nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层硬度过高而导致直接沉积在刀具基体上产生的残余应力过大而使结合力差的问题，本发明通过在Ti-TiN涂层与nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层之间沉积以“TiN涂层到Ti1-xAlxN涂层”为交替周期的纳米多层膜涂层，所述纳米多层膜涂层能够形成从内到外硬度渐变的过渡层，从而实现提高硬度和耐磨性的同时又能够使涂层与刀具基体之间具有较高的结合力。
在上述的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具中，作为优选，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层外还具有TiN涂层。通过在最外层沉积TiN涂层，目的是为了便于识别及提高美观性。
在上述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具中，作为优选，所述以“TiN涂层到Ti1-xAlxN涂层”为交替周期的纳米多层膜涂层中的Ti1-xAlxN涂层从内到外其X值为渐增。由于采用TiN到Ti1-xAlxN进行交替沉积可以形成很多界面，能够更好地阻止裂纹的扩展，另外，采用渐增式的沉积方案，主要是根据Al含量的不同，Ti1-xAlxN涂层的硬度不同，因此，通过使Ti1-xAlxN涂层中Al的含量渐增的方式来提高硬度，使得涂层的硬度逐渐增加，形成了较为缓和的硬度梯度，从而提高了涂层的结合力，实现了在提高刀具硬度和耐磨性的同时保证了涂层的结合力的效果。作为进一步的优选，所述以“TiN涂层到Ti1-xAlxN涂层”为交替周期的纳米多层膜涂层中每层涂层的厚度为5nm～15nm时，能够进一步提高复合涂层的整体硬度。在保证纳米多层膜涂层中每层涂层的厚度为纳米级的基础上，所述以“TiN到Ti1- xAlxN”为交替周期的纳米多层膜涂层的总厚度为1μm～5μm，优选为3μm～4μm。
在上述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具中，作为优选，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层中Y的含量为0～20%，所述Al的含量为30%～50%。所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层中nc-AlTiYN为纳米晶（nc），晶粒尺寸最好为0～50nm，优选为5～10nm。其中a-Si3N4为非晶状，其Si和N的原子比相近似约3/4，能够形成网状结构，包裹着nc-AlTiYN。另外，本发明通过研究发现Y（钇）的含量和Al的含量对高温时硬度的影响比较，因此，通过控制两者的含量保证该涂层的硬度，硬度能够达到40GPa以上。稀土钇的加入能够使涂层在高速切削时，产生Y2O3，起到高温抗氧化作用，同时也起到一定的热障作用，能够降低基体的切削温度，而在低速切削时，并没有发生氧化作用，又能够保持涂层的高硬度和高耐磨性。因此，本发明通过加入稀土钇能够提高涂层的自适应性能，保证刀具的性能。作为进一步的优选，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层中Y的含量为10～15%，所述Al的含量为35%～45%。
在上述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具中，作为优选，所述Ti-TiN涂层的厚度为20～400nm；优选为100～300nm。
在上述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具中，作为优选，所述刀具基体采用WC-Co硬质合金制成。一般来说涂层的硬度远大于刀具基体的硬度，为了减小刀具基体与涂层之间的硬度梯度，增加结合力，本发明通过先在基体表面沉积Ti-TiN涂层作为粘结层，以减小硬度梯度，提高结合力。优选，所述刀具基体中Co的含量为6wt%～10wt%,如硬质合金高速铣刀。
本发明的目的之二是通过以下技术方案得以实现：一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的制作方法，该方法包括以下步骤：
A、预处理：将作为衬底材料的刀具基体进行预处理，备用；
B、涂层沉积：将经过预处理的刀具基体装入多弧离子镀膜机中，先沉积Ti-TiN涂层；然后，再交替沉积TiN和Ti1-xAlxN涂层，形成以“TiN到Ti1-xAlxN”为交替周期的纳米多层膜涂层；最后，沉积nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层，涂层沉积结束后，冷却、出炉，得到含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具。
在上述的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的制作方法，作为优选，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层沉积结束之后，还包括沉积TiN涂层。
在上述的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的制作方法，所述预处理采用常规的方法即可。作为优选，所述预处理具体为：
将刀具基体材料进行微喷砂处理，喷砂后进行清洗、吹干，备用。
