CN112708859A - 一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法 - Google Patents

一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112708859A
CN112708859A CN202011521842.3A CN202011521842A CN112708859A CN 112708859 A CN112708859 A CN 112708859A CN 202011521842 A CN202011521842 A CN 202011521842A CN 112708859 A CN112708859 A CN 112708859A
Authority
CN
China
Prior art keywords
coating
cralvn
target
transition layer
cutting tool
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011521842.3A
Other languages
English (en)
Inventor
张大童
王成业
邱诚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN202011521842.3A priority Critical patent/CN112708859A/zh
Publication of CN112708859A publication Critical patent/CN112708859A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/024—Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
    • C23C14/025—Metallic sublayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides

Abstract

本发明公开了一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法。该刀具包括刀具基体和沉积于刀具基体上的CrAlVN涂层，在刀具基体与CrAlVN涂层之间依次沉积着Cr过渡层、CrN过渡层。该方法包括：对靶材与刀具基体进行预处理；依次在预处理后的刀具基体上沉积Cr过渡层、CrN过渡层及CrAlVN涂层，得到具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具。本发明提供的制备方法，所制备的涂层具备较高硬度(2201HV)；在摩擦磨损过程中，磨痕上的粘着点均匀分布，且粘着点的氧化可降低涂层平均摩擦系数和磨损率，分别为0.423和6.57×10‑7mm3/Nm，具备减摩抗磨的特性。

