CN110042350B - 一种多层纳米复合刀具涂层及其制作方法 - Google Patents

一种多层纳米复合刀具涂层及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多层纳米复合刀具涂层的制作方法，包括以下步骤：1）刀具清洗：保证刀具基体表面干燥、清洁；2）抽真空处理：将刀具基体装夹在镀膜设备的转架上，然后将转架放置在由Cr靶材、AlTi靶材和AlCrSiW靶材组成的闭合镀膜设备中，并将真空室抽真空处理，最后打开加热器升温；3）离子清洗和离子轰击：通入氩气，对刀具基体的表面进行辉光清洗，关闭氩气，开启Cr靶材；4）制作底部粘接层：通入氮气，沉积CrN结合层；5）制作中间耐磨层：关闭Cr靶材，开启AlTi靶材，表面沉积AlTiN中间层；6）制作混合过渡层：开启AlCrSiW靶材和AlTi靶材，表面沉积AlCrSiWN及AlTiN混合层；7）制作表面功能层：关闭AlTi靶材，开启AlCrSiW靶材，表面沉积AlCrSiWN表面层，得到多层纳米复合刀具。

Description

一种多层纳米复合刀具涂层及其制作方法
技术领域
本发明涉及刀具涂层技术领域，特别是涉及一种多层纳米复合刀具涂层及其制作备方法。
背景技术
作为基础产业的制造业正在发生着革命性的变化，制造技术也已产生了质的变化。尤其近几年随着机械工业的迅速发展，机械加工难度愈来愈大，加工精度要求越来越高，在自动线上的复合刀具，既要满足生产节拍要求，又要具有可靠性和高寿命，要适应发展的需要，就要对传统的老式的复合刀具进行改革创新，就需要应用新技术、新材料来提高复合加工刀具的使用性能；复合刀具涂层是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢基体表面上，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制备的。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，从而减少了基体的磨损。
由于现有的加工材料，因其导热性差，塑性高，切削粘结严重等原因，使得刀具磨损过快，加工效率降低，成本增加。虽然PVD/CVD涂层刀具具有高表面硬度高、高耐磨性、化学性能稳定、摩擦系数小等特性，与未涂层刀具相比，在切削加工时刀具寿命可提高3-5倍以上，成为目前加工这类难加工材料的首选。尽管大部分涂层具有良好切削性能，可有效提高刀具性能，但市场上对于特殊难加工材料的切削加工一直没有较适合的刀具涂层，高硬度、高耐磨、抗氧化性好、与元素亲和性低是切削这类难加工材料刀具涂层的主要需求。
发明内容
本发明的目的之一在于避免现有技术中的不足之处而提供一种多层纳米复合刀具涂层的制作方法，该制作方法流程简单，可制作出多层多元涂层的多层纳米复合刀具涂层。
本发明的目的之一通过以下技术方案实现：
一种多层纳米复合刀具涂层的制作方法，包括以下步骤：
（1）刀具清洗：首先将刀具基体放入到超声波清洗机内进行清洗，然后去除的刀具基体表面水分，使得刀具基体表面干燥、清洁；
（2）抽真空处理：首先将完成步骤（1）的刀具基体均匀装夹在镀膜设备的转架上，然后将转架放置在由Cr靶材、AlTi靶材和AlCrSiW靶材组成的闭合镀膜设备中，并将真空室进行抽真空处理，最后打开加热器升温；
（3）离子清洗和离子轰击：首先在完成步骤（2）的真空室内通入氩气，对刀具基体的表面进行辉光清洗，然后关闭氩气输入，开启Cr靶材，对完成步骤（2）的刀具基体进行Cr离子轰击并提高刀具基体表面的活性；
（4）制作底部粘接层：在完成步骤（3）的真空室内通入氮气，使得在刀具基体的表面沉积CrN结合层；
（5）制作中间耐磨层：关闭Cr靶材，开启AlTi靶材，在完成步骤（4）的CrN结合层的表面沉积AlTiN中间层；