在上述的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的制作方法，所述涂层沉积采用常规方法即可。作为优选，采用多弧离子镀膜机进行涂层沉积或采用多靶磁控溅射薄膜设备进行沉积等。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.本发明的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，通过使整个涂层从内到外存在硬度梯度，来减小由于层间的硬度突变造成的残余应力过大，影响界面结合力；相当于使本发明的涂层从内到外硬度从20GPa逐渐过渡到30GPa再过渡到40GPa以上的硬度梯度变化，实现提高界面结合力、提高硬度和耐磨性，提高了刀具的使用寿命。
本发明的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，以“TiN到Ti1-xAlxN”为交替周期的纳米多层膜涂层采用交替沉积可以形成很多界面，能够更好地阻止裂纹的扩展；另外，通过使Al的含量渐增的方式来提高硬度，使得涂层的硬度逐渐增加，形成了较为缓和的硬度梯度，从而提高了涂层的结合力，实现了在提高刀具硬度和耐磨性的同时保证了涂层的结合力的效果。
本发明的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的制作方法，采用常规的设备均能够实现，具有工艺简单、设备要求低和成本低的优点。
附图说明
图1是本发明的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的结构示意图。
图中，１、刀具基体；２、Ti-TiN涂层；３、TiN涂层；４、Ti1-xAlxN涂层；5、nc-AlTiYN/a-Si3N4涂层；６、TiN涂层。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。
实施例1
如图1所示，本发明含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，所述刀具包括刀具基体1和沉积在刀具基体表面的复合涂层，所述复合涂层从内到外依次为Ti-TiN涂层2、以“TiN涂层３到Ti1-xAlxN涂层4”为交替周期的纳米多层膜涂层、nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层５；且所述Ti1-xAlxN中的X为0～0.6。为了便于识别及提高美观性，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层５外还可以沉积TiN涂层６。
上述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的个体制作方法如下：
预处理：使用WC-Co硬质合金作为刀具基体（衬底材料），刀具基体中Co的含量优选为6wt%～10wt%，先将刀具基体1进行微喷砂处理，沙粒为Al2O3，粒度为10～20μm，时间为10～40min，喷砂后采用超声波进行清洗，再采用去离子水清洗，然后在丙酮溶液中进行超声波清洗8～15min，清洗后吹干待用；
涂层沉积：将上述经过预处理的刀具基体均匀放入料架上，然后，装入多弧离子镀膜机中，并使料架以一定的速度转动，根据料架大小调节转速为10～30rpm，再抽真空到10～4Pa，打开Ar，调节真空室约为0.4Pa，再打开加热器，升温至300℃；基体加偏压300V，开启Ti靶，溅射清洗30min，然后，开始沉积Ti-TiN涂层（过渡层）200nm；开启TiAl靶和Ti靶，通过控制N2流量阀，使工作压力为0.5Pa左右，进行交替沉积TiN涂层和Ti1-xAlxN涂层使形成多层膜涂层，所述多层膜涂层中每层涂层的厚度为5～15nm，且所述多层膜涂层的总厚度为2～4μm，沉积完成后，关闭Ti靶和TiAl靶；再开启TiAlSiY靶，控制弧电流为80～150A，电压为20～30V，沉积厚度为2～3μm，使形成nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层；沉积完成后关闭TiAlSiY靶，开启Ti靶，沉积厚度为0.3μm；涂层沉积结束后，使刀具在真空室内冷至小于100℃后，回复常压，出炉，得到含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具。
涂层检测结果表明：划痕法检测结合力75N，纳米压痕法检测硬度为45GPa，摩擦系数0.35；本发明的刀具使用温度高达950℃～1100℃（采用红外测温仪测出切削刃口的温度），说明本发明的刀具同时还具有较高的抗高温性能。
对本发明的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具进行耐用度试验：切削条件：Φ4mm立铣刀4刃，工件：P20（50HRC），干铣削，顺铣，V=300m/min，fZ=0.03mm/Z，Rd=0.15mm，Ad=2mm。检查加工长度达50m后刀具后刀面的磨损情况。
试验结果：本发明的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的后刀面磨损值为0.2mm。相比于现有的采用TiN涂层铣刀，其后刀面磨损值为VB=0.8mm；相比于TiN/Al0.54Ti0.46N涂层铣刀，后刀面磨损值为VB=0.4mm，从上述数据可以看出，本发明的刀具具有较高的耐磨性。
实施例2
如图1所示，本发明含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，所述刀具包括刀具基体1和沉积在刀具基体表面的复合涂层，所述复合涂层从内到外依次为Ti-TiN涂层2、以“TiN涂层３到Ti1-xAlxN涂层4”为交替周期的纳米多层膜涂层、nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层５；且所述Ti1-xAlxN中的X为0～0.6。为了便于识别及提高美观性，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层５外还可以沉积TiN涂层６。
