CN105624618B - TiAlSiZrN基复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种TiAlSiZrN基复合涂层、具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法。TiAlSiZrN基复合涂层由TiN层、TiN/TiSiN层、TiSiN层和TiAlSiZrN层构成。合金刀具由刀具基体和TiAlSiZrN基复合涂层构成。刀具基体设置有正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层。复合涂层通过电弧离子镀设备沉积而成。TiAlSiZrN基复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，致密度高，耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好，且复合涂层的润滑性能良好。本发明的合金刀具，具有良好的耐磨耐温性能。

Description

TiAlSiZrN基复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金 刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及硬质合金刀具技术领域，特别是涉及一种TiAlSiZrN基复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法。

背景技术

涂层硬质合金刀具的出现是刀具发展史上的一个重要里程碑。它是在强度和韧性较好的硬质合金基体上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而形成。

涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损。涂层具有很高的硬度和耐热性，并降低了刀具与工件间的摩擦系数，因此涂层刀具比未涂层刀具可显著地提高使用寿命，通常涂层刀具的寿命可比未涂层刀具高2-5倍。

硬质合金刀具在加工过程中承受极大的机械负荷和热负荷，极易产生磨损，从而影响其使用寿命，而对刀具材料进行表面改性，提高其表面性能，对提高刀具材料的使用寿命具有很重要的意义。在硬质合金表面涂上薄层的TiN、TiN、TiCN或Al₂O₃等高硬度耐磨材料，可提高刀具的耐磨性同时保持基体良好的韧性，可显著改善刀具材料的工作性能和使用寿命。然而涂层基本上为硬脆质材料，并且和硬质合金基体材料热膨胀系数不同，在涂层与基体之间的界面存在应力集中现象，通常裂纹容易在涂层表面产生并向合金内部扩散导致的材料失效。

TiN是最先被广泛使用的硬质涂层材料。TiN涂层性能优越，工艺过程又符合"绿色制造业"理念，但是TiN耐温有限，当使用温度超过500℃时抗氧化能力变差, 仍限制了其应用领域。而随着技术的进步，人们对涂层的综合性能要求越来越高，并且对不同服役条件的产品，应该有特定表层性能的刀具基体与特定的复合涂层与之相适应，以增加涂层与基体之间的结合力和涂层的耐磨损性。

因此，针对现有技术不足，提供一种性能良好的TiAlSiZrN基复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的目的之一在于避免现有技术的不足之处而提供一种TiAlSiZrN基复合涂层及其制备方法，TiAlSiZrN基复合涂层与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，致密度高，耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好，且复合涂层的润滑性能良好。

本发明的另一目的在于提供一种具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，具有良好的耐磨耐温性能。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

提供一种TiAlSiZrN基复合涂层，包括用于沉积于刀具表面作为过渡层的TiN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiN/TiSiN层、沉积于支撑层上作为耐磨层的TiSiN层和沉积于耐磨层上作为减磨层的TiAlSiZrN层，所述支撑层由TiN层和TiSiN层交替构成。

优选的，上述过渡层厚度为500-2000 nm；所述支撑层的厚度为500-4000 nm；所述耐磨层的厚度为500-4000 nm；所述减磨层的厚度为500-4000 nm；

所述支撑层中，单层TiSiN层的厚度为9-15 nm，单层TiSiN层的厚度为8-16 nm，相邻两层TiSiN层和TiN层的厚度之和为17-31 nm。

提供一种TiAlSiZrN基复合涂层的制备方法，采用电弧离子镀方法依次沉积作为过渡层的TiN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiN/TiSiN层、沉积于支撑层上作为耐磨层的TiSiN层和沉积于耐磨层上作为减磨层的TiAlSiZrN层。

