CN111910159A - 一种纳米晶非晶复合涂层及其制备方法与刀具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含TiAl(Nb，Si，C)N纳米晶非晶复合涂层及其制备方法与刀具，所述复合涂层为物理气相沉积形成的纳米晶非晶TiAl(Nb，Si，C)N涂层。这种增硬耐磨Si元素、增韧Nb元素、减摩C元素优比例共掺的TiAlN复合涂层，保持了TiAlN基涂层优良综合性能、无短板的良好“木桶效应”特点，同时可大幅度提升涂层的附着力、耐磨性、高温稳定性，实现了涂层强韧耐磨一体化，所述制备方法工艺简单、实际生产易操作且生产成本低，适合大范围推广。

Description

一种纳米晶非晶复合涂层及其制备方法与刀具

技术领域

本发明涉及切削用刀具的涂层领域，特别涉及一种纳米晶非晶复合涂层及其制备方法与刀具。

背景技术

高性能涂层刀具已成为现代刀具的标志，刀具表面涂层具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热抗氧化和摩擦系数小等特性，显著提高了涂层刀具使用寿命和切削效率。TiAlN涂层是目前应用最为广泛的涂层材料之一，在保持涂层面心立方晶体结构不变前提下的提高Al含量使得涂层具有良好力学性能的同时兼具出色的抗高温氧化能力，涂层硬度可达HV3300，涂层的抗氧化温度>800℃，此外具有较好的抗冲击性能。得益于TiAlN涂层没有短板的良好“木桶效应”特点，其应用范围广泛、通用性极强。

近年来，通过在TiAlN涂层体系中添加掺入多种功能化元素(如Si、Zr、Ta、W、C等元素)，以期进一步提升TiAlN基涂层性能，但往往顾此失彼，在涂层某一方面性能得到提升的同时又降低了另一方面的性能。文献(Zhang X,Jiang J,Yuqiao Z,et al.Effect ofcarbon on TiAlCN coatings deposited by reactive magnetron sputtering[J].Surface and Coatings Technology,2008,203(5-7):594-597)报道TiAlCN涂层中C元素降低了涂层的摩擦系数，提高了耐磨性，但却对抗高温氧化性能造成了一定程度上的降低；申请号为201810789812.7的专利中在TiAlN涂层中加入Si元素形成的由非晶的Si₃N₄相包裹TiAlN纳米晶粒的纳米复合结构，这种结构在改善TiAlN涂层的抗氧化性能和热稳定性的同时还提升了涂层耐磨性，但涂层的残余应力增加、抗冲击性能降低。此外报道关于Ta元素的引入虽然增加了TiAlN涂层的高温稳定性并起到一定增韧效果，但原子半径较大Ta原子的固溶引起点阵畸变效应使得膜基界面形成更多非共格界面，进而引起膜基结合力不佳。

如何打破上述“顾此失彼”式的功能元素掺入方法提质效应，成为了涂层刀具领域亟待突破的关键点。基于大量实验研究结果，本发明专利提出Si、Nb、C元素设计比例共掺理念，同时引入优比例适量增硬耐磨元素Si、增韧元素Nb及减摩元素C，采用阴极电弧离子镀分段式偏压沉积获得纳米晶非晶TiAl(Nb,Si,C)N强韧耐磨一体化复合涂层，既保持了TiAlN涂层固有的良好综合性能，又进一步提升TiAlN基涂层的附着力、耐磨性和高温稳定性，该涂层刀具无论是在通用性还是在特定工况下的加工性能方面都有良好表现。

发明内容

本发明提供了一种纳米晶非晶复合涂层及其制备方法与刀具，其目的是为了解决不同掺杂元素之间平衡其短板的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种纳米晶非晶复合涂层，所述复合涂层为含Ti_1-x-yAl_x(Nb,Si,C)_yN的单层或多层涂层；所述Ti_1-x-yAl_x(Nb,Si,C)_yN中Al原子百分比为0.3≤x≤0.65；Nb、Si、C总原子百分比为0.05≤y≤0.3，所述Nb、Si、C中任一原子比例为0.01-0.2。

进一步的，所述复合涂层为多层时，还包括TiN、TiAlN和TiAlSiN涂层中的一种或多种。

进一步的，所述复合涂层中涂层总厚度为0.5～10μm。

相对应的，本发明还提供了一种含纳米晶非晶复合涂层的刀具，所述刀具包含所述的复合涂层。

进一步的，所述刀具还包括刀具基体，所述刀具基体为粉末冶金法制备而成的硬质合金或金属陶瓷。

相对应的，本发明还提供了一种所述复合涂层的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备刀具基体并进行研磨、喷砂和抛光处理；