上述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的个体制作方法如下：
预处理：使用WC-Co硬质合金作为刀具基体（衬底材料），刀具基体中Co的含量优选为6wt%～10wt%，先将刀具基体1进行微喷砂处理，沙粒为Al2O3，粒度为10～20μm，时间为10～40min，喷砂后采用超声波进行清洗，再采用去离子水清洗，然后在丙酮溶液中进行超声波清洗8～15min，清洗后吹干待用；
涂层沉积：将上述经过预处理的刀具基体均匀放入料架上，然后，装入多弧离子镀膜机中，并使料架以一定的速度转动，根据料架大小调节转速为10～30rpm，再抽真空到10～4Pa，打开Ar，调节真空室约为0.4Pa，再打开加热器，升温至300℃；基体加偏压300V，开启Ti靶，溅射清洗30min，然后，开始沉积Ti-TiN涂层（过渡层）300nm；开启TiAl靶和Ti靶，通过控制N2流量阀，使工作压力为0.5Pa左右，进行交替沉积TiN涂层和Ti1-xAlxN涂层使形成多层膜涂层，所述多层膜涂层中每层涂层的厚度为10nm，且所述多层膜涂层的总厚度为1～5μm，且Ti1-xAlxN涂层从内到外X值逐渐增大，多层膜涂层的最外层为Ti0.4Al0.6N涂层，沉积完成后，关闭Ti靶和TiAl靶；再开启TiAlSiY靶，控制弧电流为80～150A，电压为20～30V，沉积厚度为2～3μm，使形成nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层；沉积完成后关闭TiAlSiY靶，开启Ti靶，沉积厚度为0.3μm；涂层沉积结束后，使刀具在真空室内冷至小于100℃后，回复常压，出炉，得到含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具。
涂层检测结果表明：划痕法检测结合力85N，纳米压痕法检测硬度为48GPa，摩擦系数0.33；本发明的刀具使用温度高达950℃～1050℃（采用红外测温仪测出切削刃口的温度），说明本发明的刀具同时还具有较高的抗高温性能。
按实施例１的方法进行耐用度测试，结果显示本发明的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的后刀面磨损值为0.15mm。
实施例３
如图1所示，本发明含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，所述刀具包括刀具基体1和沉积在刀具基体表面的复合涂层，所述复合涂层从内到外依次为Ti-TiN涂层2、以“TiN涂层３到Ti1-xAlxN涂层4”为交替周期的纳米多层膜涂层、nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层５；且所述Ti1-xAlxN中的X为0.0～0.6。为了便于识别及提高美观性，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层５外还可以沉积TiN涂层６。
上述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的个体制作方法如下：
预处理：使用WC-Co硬质合金作为刀具基体（衬底材料），刀具基体中Co的含量优选为5wt%，先将刀具基体1进行微喷砂处理，沙粒为Al2O3，粒度为10～20μm，时间为10～40min，喷砂后采用超声波进行清洗，再采用去离子水清洗，然后在丙酮溶液中进行超声波清洗8～15min，清洗后吹干待用；
涂层沉积：将上述经过预处理的刀具基体均匀放入料架上，然后，装入多弧离子镀膜机中，并使料架以一定的速度转动，根据料架大小调节转速为10～30rpm，再抽真空到10～4Pa，打开Ar，调节真空室约为0.4Pa，再打开加热器，升温至300℃；基体加偏压300V，开启Ti靶，溅射清洗30min，然后，开始沉积Ti-TiN涂层（过渡层）400nm；开启TiAl靶和Ti靶，通过控制N2流量阀，使工作压力为0.5Pa左右，进行交替沉积TiN涂层和Ti1-xAlxN涂层使形成多层膜涂层，所述多层膜涂层中每层涂层的厚度为15nm，且所述多层膜涂层的总厚度为3～4μm，且Ti1-xAlxN涂层从内到外X值逐渐增大，多层膜涂层的最外层为Ti0.5Al0.5N涂层，次外层的Ti1-xAlxN涂层为Ti0.6Al0.4N涂层，沉积完成后，关闭Ti靶和TiAl靶；再开启TiAlSiY靶，控制弧电流为80～150A，电压为20～30V，沉积厚度为2～3μm,使形成nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层中Y的重量含量为10～15%，所述Al的重量含量为35%～45%；沉积完成后关闭TiAlSiY靶，开启Ti靶，沉积厚度为0.3μm；涂层沉积结束后，使刀具在真空室内冷至小于100℃后，回复常压，出炉，得到含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具。
涂层检测结果表明：划痕法检测结合力86N以上，纳米压痕法检测硬度为50GPa以上，摩擦系数0.34左右；本发明的刀具使用温度高达950℃～1050℃（采用红外测温仪测出切削刃口的温度），说明本发明的刀具同时还具有较高的抗高温性能。
按实施例１的方法进行耐用度测试，结果显示本发明的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的后刀面磨损值为0.1mm。
实施例４