（6）制作混合过渡层：开启AlCrSiW靶材和AlTi靶材，在完成步骤（5）的AlTiN中间层的表面沉积AlCrSiWN及AlTiN混合层；
（7）制作表面功能层：关闭AlTi靶材，开启AlCrSiW靶材，在完成步骤（6）的AlCrSiWN及AlTiN混合层的表面沉积AlCrSiWN表面层，得到多层纳米复合刀具。
进一步的，在步骤（5）中，所述AlTi靶材由成分比为Al60%和Ti40%组成。
进一步的，在步骤（6）中，所述AlCrSiW靶材由成分比为Al65%、Cr20%、Si5%和W10%组成。
进一步的，在步骤（2）中，所述真空室内的背底真空气压不小于0.01Pa。
有益效果：由于在多层纳米复合刀具涂层的制作过程当中，采用Cr靶材、AlTi靶材和AlCrSiW靶材和氮气的相互协同配合，在刀具基体表面分别沉积有CrN结合层、AlTiN中间层、AlCrSiWN及AlTiN混合层和AlCrSiWN表面层，进而使得刀具本体具有高硬度、高耐磨、抗高温的纳米结构表面层以及高结合力的中间底部粘接层的多层多元涂层，同时实现了刀具涂层在切削过程中隔热及散热。
本发明的目的之二在于避免现有技术中的不足之处而提供一种多层纳米复合刀具涂层，该涂层具有刀具不仅具有涂层硬度高、耐磨性好、抗氧化性好的优点，同时实现了刀具涂层在切削过程中隔热及散热，适宜多种难加工材料。
本发明的目的之二通过以下技术方案实现：
一种多层纳米复合刀具涂层，所述刀具涂层由内至外依次包括有刀具基体、底部粘接层、中间耐磨层、混合过渡层、表面功能层。
进一步的，所述底部粘接层为CrN结合层，所述底部粘接层的厚度为0.9um至1.1um。
进一步的，所述中间耐磨层为AlTiN中间层，所述中间耐磨层的厚度为0.8 um至1.2um。
进一步的，所述混合过渡层为AlCrSiWN及AlTiN混合层，所述混合过渡层的厚度为0.09 um至0.11um。
进一步的，所述表面功能层为AlCrSiWN表面层，所述表面功能层的厚度为0.8 um至1.2um。
有益效果在于：由于设置刀具基体表面从内到外依次为底部粘接层、中间耐磨层、混合过渡层和表面功能层四者相配合的结构设计，更好地利用含W、Si元素高硬涂层优良的切削性，弥补其附着力不足而导致的涂层脱落问题，且涂层面内热导率高于涂层横截面热导率，从而使切削热沿刀具表面快速扩散并阻隔热向刀具基体的传导，可有效解决刀尖部位切削热集聚，使得涂层具有刀具不仅具有涂层硬度高、耐磨性好、抗氧化性好的优点，同时实现了刀具涂层在切削过程中隔热及散热，适宜多种难加工材料。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的一种多层纳米复合刀具涂层的工艺流程示意图；
图2是本发明的一种多层纳米复合刀具涂层的整体结构示意图。
图中包括：
刀具基体1、底部粘接层2、中间耐磨层3、混合过渡层4、表面功能层5。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
一种多层纳米复合刀具涂层的制作方法，包括以下步骤：
（1）刀具清洗：首先将刀具基体放入到超声波清洗机内进行清洗，然后去除的刀具基体表面水分，使得刀具基体表面干燥、清洁；
（2）抽真空处理：首先将完成步骤（1）的刀具基体均匀装夹在镀膜设备的转架上，然后将转架放置在由Cr靶材、AlTi靶材和AlCrSiW靶材组成的闭合镀膜设备中，并将真空室进行抽真空处理，最后打开加热器升温；
（3）离子清洗和离子轰击：首先在完成步骤（2）的真空室内通入氩气，对刀具基体的表面进行辉光清洗，然后关闭氩气输入，开启Cr靶材，对完成步骤（2）的刀具基体基体进行Cr离子轰击并提高刀具基体表面的活性；