Description

一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法
技术领域
本发明涉及硬质防护涂层领域，具体涉及一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂 层的刀具及其制备方法。
背景技术
硬质涂层的发展如今已有几十年的历史。CrN涂层因具有高耐磨性、耐腐 蚀性和高温稳定性等优点被广泛应用于机械零部件以及刀具上。但随着刀具和 机械零件的工作条件愈发严苛，传统二元CrN涂层因较差的高温性能已不能满 足人们的使用需求。许多研究人员通过掺杂元素的方式，以求涂层性能得到改 善。近年来，将Al元素引入CrN涂层中制备CrAlN涂层成为人们的关注点， 因其能够在表面形成Al2O3氧化膜，阻碍涂层的氧化进程，从而大大改善了CrN 二元涂层的涂层抗氧化能力和高温性能。
目前，将V掺入CrAlN涂层中的研究数量较少。Wolfgang Tillmann等人 通过磁控溅射技术，在AISI-H11基底上制备了AlCrVN涂层。磁控溅射方法 因腔体所需气压较高，且离化率低，因此形成的涂层较难达到硬质耐磨的性质。 当涂层内V含量在3.4％左右时，涂层结合强度仅为32N左右，且并未提出通 过改进工艺设计的方式改善涂层结合强度的方案，这样就无法保证涂层的使用 寿命。此外，其磨损率高达9×10-5mm3/Nm，耐磨性相对较差(Investigation of the influence of the vanadium content on the hightemperature tribo-mechanical properties of DC magnetron sputtered AlCrVN thinfilms)。中国专利文献 CN104385751A提出一种含CrAlVN层和CrAlSiN层的复合涂层刀具及其制备 方法，但其多层涂层的生产工艺较为复杂，且需要对涂层的厚度作出严格把控。 在多层涂层体系中，这间接提高了涂层生产的难度，且不利于保证涂层的性能。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法。
本发明提供一种减摩抗磨的CrAlVN涂层制备方法，主要用于刀具表面硬 质耐磨防护涂层。下文所述方法和装置可制备出减摩抗磨的CrAlVN涂层，具 备减摩抗磨的特性。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具，包括刀具基体和沉积 于刀具基体上的CrAlVN涂层，在所述刀具基体与CrAlVN涂层之间依次沉积 着Cr过渡层、CrN过渡层。所述CrAlVN涂层为带有过渡层的分层结构设计， Cr层因沉积时间短而在SEM下不清晰，SEM下涂层可见明显的CrN过渡层 和CrAlVN层。
进一步地，所述CrAlVN涂层的厚度为0.7μm-0.9μm；在所述Cr原子百分 含量为16％-18％，Al原子百分含量为21％-24％，V原子百分含量为2.8％-3.2％， N原子百分含量为55％-59％；所述Cr过渡层的厚度为12nm-20nm；Cr过渡层 中，Cr原子百分含量为98％-100％；所述CrN过渡层的厚度为0.52μm-0.72μm； CrN过渡层中，Cr原子百分含量为33％-36％，N原子百分含量为64％-67％。
进一步地，所述刀具基体的材质为YT5硬质合金、YT15硬质合金、YT30 硬质合金中的一种以上；所述CrAlVN涂层、Cr过渡层及CrN过渡层的总厚 度为1.3μm-1.5μm。
优选地，所述CrAlVN涂层、Cr过渡层及CrN过渡层的总厚度为1.39μm。
本发明提供的制备上述具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的方法，包括 如下步骤：
(1)对靶材与刀具基体进行预处理；
(2)在多弧离子镀的腔体内，依次在预处理后的刀具基体上沉积Cr过渡 层、CrN过渡层及CrAlVN涂层，得到所述具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀 具。
进一步地，步骤(1)中，对靶材的预处理包括：
将靶材于喷砂机中喷砂清洗后用酒精擦洗；所述靶材包括Cr靶、CrAlV靶。 预处理后，将靶材安装入多弧离子镀的腔体中。所述Cr靶纯度大于99.9％， CrAlV靶材为粉末冶金方法制备而成的合金靶，Cr、Al、V的原子比为 0.29:0.6:0.11-0.31:0.6:0.09，以此为元素掺杂的方式进行膜层沉积。
进一步地，步骤(1)中，对刀具基体的预处理包括：
将刀具基体分别在600#-2000#的砂轮下打磨，然后进行抛光至镜面，接着 将抛光后的刀具基体浸泡在丙酮中进行第一次超声清洗处理，取出，最后浸泡 在无水乙醇中进行第二次超声清洗处理，以除去表面水分，冷风吹干，得到预 处理后的刀具基体；所述第一次超声清洗处理的时间为10min-20min，第二次 超声清洗处理的时间为10min-20min。
优选地，所述将刀具基体抛光至镜面，使用的是2.5μm粒度金刚石抛光剂 在1500rpm转速下抛光至镜面。所述刀具基体完成预处理后，装入镀膜机内转 架上。
优选地，在步骤(2)进行沉积前，先对多弧离子镀的腔体进行预热处理， 具体包括：将基底装入腔体，TVP置于200，开启机械泵，将真空抽至9Pa以 下后开启高阀，开启加热器将腔体升温至450℃，以有效排出腔体内的空气。 保持转架转速为1.0rpm，同时开启水冷系统以保证靶材和偏压系统正常运转。
进一步地，步骤(2)中，在预处理后的刀具基体上沉积Cr过渡层前，对 预处理后的刀具基体进行表面清理处理，所述表面清理处理，包括：