如图1所示，本发明含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，所述刀具包括刀具基体1和沉积在刀具基体表面的复合涂层，所述复合涂层从内到外依次为Ti-TiN涂层2、以“TiN涂层３到Ti1-xAlxN涂层4”为交替周期的纳米多层膜涂层、nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层５；且所述Ti1-xAlxN中的X为0.01～0.6。为了便于识别及提高美观性，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层５外还可以沉积TiN涂层６。
上述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的个体制作方法如下：
预处理：使用WC-Co硬质合金作为刀具基体（衬底材料），刀具基体中Co的含量优选为8wt%，先将刀具基体1进行微喷砂处理，沙粒为Al2O3，粒度为10～20μm，时间为10～40min，喷砂后采用超声波进行清洗，再采用去离子水清洗，然后在丙酮溶液中进行超声波清洗8～15min，清洗后吹干待用；
涂层沉积：将上述经过预处理的刀具基体均匀放入料架上，然后，装入多弧离子镀膜机中，并使料架以一定的速度转动，根据料架大小调节转速为10～30rpm，再抽真空到10～4Pa，打开Ar，调节真空室约为0.4Pa，再打开加热器，升温至300℃；基体加偏压300V，开启Ti靶，溅射清洗30min，然后形开始沉积Ti-TiN涂层（过渡层）100nm；开启TiAl靶和Ti靶，通过控制N2流量阀，使工作压力为0.5Pa左右，进行交替沉积TiN涂层和Ti1-xAlxN涂层使形成多层膜涂层，所述多层膜涂层中TiN涂层的厚度均为5nm所述Ti1-xAlxN涂层的均为10nm，且所述多层膜涂层的总厚度为3～4μm，所述多层膜涂层中Ti1-xAlxN涂层从内到外X值逐渐增大，多层膜涂层的最外层为Ti0.40Al0.60N涂层，最内层的Ti1-xAlxN涂层为Ti0.99Al0.01N涂层，且从内到外每层涂层中Al的含量为等量渐增，沉积完成后，关闭Ti靶和TiAl靶；再开启TiAlSiY靶，控制弧电流为80～150A，电压为20～30V，沉积厚度为2～3μm,使形成nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层中Y的重量含量为12%，所述Al的重量含量为40%；沉积完成后关闭TiAlSiY靶，开启Ti靶，沉积厚度为0.3μm；涂层沉积结束后，使刀具在真空室内冷至小于100℃后，回复常压，出炉，得到含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具。
涂层检测结果表明：划痕法检测结合力84N以上，纳米压痕法检测硬度为51GPa以上，摩擦系数0.32左右；本发明的刀具使用温度高达950℃～1050℃（采用红外测温仪测出切削刃口的温度），说明本发明的刀具同时还具有较高的抗高温性能。
按实施例１的方法进行耐用度测试，结果显示本发明的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的后刀面磨损值小于0.1mm。
实施例５
如图1所示，本发明含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，所述刀具包括刀具基体1和沉积在刀具基体表面的复合涂层，所述复合涂层从内到外依次为Ti-TiN涂层2、以“TiN涂层３到Ti1-xAlxN涂层4”为交替周期的纳米多层膜涂层、nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层５；且所述Ti1-xAlxN中的X为0.01～0.6。为了便于识别及提高美观性，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层５外还可以沉积TiN涂层６。
上述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的个体制作方法如下：
预处理：使用WC-Co硬质合金作为刀具基体（衬底材料），先将刀具基体1进行微喷砂处理，沙粒为Al2O3，粒度为10～20μm，时间为10～40min，喷砂后采用超声波进行清洗，再采用去离子水清洗，然后在丙酮溶液中进行超声波清洗8～15min，清洗后吹干待用；
涂层沉积：将上述经过预处理的刀具基体均匀放入料架上，然后，装入多弧离子镀膜机中，并使料架以一定的速度转动，根据料架大小调节转速为10～30rpm，再抽真空到10～4Pa，打开Ar，调节真空室约为0.4Pa，再打开加热器，升温至300℃；基体加偏压300V，开启Ti靶，溅射清洗30min，然后，开始沉积Ti-TiN涂层（过渡层）400nm；开启TiAl靶和Ti靶，通过控制N2流量阀，使工作压力为0.5Pa左右，进行交替沉积TiN涂层和Ti1-xAlxN涂层使形成多层膜涂层，所述多层膜涂层中TiN涂层的厚度均为10nm所述Ti1-xAlxN涂层的均为10nm，且所述多层膜涂层的总厚度为3～4μm，所述多层膜涂层中Ti1-xAlxN涂层从内到外X值逐渐增大，多层膜涂层的最外层为Ti0.40Al0.60N涂层，最内层的Ti1-xAlxN涂层为Ti0.99Al0.01N涂层，且从内到外每层涂层中Al的含量为等量渐增，沉积完成后，关闭Ti靶和TiAl靶；再开启TiAlSiY靶，控制弧电流为80～150A，电压为20～30V，沉积厚度为2～3μm,使形成nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层中Y的含量为5%～20%，所述Al的含量为30%～50%；沉积完成后关闭TiAlSiY靶，开启Ti靶，沉积厚度为0.3μm；涂层沉积结束后，使刀具在真空室内冷至小于100℃后，回复常压，出炉，得到含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具。
