CN107354438B - 一种圆锯片表面的复合纳米涂层 - Google Patents

Abstract

本发明属于刀具技术领域，具体公开了一种圆锯片表面的复合纳米涂层以及制备方法，由里向外依次包括底层、缓冲层、加强层、耐温层，其中底层为金属Ti层，缓冲层为TiN层，加强层为多个TiAlN层与TiCrN层交替设置形成的复合层，耐温层为TiAlCrN层，缓冲层包括与金属Ti层贴合的第一TiN层、设于第一TiN层外的第二TiN层，耐温层中Ti、Al、Cr三者的原子比例为Ti:Al:Cr=60:37:3。本发明的复合纳米硬度更高，摩擦系数低，耐磨性能好，耐高温性能好，能满足圆锯片较大的切削速度，复合纳米涂层内部的应力小、强度高、与圆锯片基体之间的粘结强度高。

Description

一种圆锯片表面的复合纳米涂层

技术领域

本发明属于刀具技术领域，具体涉及一种圆锯片表面的复合纳米涂层。

背景技术

圆锯片是用于石材、木材、金属、塑料等材料坯料加工的切割刀具，圆锯片的耐磨性能、硬度以及耐高温、耐腐蚀性能对切削部件的表面光洁度、精度及加工效率具有重要的影响。高速钢圆锯片一种含多量碳、钨、钼、钒等元素的锯片，在热处理后具有较高的热硬性、耐磨性能和耐高温能力，当切削温度达600℃，切削速度达60 m/min以上时硬度仍无明显下降。但随着汽摩制造、重工机械及精密仪表等制造业对金属材料的强度、韧性等的要求越来越高，切削加工的难度也越来越大，对切割刀具的耐磨、硬度、耐温性能提出了更高的要求。

现有技术中为提高刀具的硬度、耐磨性能，以保证适宜的切削速度和工件表面的切削光洁度、加工精度，通常在刀具表面设置硬质涂层例如TiN层、AlTiN层、Al₂O₃层等，具有较高的硬度和耐磨性能。目前这种硬质涂层向复合多层、纳米复合多层方向发展。中国专利CN200910193492X，专利名称TiN/（TiN+CrN）/Ti（CN）纳米复合涂层及其制备方法，公开了由过渡层TiN膜、（TiN+CrN）纳米复合多层和CrAlN纳米复合多层组成的的复合多层涂层，具有高硬度和高温性能。但是该复合多层涂层的摩擦系数高、耐磨性能一般，而且高温性能不能满足更为苛刻的高温要求。

发明内容

针对现有的切削刀具上的涂层无法满足切削加工技术对切割刀具的耐磨、耐高温性能的要求越来越高的问题，本发明的目的在于提供一种圆锯片表面的复合纳米涂层。与现有的硬质涂层相比，本发明的复合纳米涂层硬度高、耐磨性高、摩擦系数低以允许较大的切削速度，而且耐高温好。同时本发明的目的还在于提供制备该复合纳米涂层的方法。

本发明提供如下的技术方案：

一种圆锯片表面的复合纳米涂层，所述复合纳米涂层由里向外依次包括底层、缓冲层、加强层、耐温层，其中底层为金属Ti层，缓冲层为TiN层，加强层为TiAlN层与TiCrN层的复合层，耐温层为TiAlCrN层，加强层中多个TiAlN层与TiCrN层交替设置。