S2、对刀具基体进行清洗干燥、氩离子轰击刻蚀和活化处理；

S3、采用物理气相沉积技术中阴极电弧离子镀技术进行分段式偏压沉积TiAlBCN层，设定偏压为25～45V，工件架转速为1.5-2.7r/min，同时需要沉积涂层的靶，弧源电流为160～240A，沉积时间25～55min；初始偏压基础上上升5～20V，其余工艺参数不变，继续沉积30～60min；偏压继续上升5～20V，继续沉积30～70min，形成含Ti_1-x-yAl_x(Nb，Si，C)_yN的单层或多层涂层。

进一步的，所述S2中刻蚀操作的保护气体为Ar；压力为1.0x10^-1～5.0x10^-1Pa；偏压电源电压为120～200V；离子源电流为100～180A；刻蚀时间为30～60min。

进一步的，所述S3中所用工作气体为N₂，压力为1～5Pa。

进一步的，所述S3中形成涂层后真空下自然冷却至温度小于200℃后出炉，得到所述的纳米晶非晶复合涂层。

本发明中，原子半径相对较小的Si、C的引入，一方面由于原子量较小，保持了主体TiAlN相弹性模量的变化小，进而保证涂层与基体、涂层与涂层间的良好弹模匹配；另一方面不会引起较大的点阵畸变效应，两者共同保证了该TiAlNbSiCN涂层有着很好的膜基、膜膜结合力。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

(1)本发明提供了一种含TiAlNbSiCN纳米晶非晶复合涂层，Si元素的加入，形成了非晶相Si₃N₄包覆着TiAlN纳米晶复合结构，细化了涂层晶粒，增加了涂层硬度，阻碍了高温下TiAlN相的分解，提升了涂层的高温稳定性；Nb元素加入，增加了涂层的强韧性，涂层的抗塑性变形能力得到提升；C元素的加入生成无定形非晶相C起到自润滑作用，大大降低了刀具服役过程中与作用工件间的摩擦系数，从而提高了刀具的耐磨性；此外这种无定形的C弥散分布于涂层中还起到了增韧强化效果。

(2)本发明所述制备方法采用分段式梯度增加基体偏压沉积该TiAlNbSiCN纳米晶非晶复合涂层，很好地平衡了涂层残余应力、膜基结合力与耐磨性间关系，开始的低偏压，从靶材蒸发出的离子自由沉积到基体上，离子通过凝聚形核生长成涂层，涂层的结构相对疏松，涂层内部的残余应力较小；随后增加基体偏压，离子对涂层的轰击效应增加，涂层中的大颗粒减少、涂层的结构变得致密，涂层内部残余应力增加的同时涂层硬度耐磨性也随之增加。

(3)本发明提供方法实际生产易操作、成本低，制备出的含TiAlNbSiCN纳米晶非晶涂层，既保持了TiAlN涂层固有的良好综合性能，又进一步提升TiAlN基涂层的附着力、耐磨性和高温稳定性，无论是通用性还是特定工况下的加工应用都有良好表现。

附图说明

图1为本发明对比例与实施例的涂层断面形貌图；

图2为本发明对比例与实施例涂层的摩擦磨损曲线图；

图3为本发明对比例与实施例涂层的XRD物相图谱。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

下列所选实施例中，选用尺寸为20*6.5*5.25mm的长条样做基础性能检测，选用刀具基体为型号WNMG080408-BM硬质合金车削用刀片做切削性能对比。各实施例中除涂层部分不同之外，涂层前后处理均相同，具体实施步骤如下：

1、采用粉末冶金工艺对硬质难熔金属的碳化物(WC、TiC)微米级粉末和粘结金属(Fe、Co、Ni)粉末进行湿磨、喷雾干燥、压制、烧结成型后并经过一系列工序的机械后序加工和后续工艺处理得到刀具基体研磨品；对刀具基体研磨品涂层前处理与超声清洗，以达到去污要求和良好的表面质量，然后送入涂层设备进行相应涂层的涂覆沉积。涂层炉内本底真空为5x10^-2Pa，采用红外线加热管方式将刀具产品加热至250～300℃。然后继续用红外线加热管结合等离子体继续加热(通入Ar，流量为50～100sccm)，并辅以H₂还原处理，加热控制温度设定为400～500℃，加热处理时间为30～60min。

2、涂层前采用氩离子对刀具基体表面进行轰击刻蚀，进一步去除刀具基体表面脏化物，并活化刀具基体表面改善刀具基体与涂层的结合：通入工作气体Ar，保持炉内压力为1.0x10^-1～5.0x10^-1Pa；开启偏压电源，电压为120～200V；开启离子源，电流为100～180A。刻蚀时间为30～60min。