进一步的，所述过渡层是在氮气环境下，气压 0.1-0.5Pa、电压100V-250V的条件下沉积的；

所述支撑层是在氮气环境下，气压 0.5-2.3Pa、电压、150V -250V的条件下沉积的；

所述耐磨层是在氮气环境下，气压 0.l-lPa 、电压150V -250V的条件下沉积的；

所述减磨层是在氮气环境下，气压 0.l-0.5Pa 、电压150V-250V的条件下沉积的。

进一步的，上述的TiAlSiZrN基复合涂层的制备方法，制备过程如下，

（1）首先使电弧离子镀设备抽真空至1.52×10-2 Pa以下，然后加热炉体至450-550℃，并保持电弧离子镀设备抽真空且内部气压不大于10-3Pa；

（2）通入纯度为99.999%的高纯度Ar气，在Ar流量为260 SCCM时保持压强为1.8-2.5 Pa，在温度为380-450 ℃的条件下，利用Ar离子辉光清洗基体25-35min；在Ar离子辉光清洗基体的过程中，初始脉冲偏压为-600V、占空比为30%，在三分钟内，使得脉冲偏压达到-1000 V、占空比达到50%；靶材和基体中间放置有遮挡板，避免靶材清洗过程中轰击出的靶材原子沉积在基体上；

（3）增加Ar+流量至3.0-4.0 Pa，Ar+在1200V-1300V的基体偏压下获得高的粒子能量以轰击、侵烛基体，去除基体表面杂质；

（4）移开遮挡板，依次沉积制备过渡层、支撑层、耐磨层和减磨层；

（5）复合涂层完毕后，于真空状况或通入H2状况下自然冷却至80℃以下。

优选的，上述的TiAlSiZrN基复合涂层的制备方法，具体制备过程如下，

（1）首先使电弧离子镀设备抽真空至1.52×10^-2 Pa以下，然后加热炉体至500℃，并保持电弧离子镀设备抽真空且内部气压不大于10^-3Pa；

（2）通入纯度为99.999%的高纯度Ar气，在Ar流量为260 SCCM时保持压强为2 Pa，在温度为400 ℃的条件下，利用Ar离子辉光清洗基体30min；在Ar离子辉光清洗基体的过程中，初始脉冲偏压为-600V、占空比为30%，在三分钟内，使得脉冲偏压达到 -1000 V、占空比达到50%；靶材和基体中间放置遮挡板，避免靶材清洗过程中轰击出的靶材原子沉积在基体上；

（3）增加Ar+流量至3.5 Pa，Ar+在1250V的基体偏压下获得高的粒子能量以轰击、侵烛基体，去除基体表面杂质；

（4）移开遮挡板，依次沉积制备过渡层、支撑层、耐磨层和减磨层；

（5）复合涂层完毕后，于真空状况或通入H2状况下自然冷却至80℃以下。

提供一种具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，由刀具基体和设置于刀具基体上的TiAlSiZrN基复合涂层构成；

所述刀具基体设置有正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，所述正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列；

所述TiAlSiZrN基复合涂层由作为过渡层的TiN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiN/TiSiN层、沉积于支撑层上作为耐磨层的TiSiN层和沉积于耐磨层上作为减磨层的TiAlSiZrN层构成，所述支撑层由TiN层和TiSiN层交替构成；

所述过渡层沉积于所述贫钴富立方相层表面。

进一步的，所述刀具基体中钴的含量为5-15wt.%；

所述正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-10000nm；

所述正常组织层的厚度大于2mm,所述富钴过渡层的厚度为20-100um；所述贫钴富立方相层的厚度为20-50 um；

所述过渡层厚度为500-2000 nm；所述支撑层的厚度为500-4000 nm；所述耐磨层的厚度为500-4000 nm；所述减磨层的厚度为500-4000 nm；

所述支撑层中，单层TiSiN层的厚度为9-15 nm，单层TiSiN层的厚度为8-16 nm，相邻两层TiSiN层和TiN层的厚度之和为17-31 nm。

进一步的，所述刀具基体中钴的含量为8-12wt.%；

所述正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-400nm。

进一步的，上述的具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，通过电弧离子镀方法将过渡层沉积于所述贫钴富立方相层，通过电弧离子镀方法将所述支撑层沉积于所述过渡层，通过电弧离子镀方法将耐磨层沉积于所述支撑层，通过电弧离子镀方法将所述减磨层沉积于所述耐磨层；

所述过渡层是在氮气环境下，气压 0.1-0.5Pa、电压100V-250V的条件下沉积的；

所述支撑层是在氮气环境下，气压 0.5-2.3Pa、电压、150V-250V的条件下沉积的；

所述耐磨层是在氮气环境下，气压 0.l-lPa 、电压150V-250V的条件下沉积的；

所述减磨层是在氮气环境下，气压 0.l-0.5Pa 、电压150V-250V的条件下沉积的。

进一步的，上述具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，TiAlSiZrN基复合涂层的制备过程如下，