本发明的复合纳米涂层中，底层为金属Ti层、底层为金属Ti层，缓冲层为TiN层，加强层为TiAlN层与TiCrN的复合层，耐温层为TiAlCrN层，加强层中TiAlN层与TiCrN层交替设置。金属Ti层减小了复合纳米涂层与圆锯片基体之间的内应力，提高了复合纳米涂层的韧性和强度，缓冲层、加强层使复合纳米涂层内部的应力平稳的由内向外过渡并衰减，并且加强了复合纳米涂层内部的粘结强度。加强层中TiAlN层与TiCrN层交替设置，一方面使缓冲层与耐温层之间的应力波浪式传递，削弱外界压力对复合纳米涂层的影响，另一方面相邻的TiAlN层与TiCrN层分别形成两个三元相，具有不同的弹性性能，很好的分散了复合纳米涂层内部的压力。耐温层TiAlCrN中可以看成是Al加入到TiCrN或Cr加入到TiAlN中，从而扩展TiCrN或TiAlN的调幅分解的成分区间，促进调幅分解的发生。同时在高温条件下，四元相TiAlCrN发生调幅分解析出三元相TiCrN或TiAlN，三元相TiCrN或TiAlN发生调幅分解析出二元立方相TiN以及AlN、CrN，分解过程中引发的时效硬化效应使得复合纳米涂层的力学性能大大的提高，而金属Ti层、TiN层、TiCrN/TiAlN、TiAlCrN层的依次设置使后一层分解产生的残余应力的影响大大的削弱，从而使复合纳米涂层具有较好的耐高温、耐性能以及较低的摩擦系数，提高圆锯片的切削速度。

作为本发明的一种改进，所述缓冲层包括与金属Ti层贴合的第一TiN层、设于第一TiN层外的第二TiN层，第二TiN层、TiAlN层与TiCrN层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚100～200 nm。保证了复合纳米涂层内部的应力由内向外平稳传递并逐渐削弱，强化复合纳米涂层的强度。

作为本发明的一种改进，所述耐温层中Ti、Al、Cr三者的原子比例为Ti:Al:Cr=60:37:3。较高的Al浓度有助于切削加工时涂层表面生成极薄的非晶态Al₂O₃，形成硬质惰性保护膜，提高复合纳米涂层适应高速切削加工的能力。Cr添加到TiAlN中促进调幅分解区间的扩展，提高耐温层的耐高温性能与耐磨性。

作为本发明的一种改进，所述复合纳米涂层的厚度为4～6 µm，其中底层的厚度为80～180 nm，加强层的厚度为1.5～2.4µm，耐温层的厚度为1.42～2.42µm，余下为缓冲层的厚度，加强层中TiAlN层与TiCrN层的厚度相同，且相邻TiAlN层与TiCrN层的厚度为50～80nm。复合纳米涂层在较薄的厚度条件下形成较强的耐磨、耐高温性能，并在复合纳米涂层内形成18～48个相邻TiAlN层与TiCrN层组成的加强单元。

一种圆锯片表面的复合纳米涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）清洗除油：将圆锯片基体置于质量浓度为5%～10%的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗后再置于丙酮中超声清洗，通风干燥后置于280～360 ℃煅烧1～3小时自然冷却至室温；

（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至3×10^-1Pa～5×10^-1Pa，然后抽真空至1.2×10^-2Pa，加热炉体至500 ℃，向炉体内通入氩气使压力升至2Pa，开启Ti靶，电流2～3A，偏压-75～-95V，在圆锯片基体表面沉积金属Ti层8～14分钟；

（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流2～3A、偏压为-75～-95V下在金属Ti层表面沉积第一TiN层5～7分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间3.2～4.6分钟，从而制备成缓冲层；

（4）加强层制备：分别开启TiAl合金靶、TiCr合金靶，通电电流为4～6A，偏压-86～-110V，圆锯片基体转向TiAl合金靶时沉积TiAlN层，圆锯片基体转向TiCr合金靶时沉积TiCrN层，从而使TiAlN层与TiCrN层交替沉积形成加强层，沉积时间为12～16分钟；

（5）耐温层制备：开启TiAlCr合金靶，通电电流为7～9A，偏压-120～-140V，在圆锯片基体上沉积TiAlCrN层，沉积时间为14～17分钟；

（6）将步骤（5）处理后的圆锯片置于上述非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗并通风干燥。

作为本发明方法的一种改进，所述圆锯片基体的材质为高速钢。

作为本发明方法的一种改进，所述的非离子型表面活性剂为聚氧乙烯酰胺、壬基酚聚氧乙烯醚或失水山梨醇中的一种。

作为本发明方法的一种改进，耐温层中晶粒尺寸为2～4 nm。

经上述方法制备的复合纳米涂层的粘结能力强，耐高温、耐腐蚀、耐磨差性能好，可以满足高速切削、高温使用的要求。在圆锯片基体的清洗过程中使用非离子型表面活性剂浸泡清洗，并煅烧去油，避免圆锯片基体在前处理过程中受到的损害。并且最终形成的耐温层中的晶粒尺寸为2～4 nm，耐温层的纳米尺寸进一步强化了复合纳米涂层的高耐磨性、高耐热耐氧化性等性能。

