CN105256273A - 一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，至少包括刀具基体，所述的刀具基体上由内至外依次附着有过渡层和耐磨层，过渡层为TiN，耐磨层由TiBN层和TiAlSiN层交替复合构成。本发明同时还提供了上述刀具的制备方法，在进行涂层之前先沉积一层过渡层，过渡层可以极大的提高涂层的附着力；然后在一定条件下沉积纳米复合多层涂层，通过控制工件架转速和氮气气压,来实现多层复合薄膜调制周期的变化，以调节一个双层周期的厚度。本发明所制备TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层刀具有良好的结合力和耐磨、耐高温性能，保证了刀具长期稳定工作，使刀具机械性能大幅度提高，提高生产效率，降低厂家的生产成本。
Description
技术领域
本发明提供了一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，应用于机械加工行业，属于机械切削刀具加工领域，本发明还提供了上述刀具的制备方法。
背景技术
随着汽车、飞机制造，航空航天等现代加工制造业的不断发展，高速高效切削成为加工制造业的主流技术。高速高效切削是一项复杂的系统工程，涉及机床、刀具和材料等诸多领域技术配合和技术创新。高速高效切削加工要获得良好的应用效果，必须是高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和基于特定加工对象的切削工艺的结合。而传统刀具硬质合金刀片高速铣削钢件时，由于它在高温下受到交变热负荷的作用，刀具的最终破损表现为以下多种型式：(1)刀具脆性剥落；(2)在刀具前后面上产生与切削刃大致相互垂直的热震梳状裂纹；(3)刀具后隙面磨损；(4)刀刃产生大块崩刃。因此导致其无法满足高端制造业对先进数控加工工艺的要求。
90年代发展起来的硬质合金涂层刀具，集成了强度、韧性和硬度等优势，它的出现是刀具历史上的一个重要里程碑。硬质合金刀具是指在硬质合金基体上，利用物理气相沉积技术涂覆一层耐磨性好的功能涂层，涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件之间的化学反应和扩散，从而减少磨损，延长寿命。涂层后的刀具寿命一般可延长3～5倍，目前在一些发达国家，涂层刀具的使用量已经达到总数的70％～80％。目前我国硬质合金超硬涂层刀具产品已占刀具总产量的40％以上，年产值300亿人民币以上，且每年仍以3～5％的速度递增。
在涂层刀具的发展中，涂层结构由最初的单元发展为多元，由最初的单层发展为多层，结构性能随着工业要求的提高而不断更新换代。纳米晶复合多层涂层能兼顾单层涂层的一些性质，拥有更加良好的机械性能，适合更高的机械加工切削刀具要求，同时也符合“绿色制造业”理念的要求，具有良好的市场前景和显著的竞争力。
ZL200910044474.5公开了一种周期性沉积的多涂层刀具及其制备方法，该多涂层刀具涂层是以“TiN层到TiSiN层到TiAlSiN层到TiSiN层”为一个周期的多周期涂层。ZL200910099424.7申请了一种TiAlN～TiBN多层厚膜，该多层厚膜由磁控溅射的TiAlN层和电弧离子镀的TiBN层交替沉积而成。此两项专利技术所制备涂层虽然硬度较高，但是制备过程复杂，用于实际生产可操作性不高，没有太大的工业化应用价值。
发明内容
本发明提供了一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，该涂层刀具具有较高的硬度、良好的耐磨性。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，至少包括刀具基体，所述的刀具基体上由内至外依次附着有过渡层和耐磨层，过渡层和耐磨层的总厚度为0.5～4μm，过渡层为TiN，过渡层厚度为100～200nm，耐磨层由TiBN层和TiAlSiN层交替复合构成。
耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为5～10nm。
所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金。
所述的耐磨层包含有TiN纳米晶，其中TiN纳米晶的粒径为3～10nm。
本发明中还提供了制备上述氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的方法，该制备过程简单易行，极易于工业化生产。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种制备上述氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的方法，包括以下步骤：一种制备权利要求1所述的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的方法，包括以下步骤：(1)、将表面洁净的刀具基体装夹在工件架上，在300～500℃、1.5～2.5Pa氩气环境、基体偏压为－600～－800V、占空比80％条件下，采用氩等离子体对刀具基体进行辉光清洗30～90min；
(2)、辉光清洗结束后，在氮气环境、气压为0.2～0.7Pa、－100～－250V偏压条件下，打开Ti靶，靶电流50～150A，在刀具基体上沉积TiN过渡层；
(3)、在氮气环境、气压为1.0～5.0Pa、－100～－250V偏压条件下，打开TiB2靶和TiAlSi靶，靶电流50～150A，在过渡层上沉积耐磨层。
耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为5～10nm。