（1）首先使电弧离子镀设备抽真空至1.4×10-2 Pa以下，然后加热炉体至450-550℃，并保持电弧离子镀设备抽真空且内部气压不大于10-3Pa；

（2）通入纯度为99.999%的高纯度Ar气，在Ar流量为260 SCCM时保持压强为1.8-2.5 Pa，在温度为380-450 ℃的条件下，利用Ar离子辉光清洗基体25-35min；在Ar离子辉光清洗基体的过程中，初始脉冲偏压为-600V、占空比为30%，在三分钟内，使得脉冲偏压达到-1000 V、占空比达到50%；靶材和基体中间放置遮挡板，避免靶材清洗过程中轰击出的靶材原子沉积在基体上；

（3）增加Ar+流量至3.0-4.0 Pa，Ar+在1200V-1300V的基体偏压下获得高的粒子能量以轰击、侵烛基体，去除基体表面杂质；

（4）移开遮挡板，依次沉积制备过渡层、支撑层、耐磨层和减磨层；

（5）复合涂层完毕后，于真空状况或通入H2状况下自然冷却至80℃以下。

本发明的TiAlSiZrN基复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，致密度高，耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好，且复合涂层的润滑性能良好。具有该TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，具有良好的耐磨耐温性能。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明一种TiAlSiZrN基复合涂层的层间结构示意图。

图2是本发明一种具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的层间结构示意图。

图3是本发明一种具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1。

一种TiAlSiZrN基复合涂层，如图1所示，包括用于沉积于刀具表面作为过渡层的TiN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiN/TiSiN层、沉积于支撑层上作为耐磨层的TiSiN层和沉积于耐磨层上作为减磨层TiAlSiZrN层。

过渡层厚度为500-2000 nm；支撑层的厚度为500-4000 nm；耐磨层厚度为500-4000 nm；减磨层厚度为500-4000 nm。

具体的，支撑层由TiN层和TiSiN层交替构成，其中单层TiSiN层的厚度为9-15 nm，单层TiSiN层的厚度为8-16 nm，相邻两层TiSiN层和TiN层的厚度之和为17-31 nm。

该TiAlSiZrN基复合涂层，采用电弧离子镀方法依次沉积作为过渡层的TiN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiN/TiSiN层、沉积于支撑层上作为耐磨层的TiSiN层和沉积于耐磨层上作为减磨层的TiAlSiZrN层。

其中，过渡层是在氮气环境下，气压 0.1-0.5Pa、电压100V-250V的条件下沉积的；

支撑层是在氮气环境下，气压 0.5-2.3Pa、电压、150V-250V的条件下沉积的；

耐磨层是在氮气环境下，气压 0.l-lPa 、电压150V-250V的条件下沉积的；

减磨层是在氮气环境下，气压 0.l-0.5Pa 、电压150V-250V的条件下沉积的。

具体的制备过程如下：

（1）首先使电弧离子镀设备抽真空至以下，然后加热炉体至450-550℃，并保持电弧离子镀设备抽真空且内部气压不大于10-3Pa；

（2）通入纯度为99.999%的高纯度Ar气，在Ar流量为260 SCCM时保持压强为1.8-2.5 Pa，在温度为380-450 ℃的条件下，利用Ar离子辉光清洗基体25-35min；在Ar离子辉光清洗基体的过程中，初始脉冲偏压为-600V、占空比为30%，在三分钟内，使得脉冲偏压达到-1000 V、占空比达到50%；靶材和基体中间放置遮挡板，避免靶材清洗过程中轰击出的靶材原子沉积在基体上；