本发明的有益效果如下：

本发明的圆锯片表面的复合纳米涂层与现有的硬质涂层相比，硬度更高，摩擦系数低，耐磨性能好，耐高温性能好，能满足较大的切削速度，而且复合纳米涂层内部的应力小，强度高，与圆锯片基体之间的粘结强度高。

具体实施方式

下面就本发明的具体实施方式作进一步说明。

如无特别说明，本发明中所采用的原料均可从市场上购得或是本领域常用的，如无特别说明，下述实施例中的方法均为本领域的常规方法。

实施例1

一种圆锯片表面的复合纳米涂层，由里向外依次包括底层、缓冲层、加强层、耐温层，底层为金属Ti层，缓冲层为TiN层，加强层为多个TiAlN层与TiCrN层交替设置形成的复合层，耐温层为TiAlCrN层，缓冲层包括与金属Ti层贴合的第一TiN层、设于第一TiN层外的第二TiN层，第二TiN层、TiAlN层与TiCrN层中Ti的质量分数相同，且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚100～200 nm，耐温层中Ti、Al、Cr三者的原子比例优选为Ti:Al:Cr=60:37:3。复合纳米涂层的厚度优选为4 µm，其中底层的厚度80 nm，加强层的厚度为1.5µm，耐温层的厚度为1.42µm，缓冲层厚度为1µm，加强层中TiAlN层与TiCrN层的厚度相同，且两个相邻TiAlN层与TiCrN层的总厚度为50 nm。

上述圆锯片表面的复合纳米涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）清洗除油：将圆锯片基体置于30℃的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗1小时后再置于丙酮中超声清洗，然后通风干燥，再置于280 ℃下煅烧3小时自然冷却至室温，圆锯片基体的材质为高速钢，非离子型表面活性剂优选为聚氧乙烯酰胺，质量浓度为5%；

（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，将真空炉先抽真空至3×10^{- 1}Pa，然后抽真空至1.2×10^-2Pa，加热炉体至500 ℃，向炉体内通入氩气使压力升至2Pa，开启Ti靶，电流2A，偏压-75V，在圆锯片基体表面沉积金属Ti层8分钟；

（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流2A、偏压为-75V下在金属Ti层表面沉积第一TiN层5分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间3.2分钟，从而制备成缓冲层；

（4）加强层制备：分别开启TiAl合金靶、TiCr合金靶，通电电流为4A，偏压-86V，圆锯片基体转向TiAl合金靶时沉积TiAlN层，圆锯片基体转向TiCr合金靶时沉积TiCrN层，从而使TiAlN层与TiCrN层交替沉积形成加强层，沉积时间为12分钟；

（5）耐温层制备：开启TiAlCr合金靶，通电电流为7A，偏压-120V，在圆锯片基体上沉积TiAlCrN层，沉积时间为14分钟；

（6）将步骤（5）处理后的圆锯片置于5%的聚氧乙烯酰胺溶液中浸泡清洗并通风干燥。

上述方法制备的复合纳米涂层中耐温层的晶粒尺寸为2～4 nm，摩擦系数为0.42±0.04，允许的最高使用温度为1120℃，维氏硬度HV值为3500，允许的最大切削速度为130m/min，复合纳米涂层与圆锯片基体之间的粘结强度为93±1N。

实施例2

一种圆锯片表面的复合纳米涂层，由里向外依次包括底层、缓冲层、加强层、耐温层，其中底层为金属Ti层，缓冲层为TiN层，加强层为多个TiAlN层与TiCrN层交替设置形成的复合层，耐温层为TiAlCrN层，缓冲层包括与金属Ti层贴合的第一TiN层、设于第一TiN层外的第二TiN层，第二TiN层、TiAlN层与TiCrN层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚150 nm，耐温层中Ti、Al、Cr三者的原子比例优选为Ti:Al:Cr=60:37:3。复合纳米涂层的厚度优选为5 µm，其中底层的厚度为130 nm，加强层的厚度为1.95 µm，耐温层的厚度为1.92µm，缓冲层的厚度为1µm，加强层中TiAlN层与TiCrN层的厚度相同，且相邻TiAlN层与TiCrN层的总厚度为65 nm。