（4）制作底部粘接层：在完成步骤（3）的真空室内通入氮气，使得在刀具基体的表面沉积CrN结合层；
（5）制作中间耐磨层：关闭Cr靶材，开启AlTi靶材，在完成步骤（4）的CrN结合层的表面沉积AlTiN中间层；
（6）制作混合过渡层：开启AlCrSiW靶材和AlTi靶材，在完成步骤（5）的AlTiN中间层的表面沉积AlCrSiWN及AlTiN混合层；
（7）制作表面功能层：关闭AlTi靶材，开启AlCrSiW靶材，在完成步骤（6）的AlCrSiWN及AlTiN混合层的表面沉积AlCrSiWN表面层，得到多层纳米复合刀具；
（8）表面处理：将步骤（7）制得的多层纳米复合刀具进行抛光后处理，打磨刀具涂层表面。
在优选实施例中，在步骤（5）中，所述AlTi靶材由成分比为Al60%和Ti40%组成，该比例制作出来的AlTiN中间层性能最佳。
在优选实施例中，在步骤（6）中，所述AlCrSiW靶材的成分比为Al65%、Cr20%、Si5%和W10%组成，该比例制作出来的AlCrSiWN表面层性能最佳。
在优选实施例中，在步骤（2）中，所述真空室内的背底真空气压为0.01Pa，该真空气压下制作得到的多层纳米复合刀具涂层效果最佳。
一种多层纳米复合刀具涂层，所述刀具由内至外依次包括有刀具基体1、底部粘接层2、中间耐磨层3、混合过渡层4、表面功能层5。
在优选实施例中，所述底部粘接层2为CrN结合层，所述底部粘接层2的厚度为1.0um，通过Cr离子和N离子结合沉积为 CrN粘接层，保证了底部粘结层2与刀具基体1的良好结合效果及实现了中间层耐磨层3与底部粘结层2良好的过渡。
在优选实施例中，所述中间耐磨层3为AlTiN中间层，所述中间耐磨层3的厚度为1.0um，可以较好地减小表面功能层5和底部粘接层2的附着力较低导致的涂层剥落问题，并与底部粘接层2形成由高低热导率涂层交替组合形成的多层耐磨隔热层，利用交替涂层热导率差异及纳米多层涂层界面效应，保证了在平行涂层方向上传递的热量远大于在垂直涂层方向上传递的热量，从而实现切削热在垂直方向上递减，使得切削热沿刀具表面快速扩散并阻隔热向刀具基体的传导，可有效解决刀尖部位切削热集聚，有效地降低了传递到刀具基体上的热量，保证了在切削过程中刀具的硬度，提高了切削稳定性、寿命和加工性能。
在优选实施例中，所述混合过渡层4为AlCrSiWN及AlTiN混合层，所述混合过渡层4的厚度为0.01 um，可以加强表面功能层5与中间耐磨层3之间的附着力。
在优选实施例中，所述表面功能层5为AlCrSiWN表面层，所述表面功能层5的厚度为1.0um，通过添加W，Si等元素，不仅可以有效提高刀具涂层的热稳定性和抗氧化性，有效降低涂层氧化现象的产生，提高涂层高温稳定性及刀具寿命，同时也可以达到细化晶粒，提高涂层硬度、耐磨性、适宜多种难加工材料。
实验例
实验对象：选取本实施例中的AlCrSiWN表面层（表面功能层），分别于现有复合刀具的AlTiN表面层和AlCrN表面层做对比实验。
实验方式：分别对AlCrSiWN表面层、AlTiN表面层和AlCrN表面层的进行维氏硬度的检测并记录结果，并且对AlCrSiWN表面层、AlTiN表面层和AlCrN表面层进行不同温度退火后涂层氧化层厚度的检测并记录结果。
下表为三组表面层的检测结果：
Figure 600903DEST_PATH_IMAGE001
由上表可见，本发明的AlCrSiWN表面层，相对于现有的AlTiN表面层和AlCrN表面层硬度高，并且随着温度的升高氧化层的厚度越小，因此该AlCrSiWN表面层在使用的过程当中涂层硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，并且实现了刀具涂层在切削过程中隔热及散热，适宜多种难加工材料。