涂层检测结果表明：划痕法检测结合力80N以上，纳米压痕法检测硬度为50GPa以上，摩擦系数0.34左右；本发明的刀具使用温度高达950℃～1050℃（采用红外测温仪测出切削刃口的温度），说明本发明的刀具同时还具有较高的抗高温性能。
按实施例１的方法进行耐用度测试，结果显示本发明的含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的后刀面磨损值为小于0.2mm。
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (8)

1.一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，所述刀具包括刀具基体（1）和沉积在刀具基体表面的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层从内到外依次为Ti-TiN涂层（2）、以“TiN涂层（3）到Ti1-xAlxN涂层（4）”为交替周期的纳米多层膜涂层、nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层（5）；且所述Ti1-xAlxN中的X为0.01～0.6；Ti1-xAlxN涂层（4）从内到外其X值为渐增。
2.根据权利要求１所述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层（5）外还具有TiN涂层（6）。
3.根据权利要求１所述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述以“TiN涂层（3）到Ti1-xAlxN涂层（4）”为交替周期的纳米多层膜涂层的总厚度为1～5μm。
4.根据权利要求１所述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层（5）中Y的含量为5wt%～20wt%，所述Al的含量为30wt%～50wt%。
5.根据权利要求１所述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述Ti-TiN涂层（2）的厚度为20～400nm。
6.根据权利要求１所述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具，其特征在于，所述刀具基体（1）采用WC-Co硬质合金制成。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A、预处理：将作为衬底材料的刀具基体（1）进行预处理，备用；
B、涂层沉积：将经过预处理的刀具基体（1）装入多弧离子镀膜机中，先沉积Ti-TiN涂层（2）；然后，再交替沉积TiN涂层（3）和Ti1-xAlxN涂层（4），形成以“TiN涂层（3）到Ti1-xAlxN涂层（4）”为交替周期的纳米多层膜涂层；最后，沉积nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层（5），涂层沉积结束后，冷却、出炉，得到含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具。
8.根据权利要求7所述有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具的制作方法，其特征在于，所述nc-AlTiYN/a-Si3N4纳米复合涂层沉积结束之后，还包括沉积TiN涂层（6）。
CN201410495930.9A 2014-09-25 2014-09-25 一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及其制作方法 Expired - Fee Related CN104260440B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410495930.9A CN104260440B (zh) 2014-09-25 2014-09-25 一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及其制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410495930.9A CN104260440B (zh) 2014-09-25 2014-09-25 一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及其制作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104260440A CN104260440A (zh) 2015-01-07
CN104260440B true CN104260440B (zh) 2016-06-15

Family

ID=52152082

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410495930.9A Expired - Fee Related CN104260440B (zh) 2014-09-25 2014-09-25 一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及其制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104260440B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109628896B (zh) * 2019-01-17 2020-10-30 四川大学 一种梯度结构TiAlSiYN多元纳米涂层及其制备方法