上述圆锯片表面的复合纳米涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）清洗除油：将圆锯片基体置于25℃的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗1.5小时后再置于丙酮中超声清洗，然后通风干燥，再置于320 ℃下煅烧2小时自然冷却至室温，圆锯片基体的材质为高速钢，非离子型表面活性剂优选为壬基酚聚氧乙烯醚，质量浓度为7%；

（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，将真空炉先抽真空至4×10^{- 1}Pa，然后抽真空至1.2×10^-2Pa，加热炉体至500 ℃，向炉体内通入氩气使压力升至2Pa，开启Ti靶，电流2.5A，偏压-85V，在圆锯片基体表面沉积金属Ti层11分钟；

（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流2.5A、偏压为-85V下在金属Ti层表面沉积第一TiN层6分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间3.9分钟，从而制备成缓冲层；

（4）加强层制备：分别开启TiAl合金靶、TiCr合金靶，通电电流为5A，偏压-98V，圆锯片基体转向TiAl合金靶时沉积TiAlN层，圆锯片基体转向TiCr合金靶时沉积TiCrN层，从而使TiAlN层与TiCrN层交替沉积形成加强层，沉积时间为14分钟；

（5）耐温层制备：开启TiAlCr合金靶，通电电流为8A，偏压-130V，在圆锯片基体上沉积TiAlCrN层，沉积时间为分钟15.5分钟；

（6）将步骤（5）处理后的圆锯片置于7%的壬基酚聚氧乙烯醚溶液中浸泡清洗并通风干燥。

上述方法制备的复合纳米涂层中耐温层的晶粒尺寸为2～4 nm，摩擦系数为0.42±0.04，允许的最高使用温度为1120℃，维氏硬度HV值为3500，允许最大切削速度为130 m/min，复合纳米涂层与圆锯片基体之间的粘结强度为93±1N。

实施例3

一种圆锯片表面的复合纳米涂层，由里向外依次包括底层、缓冲层、加强层、耐温层，其中底层为金属Ti层，缓冲层为TiN层，加强层为TiAlN层与TiCrN 层交替设置形成的复合层，耐温层为TiAlCrN层，缓冲层包括与金属Ti层贴合的第一TiN层、设于第一TiN层外的第二TiN层，第二TiN层、TiAlN层与TiCrN层中Ti的质量分数相同，且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚200 nm，耐温层中Ti、Al、Cr三者的原子比例优选为Ti:Al:Cr=60:37:3。复合纳米涂层的厚度优选为6 µm，其中底层的厚度为180 nm，加强层的厚度为2.4µm，耐温层的厚度为2.42µm，余下为缓冲层的厚度，加强层中TiAlN层与TiCrN层的厚度相同，且相邻TiAlN层与TiCrN层的总厚度为80 nm。

上述圆锯片表面的复合纳米涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）清洗除油：将圆锯片基体置于20℃的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗2小时后再置于丙酮中超声清洗，然后通风干燥，再置于360 ℃下煅烧1小时自然冷却至室温，圆锯片基体的材质为高速钢，非离子型表面活性剂优选为失水山梨醇，质量浓度为10%；

（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，将真空炉先抽真空至5×10^{- 1}Pa，然后抽真空至1.2×10^-2Pa，加热炉体至500 ℃，向炉体内通入氩气使压力升至2Pa，开启Ti靶，电流3A，偏压-95V，在圆锯片基体表面沉积金属Ti层14分钟；

（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流3A、偏压为-95V下在金属Ti层表面沉积第一TiN层7分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间4.6分钟，从而制备成缓冲层；

（4）加强层制备：分别开启TiAl合金靶、TiCr合金靶，通电电流为6A，偏压-110V，圆锯片基体转向TiAl合金靶时沉积TiAlN层，圆锯片基体转向TiCr合金靶时沉积TiCrN层，从而使TiAlN层与TiCrN层交替沉积形成加强层，沉积时间为16分钟；