3、利用阴极电弧离子镀沉积相应实施例涂层

实施例1

利用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上沉积(Ti_0.3Al_0.6(NbSiC)_0.1N)(Nb:Si:C原子比为3:5:2，原子成分为理论设计值)纳米晶非晶单层复合涂层：通入工作气体N₂并保持压力为3.5Pa，起始偏压设定为30V，工件架转速约为1.58r/min，同时开启6块Ti_0.3Al_0.6(NbSiC)_0.1靶，弧源电流为200A，沉积时间35min；初始偏压基础上上升20V，其余工艺参数不变，沉积时间40min；偏压继续上升20V，继续沉积40min，形成单层的纳米晶非晶Ti_0.3Al_0.6(NbSiC)_0.1N涂层，图1b为该涂层断口形貌图。

实施例2

利用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上沉积Ti0.33Al0.67N/Ti0.3Al0.6(NbSiC)0.1N(成分为理论设计值)纳米晶非晶多层复合涂层：通入工作气体N2并保持压力为3.5Pa，初始偏压设定为30V，工件架转速约为1.58r/min，仅开启2块TiAl靶，弧源电流为200A，沉积时间55min；关闭TiAl靶，开启4块Ti_0.3Al_0.6(NbSiC)_0.1靶，弧源电流为200A，初始设定偏压基础上上升20V，沉积时间60min；偏压继续上升10V，沉积时间70min，形成TiAlN/TiAlNbSiCN双层结构的纳米晶非晶涂层，图1c为该涂层断口形貌图。

实施例3

利用阴极电弧离子镀技术在刀具基体上沉积Ti_0.3Al_0.53(NbSiC)_0.13N(B:C原子比为3:1，原子成分为理论设计值)纳米晶非晶单层复合涂层：通入工作气体N₂并保持压力为3.5Pa，设定偏压为30V，工件架转速约为2.63r/min，同时开启2块Ti_0.33Al_0.67靶和4块Ti_0.3Al_0.5(NbSiC)_0.2靶，弧源电流为200A，沉积时间25min；初始偏压基础上上升20V，其余工艺参数不变，沉积时间32min；偏压继续上升20V，继续沉积32min，形成单层的纳米晶非晶Ti_0.3Al_0.53(NbSiC)_0.13N涂层，图1d为该涂层断口形貌图。

4、关闭所有弧源，关闭偏压电源，关闭加热电源，关闭气体，真空状态下自然冷却至产品温度小于200℃，涂层结束。

上述方法主要是根据各种刀具涂层实施例的要求使用不同成分的靶材，TiAlNbSiC靶、TiAlNb、TiAlSi、TiAlC、TiAl靶进行沉积，依次得到不同成分或结构的的涂层，三种实施例涂层厚度均在3μm左右，实施例1、实施例2、实施例3涂层厚度依次为总厚度为3.15μm、2.97μm、3.23μm，其中实施例2的Ti_0.33Al_0.67N/Ti_0.3Al_0.6(NbSiC)_0.1N涂层中Ti_0.33Al_0.67N厚0.41μm，Ti_0.3Al_0.6(NbSiC)_0.1N厚2.56μm。

5、对比例

对比刀具为与上述实施例的纳米晶非晶复合涂层刀具同样选用尺寸为20*6.5*5.25mm的长条样做基础性能检测，选用刀具基体为型号WNMG080408-BM硬质合金车削用刀片，采用相同的阴极电弧离子镀技术沉积制备Ti_0.33Al_0.67N单层均一涂层，涂层厚度3.12μm，该涂层断面形貌图如图1a所示。

通过实施例与对比例涂层的断面形貌图可以看出，对比例AlTiN涂层呈现柱状晶结构，而随着Nb、Si、C元素的掺入，实施例涂层的晶粒得到明显细化，涂层结构更为致密，这是由于非晶Si₃N₄相包覆着纳米晶TiAlN相，阻止了TiAlN晶相的进一步生长，进而改善了涂层的组织。

采用CSM公司Micro-Combi Tester型纳米压痕模块对各长条合金样品的纳米硬度和弹性模量进行测定，为了保证测试结果准确性，待测涂层样品表面进行了湿喷砂后处理，以减小涂层表面液滴的影响，同时每个样品测量10个点取得平均值，结果如表1所示。实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层、对比例涂层的纳米硬度分别为35.1GPa、34.9GPa、36.4GPa、31.5GPa；实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层、对比例涂层的弹性模量分别为356.2GPa、354.5GPa、369.1GPa、348.4GPa；实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层、对比例涂层的H³/E²值分别为0.341、0.338、0.354、0.257(H³/E²可反映涂层的韧性，其值越大，代表涂层韧性越好)。结果表明实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层相对于对比例涂层，纳米硬度更高，且具有更好的韧性、抗塑性变形能力。