（3）增加Ar+流量至3.0-4.0 Pa，Ar+在1200V-1300V的基体偏压下获得高的粒子能量以轰击、侵烛基体，去除基体表面杂质；

（4）移开遮挡板，按照沉积条件依次沉积制备过渡层、支撑层、耐磨层和减磨层；

（5）复合涂层完毕后，于真空状况或通入H2的状况下自然冷却至80℃以下。

从Ti靶上将Ti离子高温蒸发并在高偏压作用下高速运动到硬质合金刀片表面，在硬质合金刀片表面加有 1000-1200V的负高压，高压对离化的Ti离子具有加速作用，经过加速的 Ti离子会高速撞击硬质合金刀片表面，撞击过程会产生高温，Ti离子会与硬质合金刀片基体形成冶金结合层，一般扩散深度达到5-10nm Ti离子的轰击作用一是可以形成冶金结合层，二是可以在硬质合金刀片的表面沉积纯 Ti 层，由于轰击和沉积过程同时进行，形成的Ti涂层会非常致密，抑制了柱状Ti粗晶粒的生长。然后通入氮气与Ti反应生成TiN 过渡层。过渡层厚度一般为100-300纳米。在TiN涂层的基础上，逐步开启TiSi靶，TiSi与氮气反应生成TiSiN涂层，当合金刀运动到Ti靶前面时将形成TiN 涂层，当运动到TiSi靶前部时将形成TiSiN涂层，合金刀连续的转动将会形成TiN/TiSiN纳米复合涂层作为支撑层。

将两者结合，不但使TiSiN 和底层的TiN 具有很好的结合力，同时在保持硬度的基础上大幅度降低了涂层内应力。支撑层厚度一般为500-1500nm。当支撑层沉积结束后，涂层具有了一定的厚度和硬度，为了提高其耐温性，关闭Ti靶，沉积具有良好耐温性能的纯的TiSiN涂层，TiSiN涂层中TiN纳米晶的大小对涂层硬度和耐温性具有较大的影响，为此必须控制TiN纳米晶的大小，一般控制在5-20纳米。

该复合涂层不但具有较好的耐磨性能，同时由于多层结构具有良好的耐腐蚀性能。与常规的单层TiN 相比，由于TiSiN涂层材料的加入，使涂层不但具有良好的耐磨性能，同时其润滑性能大幅度上升。此外， TiN/ TiSiN层梯度的设计为高硬度耐磨层提供了较好的支撑作用，使表面TiAlSiZrN复合耐磨层具有更好的耐磨效果。在TiN/ TiSiN层的基础上，TiSiN 纳米晶复合涂层的使用主要是为了在TiN层与 TiSiN层之间、在TiSiN层与TiAlSiZrN层之间提供成分渐变，起到良好的降低应力的作用。在TiSiN 涂层的基础上，沉积 TiAlSiZrN层，形成TiSiN/TiAlSiZrN 的层间结构层，TiAlSiZrN层不但具有高硬度，同时具有一定的减磨性能，降低复合涂层的摩擦系数，当加工各种材料时提供较好的润滑性能，提高加工效果。为此本涂层不但结构设计先进，同时多种材料的配合使用使涂层具有良好的适应性能。

本发明的复合涂层，用于沉积于硬质合金刀具基体表面，当其制备于硬质合金刀具基体表面时，与刀具基体结合性良好，所制备的刀具耐磨耐温性能良好，大幅度提高了硬质合金刀具的加工性能。

实施例2。

一种制备如实施例1的TiAlSiZrN基复合涂层的方法，具体制备过程如下，

（1）首先使电弧离子镀设备抽真空至以下，然后加热炉体至500℃，并保持电弧离子镀设备抽真空且内部气压不大于10-3Pa；

（2）通入纯度为99.999%的高纯度Ar气，在Ar流量为260 SCCM时保持压强为2 Pa，在温度为400 ℃的条件下，利用Ar离子辉光清洗基体30min；在Ar离子辉光清洗基体的过程中，初始脉冲偏压为-600V、占空比为30%，在三分钟内，使得脉冲偏压达到 -1000 V、占空比达到50%；靶材和基体中间放置遮挡板，避免靶材清洗过程中轰击出的靶材原子沉积在基体上；

（3）增加Ar+流量至3.5 Pa，Ar+在1250V的基体偏压下获得高的粒子能量以轰击、侵烛基体，去除基体表面杂质；

（4）移开遮挡板，依次沉积制备过渡层、支撑层、耐磨层和减磨层；

（5）复合涂层完毕后，于真空状况或通入H2快冷至80℃以下。

本实施例所制备的TiAlSiZrN基复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，致密度高，耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好，且复合涂层的润滑性能良好。具有该TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，具有良好的耐磨耐温性能。

实施例3。

一种具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，由刀具基体和设置于刀具基体上的TiAlSiZrN基复合涂层构成，如图2、图3所示。

刀具基体设置有正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列。刀具基体中钴的含量为5-15wt.%，优选钴的含量为8-12wt.%。正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-10000nm，优选WC晶粒尺寸为1-500nm。