（5）耐温层制备：开启TiAlCr合金靶，通电电流为9A，偏压-140V，在圆锯片基体上沉积TiAlCrN层，沉积时间为17分钟；

（6）将步骤（5）处理后的圆锯片置于10%的失水山梨醇溶液中浸泡清洗并通风干燥。

上述方法制备的复合纳米涂层中耐温层的晶粒尺寸为2～4 nm，摩擦系数为0.42±0.04，允许的最高使用温度为1120℃，维氏硬度HV值为3500，允许的最大切削速度为130m/min，复合纳米涂层与圆锯片基体之间的粘结强度为93±1N。

本发明的复合纳米涂层的硬度更高，摩擦系数低，耐磨性能好，耐高温性能好，能满足圆锯片较大的切削速度，复合纳米涂层内部的应力小、强度高、与圆锯片基体之间的粘结强度高。

Claims (6)

1.一种圆锯片表面的复合纳米涂层，其特征在于，所述复合纳米涂层由里向外依次包括底层、缓冲层、加强层、耐温层，其中底层为金属Ti层，缓冲层为TiN层，加强层为TiAlN层与TiCrN层的复合层，耐温层为TiAlCrN层，加强层中多个TiAlN层与TiCrN层交替设置；

所述的缓冲层包括与金属Ti层贴合的第一TiN层、设于第一TiN层外的第二TiN层，第二TiN层、TiAlN层以及TiCrN层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚100～200nm；

所述复合纳米涂层的厚度为4～6μm，其中底层的厚度为80～180nm，加强层的厚度为1.5～2.4μm，耐温层的厚度为1.42～2.42μm，余下为缓冲层的厚度，加强层中TiAlN层与TiCrN层的厚度相同，且相邻TiAlN层与TiCrN层的厚度为50～80nm。

2.根据权利要求1所述的圆锯片表面的复合纳米涂层，其特征在于，所述耐温层中Ti、Al、Cr三者的原子比例为Ti:Al:Cr＝60:37:3。

3.如权利要求1至2任一所述的圆锯片表面的复合纳米涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)清洗除油：将圆锯片基体置于质量浓度为5％～10％的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗后再置于丙酮中超声清洗，通风干燥后置于280～360℃煅烧1～3小时自然冷却至室温；

(2)底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至3×10^-1Pa～5×10^{- 1}Pa，然后抽真空至1.2×10^-2Pa，加热炉体至500℃，向炉体内通入氩气使压力升至2Pa，开启Ti靶，电流2～3A，偏压-75～-95V，在圆锯片基体表面沉积金属Ti层8～14分钟；

(3)缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流2～3A、偏压为-75～-95V下在金属Ti层表面沉积第一TiN层5～7分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间3.2～4.6分钟，从而制备成缓冲层；

(4)加强层制备：分别开启TiAl合金靶、TiCr合金靶，通电电流为4～6A，偏压-86～-110V，圆锯片基体转向TiAl合金靶时沉积TiAlN层，圆锯片基体转向TiCr合金靶时沉积TiCrN层，从而使TiAlN层与TiCrN层交替沉积形成加强层，沉积时间为12～16分钟；

(5)耐温层制备：开启TiAlCr合金靶，通电电流为7～9A，偏压-120～-140V，在圆锯片基体上沉积TiAlCrN层，沉积时间为14～17分钟；

(6)将步骤(5)处理后的圆锯片置于上述非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗并通风干燥。

4.根据权利要求3所述的圆锯片表面的复合纳米涂层的制备方法，其特征在于，所述圆锯片基体的材质为高速钢。

5.根据权利要求3所述的圆锯片表面的复合纳米涂层的制备方法，其特征在于，所述的非离子型表面活性剂为聚氧乙烯酰胺、壬基酚聚氧乙烯醚或失水山梨醇中的一种。

6.根据权利要求3所述的圆锯片表面的复合纳米涂层的制备方法，其特征在于，耐温层中晶粒尺寸为2～4nm。