CN111660208A (zh) * 2020-06-03 2020-09-15 山东理工大学 一种提高金属加工工具寿命的复合表面处理方法
CN113529080B (zh) * 2021-07-19 2023-03-31 厦门鸿鹭联创工具有限公司 一种用于pcb微型铣刀的涂层

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100360705C (zh) * 2005-02-16 2008-01-09 吴大维 高耐氧化纳米晶-非晶结构的超硬复合膜刀具及其沉积方法
JP4697659B2 (ja) * 2005-06-28 2011-06-08 三菱マテリアル株式会社 耐熱合金の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具
CN1962947A (zh) * 2005-11-08 2007-05-16 中国科学院金属研究所 一种金属材料防护方法之一
CN1962927A (zh) * 2005-11-08 2007-05-16 中国科学院金属研究所 一种金属材料防护方法之三
WO2009105024A1 (en) * 2008-02-21 2009-08-27 Seco Tools Ab Multilayered coated cutting tool
CN101698933B (zh) * 2009-10-30 2012-02-01 华南理工大学 一种多元Ti-Al-N系纳米复合多层涂层及其制备方法
US8475943B2 (en) * 2011-07-08 2013-07-02 Kennametal Inc. Coated article having yttrium-containing coatings applied by physical vapor deposition and method for making the same

Also Published As

Publication number Publication date
CN104260440A (zh) 2015-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xu et al. Tribological properties of nanostructured TiAlN/W2N multilayer coating produced by PVD
CN105112858B (zh) 一种多层结构的纳米复合刀具涂层
CN104131250B (zh) 一种梯度成分设计的纳米复合刀具涂层及其制备方法
CN104131256B (zh) 一种多层纳米复合刀具涂层及其制备方法
CN103273687B (zh) TiSiN+ZrSiN复合纳米涂层刀具及其制备方法
CN102011091B (zh) 高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层及其制备方法
CN105088127B (zh) 一种涂层及其制备方法
Liu et al. The spectral properties and thermal stability of CrAlO-based solar selective absorbing nanocomposite coating
CN108517487B (zh) 一种高硬度和高耐磨的TiAlN/W2N多层涂层及其制备方法
CN107201499A (zh) 一种钛合金切削用成分梯度TiAlXN涂层刀具及其制备方法
CN104928638A (zh) 一种AlCrSiN基多层纳米复合刀具涂层及其制备方法
CN107523790A (zh) 一种AlCrSiCuN纳米多层涂层及其制备方法
CN104325738B (zh) 一种冷轧圆盘飞剪的硬质涂层及其制备方法
CN102277554A (zh) 梯度叠层涂层刀具及其制备方法
CN105063554A (zh) ZrSiCN纳米复合梯度涂层刀具及其制备工艺
CN104260440B (zh) 一种含有铝钛硅钇氮的纳米复合涂层刀具及其制作方法
CN105584148A (zh) 硬质耐高温自润滑涂层制品及其制备方法
CN106893987A (zh) 一种物理气相沉积Ta‑C涂层的制备方法及Ta‑C涂层
CN101717914B (zh) 一种双相纳米多层氮化铬铝涂层及其沉积方法
CN103382548A (zh) 一种基体表面纳米复合Me-Si-N超硬涂层的制备方法
Cao et al. Microstructure, mechanical and tribological properties of multilayer TiAl/TiAlN coatings on Al alloys by FCVA technology
CN108251797A (zh) 一种钛合金切削刀具用TiAlN/CrN多层涂层及其制备方法
CN107747093B (zh) 一种柔性硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具
CN103938157B (zh) 一种ZrNbAlN超晶格涂层及制备方法
Ariharan et al. A comprehensive review of vapour deposited coatings for cutting tools: properties and recent advances

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20160615

Termination date: 20160925