所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金。
步骤(2)和步骤(3)中，沉积过程中工件架转速为2～4rpm。
本发明在进行涂层之前先沉积一层过渡层，过渡层可以极大的提高涂层的附着力；然后在一定条件下沉积TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层，通过控制工件架转速和氮气气压,来实现多层复合薄膜调制周期的变化，以调节一个双层周期的厚度。因此与现有技术相比本发明具有以下优点：第一，与磁控溅射相比，本发明采用了阴极电弧离子镀技术来制备涂层，由于离化率高使涂层具有较好的结合力和硬度，克服了磁控溅射法制备的涂层结合力较低的问题；第二，本发明得到的TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层为超晶格结构，最高硬度值约比普通单元涂层平均硬度提升30％左右；第三，本发明采用电弧离子镀技术与现行涂层设备相近，而且涂层设备结构简单，易控制，工业应用前景良好。
本发明所制备TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层刀具有良好的结合力和耐磨、耐高温性能，保证了刀具长期稳定工作，使刀具机械性能大幅度提高，提高生产效率，降低厂家的生产成本。
附图说明
图1为本发明所提供的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的制备装置结构示意图；
图2为本发明所提供的TiBN/TiAlSiN涂层截面形貌图；
图中：1-炉门，2-真空室，3-TiB2靶，4-TiAlSi靶，5-抽真空系统，6-工件架，7-十字交叉挡板，8-Ti靶。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护内容不局限于以下实施例。
本发明所提供的下列实施例中用来制备氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的装置如图1所示，该装置的真空室2由炉壁围成，真空室2高度为1000mm，直径为900mm。真空室侧面设有炉门1，以方便工件的装卸。真空室设有抽真空系统5，抽真空机组通过抽真空口对真空室进行抽真空，极限真空可达到5×10-4Pa。两个电弧源TiB2靶3和TiAlSi靶4分两边对称安装在炉壁上，Ti靶8安装在炉门1内壁，样品装在工件架6上，工件架6上设置有十字交叉挡板7，工件架6的下方设置有转动装置，用于带动工件架转动。该布局使真空室中等离子体密度大幅度增加，工件完全浸没在等离子体中。使沉积速率、硬度、附着力得到较大提高。
实施例1
本实施例中所提供的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的制备方法如下：
首先，将刀具清洗干净，装夹在工件架上，在300℃、氩气环境下，对高速钢、硬质合金刀具进行氩等离子体辉光清洗30min，气压为1.5Pa，基体偏压为－600V；辉光清洗结束后，在0.2Pa氮气气压，靶电流为50A，基体偏压－100V的条件下沉积TiN过渡层，过渡层厚度为100nm；然后沉积TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层，氮气气压为1.0Pa，靶电流均为70A，基体偏压为－100V。整个沉积过程中工件架转速为2rpm，涂层总厚度约为0.5微米，制备结束后自然冷却，得到TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层刀具，耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为5nm。
本实施例中所制备的TiBN/TiAlSiN涂层截面形貌图如图2所示，从图中可以看出涂层与刀具基体附着紧密，涂层致密，耐磨层包含有TiN纳米晶，其中TiN纳米晶的粒径为3～10nm。
实施例2
本实施例中所提供的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的制备方法如下：
将刀具清洗干净，装夹在工件架上。在350℃、氩气环境下，对高速钢、硬质合金刀具进行氩等离子体辉光清洗30min，气压为2.0Pa，基体偏压为－700V；辉光清洗结束后，在0.5Pa氮气气压，靶电流为70A，基体偏压－150V的条件下沉积TiN过渡层，过渡层厚度为100nm；然后沉积TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层，氮气气压为2Pa，靶电流均为80A，基体偏压为－150V。整个沉积过程中工件架转速为3rpm，涂层总厚度约为1微米，制备结束后自然冷却，得到TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层刀具，耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为6nm。
实施例3
本实施例中所提供的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的制备方法如下：