表1实施例与对比例刀具涂层的纳米压痕实验结果

涂层种类	纳米硬度(GPa)	弹性模量(GPa)	H<sup>3</sup>/E<sup>2</sup>值
				实施例1涂层	35.1	356.2	0.341
实施例2涂层	34.9	354.5	0.338
				实施例3涂层	36.4	369.1	0.354
对比例涂层	31.5	348.4	0.257

如图2所示，采用球-盘式摩擦磨损试验机(CETRCETR公司，UMT-3型)对各长条涂层合金样品进行摩擦磨损测试，得到相应的时间-摩擦系数曲线图，可以看出，相对于对比例涂层，实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层的表面摩擦系数更低，对比例涂层在摩擦磨损1300s后，摩擦系数发生骤降，说明已磨至硬质合金基体，而实施例涂层摩擦系数保持平稳，说明没有磨至硬质合金基体，在涂层厚度接近下，证明实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层的耐磨性更好。

如图3所示，采用X射线衍射仪(Rigaku公司，Dmax/2550VB型)对上述涂层样品表面进行XRD扫描。采用Jade6分析软件对测试得到的图谱进行物相分析，从得到的结果可以看出，随着Si、C的掺入，相对于对比例AlTiN涂层XRD衍射峰，实施例1涂层(200)晶面峰明显宽化，说明涂层晶粒得到细化；同时实施例1涂层中出现了非晶相特征峰，这种非晶相的存在会降低刀具服役过程中与作用工件间的摩擦系数，从而提高了刀具的耐磨性。

将实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层、对比例涂层刀具按照相同的切削加工条件进行加工，具体切削参数如下：

加工材料SUS304不锈钢

切削速度Vc＝280/min

每齿进给量Fz＝0.25mm/r

切削深度ap＝0.8mm

冷却方式为乳化液冷却

产品性能评估采用全寿命的评估标准，全寿命以刀片后面均匀磨损量VB值达到0.3mm或刀具涂层剥落、崩刃明显及机床震动较大时刀片完全失效，刀片实际参与工件切削的时间。

试刀结果显示，全寿命下，实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层、对比例涂层刀具完全失效时刀片实际参与工件切削的时间分别为8min15s、8min9s、7min58s、4min40s，实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层刀具寿命相对于对比例涂层刀具切削性能提升了76.8％、74.6％、70.7％；此外实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层刀片主失效区域周边涂层剥落微崩现象也好于对比例涂层刀具，说明实施例1涂层、实施例2涂层、实施例3涂层的附着力更佳。测量得到加工完之后工件表面粗糙度，可以看出含TiAlNbSiCN纳米晶非晶涂层刀具相对于AlTiN涂层刀具可以加工得到更好的工件表面质量。综上，相对于传统的AlTiN涂层刀具，上述含TiAlNbSiCN纳米晶非晶涂层刀具有着更好的切削加工性能。

表2实施例与对比例刀具寿命

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种纳米晶非晶复合涂层，其特征在于，所述复合涂层为含Ti_1-x-yAl_x(Nb，Si，C)_yN的单层或多层涂层；所述Ti_1-x-yAl_x(Nb，Si，C)_yN中Al原子百分比为0.3≤x≤0.65；Nb、Si、C总原子百分比为0.05≤y≤0.3，所述Nb、Si、C中任一原子比例为0.01-0.2。

2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层为多层时，还包括TiN、TiAlN和TiAlSiN涂层中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层中涂层总厚度为0.5～10μm。

4.一种含纳米晶非晶复合涂层的刀具，其特征在于，所述刀具包含权利要求1-3任意一项所述的复合涂层。

5.根据权利要求4所述的刀具，其特征在于，所述刀具还包括刀具基体，所述刀具基体为粉末冶金法制备而成的硬质合金或金属陶瓷。

6.一种如权利要求1-3任意一项所述复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、制备刀具基体并进行研磨、喷砂和抛光处理；

S2、对刀具基体进行清洗干燥、氩离子轰击刻蚀和活化处理；

S3、采用物理气相沉积技术中阴极电弧离子镀技术进行分段式偏压沉积TiAlBCN层，设定偏压为25～45V，工件架转速为1.5-2.7r/min，同时需要沉积涂层的靶，弧源电流为160～240A，沉积时间25～55min；初始偏压基础上上升5～20V，其余工艺参数不变，继续沉积30～60min；偏压继续上升5～20V，继续沉积30～70min，形成含Ti_1-x-yAl_x(Nb，Si，C)_yN的单层或多层涂层。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述S2中刻蚀操作的保护气体为Ar；压力为1.0x10^-1～5.0x10^-1Pa；偏压电源电压为120～200V；离子源电流为100～180A；刻蚀时间为30～60min。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述S3中所用工作气体为N₂，压力为1～5Pa。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述S3中形成涂层后真空下自然冷却至温度小于200℃后出炉，得到所述的纳米晶非晶复合涂层。

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