贫钴富立方相层中富含立方相氮化物或碳氮化物，硬质合金中的立方相氮化物和碳氮化物具有比密排六方相的WC更高的硬度．因此，贫钴富立方相的表层具有更高的硬度。富钴过渡层中富含的粘结相，当涂层中形成的裂纹扩散到该区域时, 由于其良好的韧性,可以吸收裂纹扩散时的能量, 因此,能够有效地阻止裂纹向合金内部扩散，并且能较好地吸收刀具切削时的冲击能量，因而有高的抗冲击韧性特性，进而有利于提高刀具材料的使用寿命。芯部为刚性组织区域，即正常组织层，WC晶粒分布均匀且细小，平均WC晶粒尺寸≤500nm，具有超细硬质合金优异的力学性能。

TiAlSiZrN基复合涂层由作为过渡层的TiN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiN/TiSiN层、沉积于支撑层上作为耐磨层的TiSiN层和沉积于耐磨层上作为减磨层的TiAlSiZrN层构成；过渡层沉积于贫钴富立方相层表面。

其中，正常组织层的厚度大于2mm,富钴过渡层的厚度为20-100um；贫钴富立方相层的厚度为20-50 um。

过渡层厚度为500-2000 nm；支撑层的厚度为500-4000 nm；耐磨层厚度为500-4000 nm；减磨层厚度为500-4000 nm。

所述支撑层由TiN层和TiSiN层交替构成，其中单层TiSiN层的厚度为9-15 nm，单层TiSiN层的厚度为8-16 nm，相邻两层TiSiN层和TiN层的厚度之和为17-31 nm。

本发明的具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，采用在表面贫钴富立方相层梯度超细硬质合金刀具基体上进行纳米多层复合涂层，可有效控制基体梯度和涂层的结构与成分， TiAlSiZrN基复合涂层与基体具有良好的结合力，所形成的刀具具有良好的耐磨耐温性能。

本发明的刀具基体从里到外由三层组成，分别为正常组织层、富钴过渡层、贫钴富立方相层。贫钴富立方相层中富含立方相氮化物或碳氮化物，硬质合金中的立方相氮化物和碳氮化物具有比密排六方相的WC更高的硬度。因此，贫钴富立方相的表层具有更高的硬度；富钴过渡层中富含的粘结相，当涂层中形成的裂纹扩散到该区域时, 由于其良好的韧性, 可以吸收裂纹扩散时的能量, 因此,能够有效地阻止裂纹向合金内部扩散，并且能较好地吸收刀具切削时的冲击能量，因而有高的抗冲击韧性特性，进而有利于提高刀具材料的使用寿命；芯部为刚性组织区域，WC晶粒分布均匀且细小（平均WC晶粒尺寸≤500nm），刀具基体具有优异的力学性能。

本发明充分利用纳米晶非晶复合、纳米多层复合，梯度复合以及多层结构涂层技术，形成结构和成分渐变，涂层与基体、以及涂层间具有良好的附着力。

与常规电弧离子镀技术相比，本发明采用多层结构技术抑制了柱状晶的生长，提高了涂层的致密度，使得复合涂层的耐腐蚀性增强，同时耐磨性也大幅度提高，使得所制备的刀具具有良好的耐腐蚀性能和耐磨性能。

本发明通过设置耐温较好的TiSiN层和摩擦系数较低的TiAlSiZrN层构建新型的耐磨和自润滑涂层，突破现有刀具涂层润滑性能较差的缺点，所制备的刀具具有良好的润滑性能。

本发明的具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，相对于普通硬质合金刀具，其切削性能得到了大幅提高。

实施例4。

一种具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其制备过程包括刀具基体的制备及在刀具基体表面沉积TiAlSiZrN基复合涂层。

具体制备过程如下：

(1)以难熔金属碳化物、粘结金属和TiCN和其他粉末如TiC, TaC, 或其他强氮化物形成元素的碳化物、碳氮化物为原料，通过球磨混合、干燥过筛、压制成型和烧结四个步骤制备得到硬质合金基体前驱体；