本发明的有益效果在于：由于在多层纳米复合刀具涂层的制作过程当中，采用Cr靶材、AlTi靶材和AlCrSiW靶材和氮气的相互协同配合，在刀具基体表面分别沉积有CrN结合层、AlTiN中间层、AlCrSiWN及AlTiN混合层和AlCrSiWN表面层，进而使得刀具本体具有高硬度、高耐磨、抗高温的纳米结构表面层以及高结合力的中间底部粘接层的多层多元涂层，同时实现了刀具涂层在切削过程中隔热及散热；由于设置刀具基体表面从内到外依次为底部粘接层、中间耐磨层、混合过渡层和表面功能层四者相配合的结构设计，更好地利用含W、Si元素高硬涂层优良的切削性，弥补其附着力不足而导致的涂层脱落问题，且涂层面内热导率高于涂层横截面热导率，从而使切削热沿刀具表面快速扩散并阻隔热向刀具基体的传导，可有效解决刀尖部位切削热集聚，使得涂层具有刀具不仅具有涂层硬度高、耐磨性好、抗氧化性好的优点，同时实现了刀具涂层在切削过程中隔热及散热，适宜多种难加工材料。
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地说明，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 (3)

1.一种多层纳米复合刀具涂层的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）刀具清洗：首先将刀具基体放入到超声波清洗机内进行清洗，然后去除的刀具基体表面水分，使得刀具基体表面干燥、清洁；
（2）抽真空处理：首先将完成步骤（1）的刀具基体均匀装夹在镀膜设备的转架上，然后将转架放置在由Cr靶材、AlTi靶材和AlCrSiW靶材组成的闭合镀膜设备中，并将真空室进行抽真空处理，最后打开加热器升温；
（3）离子清洗和离子轰击：首先在完成步骤（2）的真空室内通入氩气，对刀具基体的表面进行辉光清洗，然后关闭氩气输入，开启Cr靶材，对完成步骤（2）的刀具基体进行Cr离子轰击，提高刀具基体表面的活性；
（4）制作底部粘接层：在完成步骤（3）的真空室内通入氮气，使得在刀具基体的表面沉积CrN结合层；
（5）制作中间耐磨层：关闭Cr靶材，开启AlTi靶材，在完成步骤（4）的CrN结合层的表面沉积AlTiN中间层；
（6）制作混合过渡层：开启AlCrSiW靶材和AlTi靶材，在完成步骤（5）的AlTiN中间层的表面沉积AlCrSiWN及AlTiN混合层；
（7）制作表面功能层：关闭AlTi靶材，开启AlCrSiW靶材，在完成步骤（6）的AlCrSiWN及AlTiN混合层的表面沉积AlCrSiWN表面层，得到多层纳米复合刀具;
在步骤（5）中，所述AlTi靶材由成分比为Al60%和Ti40%组成;
在步骤（6）中，所述AlCrSiW靶材由成分比为Al65%、Cr20%、Si5%和W10%组成。
2.如权利要求1所述的一种多层纳米复合刀具涂层的制作方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述真空室内的背底真空气压不小于0.01Pa。
3.如权利要求1至2任意一项的一种多层纳米复合刀具涂层的制作方法制得的一种多层纳米复合刀具涂层，其特征在于：所述刀具由内至外依次包括有刀具基体、底部粘接层、中间耐磨层、混合过渡层、表面功能层；
所述底部粘接层为CrN结合层，所述底部粘接层的厚度为0.9um至1.1um；
所述中间耐磨层为AlTiN中间层，所述中间耐磨层的厚度为0.8 um至1.2um；
所述混合过渡层为AlCrSiWN及AlTiN混合层，所述混合过渡层的厚度为0.09 um至0.11um；
所述表面功能层为AlCrSiWN表面层，所述表面功能层的厚度为0.8 um至1.2um。
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