首先，将刀具清洗干净，装夹在工件架上，在400℃、氩气环境下，对高速钢、硬质合金刀具进行氩等离子体辉光清洗60min，气压为2.0Pa，基体偏压为－800V；辉光清洗结束后，在0.5Pa氮气气压，靶电流为90A，基体偏压－200V的条件下沉积TiN过渡层，过渡层厚度为150nm；然后沉积TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层，氮气气压为3.0Pa，靶电流均为90A，基体偏压为－200V。整个沉积过程中工件架转速为4rpm，涂层总厚度约为2微米，制备结束后自然冷却，得到TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层刀具，耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为7nm。
实施例4
本实施例中所提供的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的制备方法如下：
首先，将刀具清洗干净，装夹在工件架上，在450℃、氩气环境下，对高速钢、硬质合金刀具进行氩等离子体辉光清洗60min，气压为2.0Pa，基体偏压为－700V；辉光清洗结束后，在0.5Pa氮气气压，靶电流为100A，基体偏压－200V的条件下沉积TiN过渡层，过渡层厚度为150nm；然后沉积TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层，氮气气压为4.0Pa，靶电流均为100A，基体偏压为－200V。整个沉积过程中工件架转速为2rpm，涂层总厚度约为3微米，制备结束后自然冷却，得到TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层刀具，耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为8nm。
实施例5
本实施例中所提供的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的制备方法如下：
首先，将刀具清洗干净，装夹在工件架上，在500℃、氩气环境下，对高速钢、硬质合金刀具进行氩等离子体辉光清洗90min，气压为2.5Pa，基体偏压为－700V；辉光清洗结束后，在0.7Pa氮气气压，靶电流为150A，基体偏压－250V的条件下沉积TiN过渡层，过渡层厚度为200nm；然后沉积TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层，氮气气压为5.0Pa，靶电流均为150A，基体偏压为－250V。整个沉积过程中工件架转速为2rpm，涂层总厚度约为4微米，制备结束后自然冷却，得到TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层刀具，耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为10nm。
Claims (8)
1.一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，至少包括刀具基体，其特征在于：所述的刀具基体上由内至外依次附着有过渡层和耐磨层，过渡层和耐磨层的总厚度为0.5～4μm，过渡层为TiN，过渡层厚度为100～200nm，耐磨层由TiBN层和TiAlSiN层交替复合构成。
2.根据权利要求1所述的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，其特征在于：耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为5～10nm。
3.根据权利要求1或2所述的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，其特征在于：所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金。
4.根据权利要求1或2所述的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，其特征在于：所述的耐磨层包含有TiN纳米晶，其中TiN纳米晶的粒径为3～10nm。
5.一种制备权利要求1所述的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、将表面洁净的刀具基体装夹在工件架上，在300～500℃、1.5～2.5Pa氩气环境、基体偏压为－600～－800V、占空比80％条件下，采用氩等离子体对刀具基体进行辉光清洗30～90min；
(2)、辉光清洗结束后，在氮气环境、气压为0.2～0.7Pa、－100～－250V偏压条件下，打开Ti靶，靶电流50～150A，在刀具基体上沉积TiN过渡层；
(3)、在氮气环境、气压为1.0～5.0Pa、－100～－250V偏压条件下，打开TiB2靶和TiAlSi靶，靶电流50～150A，在过渡层上沉积耐磨层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为5～10nm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(3)中，沉积过程中工件架转速为2～4rpm。
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|---|---|
| CN (1) | CN105256273A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105671496A (zh) * | 2016-01-28 | 2016-06-15 | 武汉江海行纳米科技有限公司 | 一种氮化钼/氮硼钛纳米复合多层涂层刀具及其制备方法 |