(2)对硬质合金基体前驱体进行精磨加工处理；

(3)对精磨加工处理后的硬质合金基体前驱体进行梯度烧结，制备得到表层贫钴和富立方相梯度结构硬质合金刀具基体；

(4)对刀具基体进行化学清洗后，然后在其表面沉积过渡层，该过渡层为TiN层；过渡层用于增进与刀具基体的结合力，降低内应力；

(5)在上述得到的过渡层上沉积支撑层，支撑层为TiN/TiSiN层；支撑层用于提高韧性和强度；

(6)在上述得到的支撑层上层积耐磨层，耐磨层为TiSiN层；耐磨层用于提高硬度、强度和抗氧化性能；

（7）在上述得到的耐磨层上层积减磨层，减磨层层为TiAlSiZrN层；减磨层可以提高抗氧化性能，降低摩擦系数。

本实施例所制备的具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，复合涂层与刀具基体结合性良好，该合金刀具具有耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好，且复合涂层的润滑性能良好的特点。

实施例5。

一种具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其制备过程包括刀具基体的制备及在刀具基体表面沉积TiAlSiZrN基复合涂层。

刀具基体由以下质量百分比的各组分烧结而成：5-15%的TiC，2-5%的TaC，10-15%合金粘结相，余量为WC。合金粘结相由以下质量百分比的粉体组成：0.5-5.5%的Cr，0.5-5.5%的Mo，0.5-5.5%的B，0.5-5.5%的Al，0.5-5.5%的V，0.5-5.5%的Y，0.5-5.5%的Si，余量为Co，且合金粘结相中Cr、Mo、B、Al、V、Y和Si的质量之和为合金粘结相质量的7-20%。

刀具基体的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备合金粘结相：按质量百分比分别称取Cr、Mo、B、Al、V、Y、Si、Co八种粉体，将八种粉体混合均匀，得合金粘结相。优选将八种粉体置于球磨机中，用硬质合金研磨球球磨72小时，且每球磨1h就暂停球磨10min，得到合金粘结相。

S2、制备坯料：按质量百分比分别称取合金粘结相、TiC、TaC、WC四种组分，四种组分组成原料粉体；按原料粉体总质量的1.5-2.5%称取石蜡，并将石蜡与原料粉体混合均匀，得到坯料。

S3、压制坯体：将坯料压制成型，得坯体。

可先用压模机将坯料压制成型，得初坯体；再用冷等静压机进一步压制初坯体，得坯体。

S4、烧结：将坯体置于烧结炉中，以5-8℃/min的速度升温至1200-1250℃，保温18-22min，并保持10-3Pa以下的真空度；然后向烧结炉中充入氮气并以1-3℃/min的速度升温至1420-1450℃，保温55-65min且保持0.2MPa以上的压强；接着再以2-6℃/min的速度降温至1000-1200℃，保温110-130min，并保持0.2MPa以上的压强；再接着坯体随炉冷却，并保持0.2MPa以上的压强，制得表面硬化的梯度硬质合金。

可在步骤S4前，进行预烧结步骤，所述预烧结步骤是将坯体置于烧结炉中，在惰性气体气氛下，以1400℃烧结10min；坯体随炉冷却后精修坯体外形。

该方法所制备的硬质合金基体具有优异的力学性能，改善了硬质合金的红硬性。硬质合金基体内的晶粒细小，硬质合金的表层富立方相而贫粘结相，并且表层下还有一富合金化粘结相的过度层，从而使硬质合金具有优异的硬度、耐磨性和韧性。

合金基体制备完成后，对其进行化学清洗，然后在其表面沉积TiAlSiZrN基复合涂层。

本实施例具体通过电弧离子镀方法将过渡层沉积于贫钴富立方相层，通过电弧离子镀方法将支撑层沉积于过渡层，通过电弧离子镀方法将耐磨层沉积于所述支撑层，通过电弧离子镀方法将所述减磨层沉积于所述耐磨层。

过渡层是在氮气环境下，气压 0.1-0.5Pa、电压100V-250V的条件下沉积的；

支撑层是在氮气环境下，气压 0.5-2.3Pa、电压、150V-250V的条件下沉积的；

耐磨层是在氮气环境下，气压 0.l-lPa 、电压150V -250V的条件下沉积的；

减磨层是在氮气环境下，气压 0.l-0.5Pa 、电压150V-250V的条件下沉积的。

TiAlSiZrN基复合涂层的沉积过程，具体如下，

（1）首先使电弧离子镀设备抽真空至以下，然后加热炉体至450-550℃，并保持电弧离子镀设备抽真空且内部气压不大于10-3Pa；

（2）通入纯度为99.999%的高纯度Ar气，在Ar流量为260 SCCM时保持压强为1.8-2.5 Pa，在温度为380-450 ℃的条件下，利用Ar离子辉光清洗基体25-35min；在Ar离子辉光清洗基体的过程中，初始脉冲偏压为-600V、占空比为30%，在三分钟内，使得脉冲偏压达到-1000 V、占空比达到50%；靶材和基体中间放置遮挡板，避免靶材清洗过程中轰击出的靶材原子沉积在基体上；