| CN109161845A (zh) * | 2018-09-18 | 2019-01-08 | 岭南师范学院 | 一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用 |
| CN110344005A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-10-18 | 南京航空航天大学 | 一种TA15钛合金表面高温耐磨微叠层TiN-TiAlSiN及其制备方法与应用 |
| CN111455338A (zh) * | 2020-05-08 | 2020-07-28 | 上海新弧源涂层技术有限公司 | 一种纳米多层涂层及其制备方法和表面涂覆纳米多层涂层的刀具 |
| CN113201724A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-08-03 | 赣州澳克泰工具技术有限公司 | 一种带涂层的切削刀具及其制造方法 |
| US11131016B2 (en) | 2018-02-15 | 2021-09-28 | Rolls-Royce Plc | Coated substrate |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080121620A1 (en) * | 2006-11-24 | 2008-05-29 | Guo G X | Processing chamber |
| CN102653855A (zh) * | 2012-05-05 | 2012-09-05 | 马胜利 | 耐磨损和抗氧化的TiAlSiN纳米复合超硬涂层制备方法 |
| CN103962590A (zh) * | 2013-01-31 | 2014-08-06 | 三菱综合材料株式会社 | 表面包覆切削工具及其制造方法 |
| CN104131256A (zh) * | 2014-07-25 | 2014-11-05 | 广东工业大学 | 一种多层纳米复合刀具涂层及其制备方法 |
-
2015
- 2015-11-08 CN CN201510756629.3A patent/CN105256273A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080121620A1 (en) * | 2006-11-24 | 2008-05-29 | Guo G X | Processing chamber |
| CN102653855A (zh) * | 2012-05-05 | 2012-09-05 | 马胜利 | 耐磨损和抗氧化的TiAlSiN纳米复合超硬涂层制备方法 |
| CN103962590A (zh) * | 2013-01-31 | 2014-08-06 | 三菱综合材料株式会社 | 表面包覆切削工具及其制造方法 |
| CN104131256A (zh) * | 2014-07-25 | 2014-11-05 | 广东工业大学 | 一种多层纳米复合刀具涂层及其制备方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 何宁等: "《高速切削技术》", 31 January 2012, 上海科学技术出版社 * |
| 周书助等: "《硬质材料与工具》", 31 August 2015, 冶金工业出版社 * |
| 徐滨士等: "《表面工程技术手册 下》", 31 July 2009, 化学工业出版社 * |
| 戴达煌等: "《功能薄膜及其沉积制备技术》", 31 January 2013, 冶金工业出版社 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105671496A (zh) * | 2016-01-28 | 2016-06-15 | 武汉江海行纳米科技有限公司 | 一种氮化钼/氮硼钛纳米复合多层涂层刀具及其制备方法 |
| CN105671496B (zh) * | 2016-01-28 | 2019-02-12 | 武汉江海行纳米科技有限公司 | 一种氮化钼/氮硼钛纳米复合多层涂层刀具及其制备方法 |
| US11131016B2 (en) | 2018-02-15 | 2021-09-28 | Rolls-Royce Plc | Coated substrate |
| CN109161845A (zh) * | 2018-09-18 | 2019-01-08 | 岭南师范学院 | 一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用 |
| CN110344005A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-10-18 | 南京航空航天大学 | 一种TA15钛合金表面高温耐磨微叠层TiN-TiAlSiN及其制备方法与应用 |
| CN111455338A (zh) * | 2020-05-08 | 2020-07-28 | 上海新弧源涂层技术有限公司 | 一种纳米多层涂层及其制备方法和表面涂覆纳米多层涂层的刀具 |
| CN113201724A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-08-03 | 赣州澳克泰工具技术有限公司 | 一种带涂层的切削刀具及其制造方法 |
| CN113201724B (zh) * | 2021-04-25 | 2022-12-13 | 赣州澳克泰工具技术有限公司 | 一种带涂层的切削刀具及其制造方法 |
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