（3）增加Ar+流量至3.0-4.0 Pa，Ar+在1200V-1300V的基体偏压下获得高的粒子能量以轰击、侵烛基体，去除基体表面杂质；

（4）移开遮挡板，依次沉积制备过渡层、支撑层、耐磨层和减磨层；

（5）复合涂层完毕后，于真空状况或通入H2自然冷却至80℃以下。

本发明的所制备的具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，采用在表面贫钴富立方相层梯度超细硬质合金刀具基体上进行纳米多层复合涂层，可有效控制基体梯度和涂层的结构与成分，TiAlSiZrN基复合涂层与基体具有良好的结合力，所形成的刀具具有良好的耐磨耐温性能。

本发明的刀具基体刀具基体具有优异的力学性能，复合涂层与基体、以及涂层间具有良好的附着力，刀具耐腐蚀性能、耐摩擦性能及自润滑性能良好。

本发明所制备的具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，相对于普通硬质合金刀具，其切削性能得到了大幅提高。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种TiAlSiZrN基复合涂层的制备方法，其特征在于：制备过程如下，

（1）首先使电弧离子镀设备抽真空至1.52×10^-2 Pa以下，然后加热炉体至450-550℃，并保持电弧离子镀设备抽真空且内部气压不大于10^-3Pa；

（2）通入纯度为99.999%的高纯度Ar气，在Ar流量为260 SCCM时保持压强为1.8-2.5Pa，在温度为380-450 ℃的条件下，利用Ar离子辉光清洗基体25-35min；在Ar离子辉光清洗基体的过程中，初始脉冲偏压为-600V、占空比为30%，在三分钟内，使得脉冲偏压达到 -1000 V、占空比达到50%；靶材和基体中间放置有遮挡板，避免靶材清洗过程中轰击出的靶材原子沉积在基体上；

（3）增加Ar⁺流量至3.0-4.0 Pa，Ar⁺在1200V-1300V的基体偏压下获得高的粒子能量以轰击、侵烛基体，去除基体表面杂质；

（4）移开遮挡板，依次沉积制备过渡层、支撑层、耐磨层和减磨层；

所述过渡层为TiN层、支撑层为TiN/TiSiN层、耐磨层为TiSiN层、减磨层为TiAlSiZrN层；

（5）复合涂层完毕后，于真空状况或通入H₂状况下自然冷却至80℃以下。

2.根据权利要求1所述的TiAlSiZrN基复合涂层的制备方法，其特征在于：具体制备过程如下，

（1）首先使电弧离子镀设备抽真空至1.52×10^-2 Pa以下，然后加热炉体至500℃，并保持电弧离子镀设备抽真空且内部气压不大于10^-3Pa；

（2）通入纯度为99.999%的高纯度Ar气，在Ar流量为260 SCCM时保持压强为2 Pa，在温度为400 ℃的条件下，利用Ar离子辉光清洗基体30min；在Ar离子辉光清洗基体的过程中，初始脉冲偏压为-600V、占空比为30%，在三分钟内，使得脉冲偏压达到 -1000 V、占空比达到50%；靶材和基体中间放置遮挡板，避免靶材清洗过程中轰击出的靶材原子沉积在基体上；

（3）增加Ar⁺流量至3.5 Pa，Ar⁺在1250V的基体偏压下获得高的粒子能量以轰击、侵烛基体，去除基体表面杂质；

（4）移开遮挡板，依次沉积制备过渡层、支撑层、耐磨层和减磨层；

（5）复合涂层完毕后，于真空状况或通入H₂状况下自然冷却至80℃以下；

步骤（4）中，所述过渡层是在氮气环境下，气压 0.1-0.5Pa、电压100V -250V的条件下沉积的；

所述支撑层是在氮气环境下，气压 0.5-2.3Pa、电压150V -250V的条件下沉积的；

所述耐磨层是在氮气环境下，气压 0.l-lPa 、电压150V -250V的条件下沉积的；

所述减磨层是在氮气环境下，气压 0.l-0.5Pa 、电压150V-250V的条件下沉积的；

所述沉积方法为电弧离子镀。

3.权利要求1或2所述方法制备的TiAlSiZrN基复合涂层，其特征在于：包括用于沉积于刀具表面作为过渡层的TiN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiN/TiSiN层、沉积于支撑层上作为耐磨层的TiSiN层和沉积于耐磨层上作为减磨层的TiAlSiZrN层，所述支撑层由TiN层和TiSiN层交替构成；

所述过渡层厚度为500-2000 nm；所述支撑层的厚度为500-4000 nm；所述耐磨层的厚度为500-4000 nm；所述减磨层的厚度为500-4000 nm；

所述支撑层中，单层TiSiN层的厚度为9-15 nm，相邻两层TiSiN层和TiN层的厚度之和为17-31 nm。

4.一种具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：

由刀具基体和设置于刀具基体上的TiAlSiZrN基复合涂层构成；

所述刀具基体包括正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，所述正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列；

所述TiAlSiZrN基复合涂层由作为过渡层的TiN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiN/TiSiN层、沉积于支撑层上作为耐磨层的TiSiN层和沉积于耐磨层上作为减磨层的TiAlSiZrN层构成，所述支撑层由TiN层和TiSiN层交替构成；所述过渡层沉积于所述贫钴富立方相层表面；

所述刀具基体中钴的含量为5-15wt.%；

所述正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-10000nm；

所述正常组织层的厚度大于2mm,所述富钴过渡层的厚度为20-100um；所述贫钴富立方相层的厚度为20-50 um；

所述过渡层厚度为500-2000 nm；所述支撑层的厚度为500-4000 nm；所述耐磨层的厚度为500-4000 nm；所述减磨层的厚度为500-4000 nm；

所述支撑层中，单层TiSiN层的厚度为9-15 nm，相邻两层TiSiN层和TiN层的厚度之和为17-31 nm。

5.根据权利要求4所述的具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：

所述刀具基体中钴的含量为8-12wt.%；

所述正常组织层的WC晶粒尺寸为1nm-400nm。

6.根据权利要求5所述的具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：

通过电弧离子镀方法将过渡层沉积于所述贫钴富立方相层，通过电弧离子镀方法将所述支撑层沉积于所述过渡层，通过电弧离子镀方法将耐磨层沉积于所述支撑层，通过电弧离子镀方法将所述减磨层沉积于所述耐磨层；

所述过渡层是在氮气环境下，气压 0.1-0.5Pa、电压100V-250V的条件下沉积的；

所述支撑层是在氮气环境下，气压 0.5-2.3Pa、电压150V-250V的条件下沉积的；

所述耐磨层是在氮气环境下，气压 0.l-lPa 、电压150V -250V的条件下沉积的；

所述减磨层是在氮气环境下，气压 0.l-0.5Pa 、电压150V-250V的条件下沉积的；

所述TiAlSiZrN基复合涂层的制备过程如下，

（1）首先使电弧离子镀设备抽真空至1.4×10^-2 Pa以下，然后加热炉体至450-550℃，并保持电弧离子镀设备抽真空且内部气压不大于10^-3Pa；

（2）通入纯度为99.999%的高纯度Ar气，在Ar流量为260 SCCM时保持压强为1.8-2.5Pa，在温度为380-450 ℃的条件下，利用Ar离子辉光清洗基体25-35min；在Ar离子辉光清洗基体的过程中，初始脉冲偏压为-600V、占空比为30%，在三分钟内，使得脉冲偏压达到 -1000 V、占空比达到50%；靶材和基体中间放置遮挡板，避免靶材清洗过程中轰击出的靶材原子沉积在基体上；

（3）增加Ar⁺流量至3.0-4.0 Pa，Ar⁺在1200V-1300V的基体偏压下获得高的粒子能量以轰击、侵烛基体，去除基体表面杂质；

（4）移开遮挡板，依次沉积制备过渡层、支撑层、耐磨层和减磨层；

（5）复合涂层完毕后，于真空状况或通入H₂状况下自然冷却至80℃以下。