将预处理后的刀具基体置于多弧离子镀的腔体内，抽真空处理，同时将墙 体温度升至440℃-460℃，当温度满足要求且腔体真空达到4×10-3Pa-6×10-3Pa 后，将偏压设置为280V-320V，挡板置于Cr靶处并开启Cr靶，靶流设置为 50A-70A烧蚀1min-2min，随后对CrAlV靶作同样处理；通入Ar气并保持流 量90sccm-110sccm，以维持腔室气压在0.4Pa-0.6Pa，偏压设置为180V-220V， 同时开启离子源，在4kW-6kW功率下开启15min-20min；随后开启Cr靶，靶 流为60A-80A，Ar气流量降至45sccm-55sccm，同时开启偏压，并在800V-1000V下保持15min-20min。
进一步地，步骤(2)所述沉积Cr过渡层，包括：关闭Ar气，腔体抽真 空，将腔体温度设置为340℃-360℃，当腔体气压达到7×10-3Pa-1×10-2Pa时， 打开偏压于78V-82V，开启Cr靶于95A-105A并沉积1.5min-2.5min，以在高 真空状态下沉积Cr过渡层。
进一步地，步骤(2)所述沉积CrN过渡层，包括：关闭Cr靶，往多弧离 子镀的腔体内通入N2并保持流量在750sccm-850sccm，TVP置于75-85，维持 腔体气压在0.9Pa-1.1Pa；再次开启Cr靶，靶流为95A-105A，偏压为78V-82V， 沉积39min-41min，以沉积CrN过渡层。
优选地，所往多弧离子镀的腔体内通入N2气压及流量的方法采用斜坡模 式，以平缓层间的N元素成分变化幅度。
进一步地，步骤(2)所述沉积CrAlVN涂层，包括：关闭Cr靶，偏压设 置为48V-52V，开启CrAlV靶并设置弧流为65A-75A，通入N2并保持流量在 750sccm-850sccm，TVP保持在75-85，温度保持在340℃-360℃，维持多弧离 子镀的腔体的气压在0.9Pa-1.1Pa，沉积115min-125min，以沉积CrAlVN涂层。
优选地，沉积工作完成后，关闭CrAlV靶、偏压、N2和加热器，水冷系 统保持开启，当温度降至80℃以下时关闭转架，腔室充入空气，开炉取样；制 备CrAlVN涂层所用Cr靶纯度大于99.99％，CrAlV靶材中Cr、Al、V的原子 比为0.3:0.6:0.1。
本发明制备的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具，可以取出一部分涂层 样品进行截面样品的制备，具体包括：先将涂层线切割出截面方向切口，而后 将切口分别在600#～3000#目数的砂轮下打磨，并用0.5μm粒度金刚石抛光剂 在转速1000rpm下抛光至镜面，以便查看截面形态。
优选地，本发明提供的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法， 依次包括：
1确定膜层沉积方法
选择多弧离子镀及梯度涂层设计作为CrAlVN涂层的制备技术方法。
2前期准备
将靶材于喷砂机中喷砂清洗后用酒精擦洗，而后安装入腔体，以去除靶材 表面大块的杂质；选用YT15硬质合金作为基底，将基底分别在600#～2000# 砂轮下打磨，并用2.5μm粒度金刚石抛光剂在1500rpm转速下抛光至镜面，而 后将基底在丙酮中超声清洗15min以去除表面吸附有机物，在无水乙醇中超声 清洗15min，以除去表面水分，冷风吹干。
3抽真空、排气阶段
将基底装入腔体，TVP置于200，开启机械泵，将真空抽至9Pa以下后 开启高阀，开启加热器将腔体升温至450℃，以有效排出腔体内的空气。保持 转架转速为1.0rpm，同时开启水冷系统以保证靶材和偏压系统正常运转。
4靶材及基底清洗
当真空达到5×10-3Pa后，将偏压设置为300V，挡板置于Cr靶处并开启 Cr靶，靶流设置为60A烧蚀1min，以去除表面氧化物等杂质，随后对CrAlV 靶作同样处理；通入Ar气并保持流量100sccm，以维持腔室气压在0.5Pa，偏 压设置为200V，同时开启离子源，在6kW功率下开启20min，以清除基体表 面吸附气体和杂质；随后开启Cr靶，靶流为70A，Ar气流量降至50sccm，同 时开启偏压，并在1000V保持20min，利用Cr离子和Ar离子共同轰击基底表 面以彻底清除基体表面杂质。
5膜层沉积
关闭Ar气，腔体温度设置为350℃，继续抽真空，当腔体气压达到9×10-3Pa 时，打开偏压于80V，开启Cr靶于100A并沉积2min，以在高真空状态下沉 积Cr过渡层；之后通入N2并保持流量在800sccm，TVP置于82，维持腔体气 压在1Pa。再次开启Cr靶，靶流为100A，偏压为80V，沉积40min，以沉积 CrN过渡层；最后，关闭Cr靶，偏压设置为50V，开启CrAlV靶并设置弧流 为70A，其他条件不变，沉积120min，以沉积CrAlVN涂层。
6后处理
取出一部分制备好的涂层样品，沿中间线切割出截面断面，再将截面方向 分别在600#～3000#砂轮下打磨，并用0.5μm粒度金刚石抛光剂在转速1000rpm 下抛光至镜面，以便查看截面形态；
涂层制备所用的Cr靶纯度大于99.99％，CrAlV靶材中Cr、Al、V的原子 之比为0.3:0.6:0.1。所沉积的CrAlVN涂层中，Cr原子百分含量为16.19％， Al原子百分含量为23.36％，V原子百分含量为2.96％，N原子百分含量为 57.49％。
本发明提供的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具上，涂层采用梯度结构， 自基体表面向涂层表面依次沉积Cr、CrN和CrAlVN层，采用Cr小弧源靶材 (纯度＞99.99％)作为Cr层和CrN层的沉积来源，CrAlV小弧源靶材 (Cr:Al:V＝0.3:0.6:0.1)作为CrAlVN层的沉积来源。以高纯Ar为工作气体进 行基体的清洗，辅以GIS离子源系统提高气体离化率，提高清洗效率。以高纯 N2作为沉积气体，为涂层提供N元素来源，并通过调节N2流量控制腔体沉积气压和涂层中N元素含量。所制备涂层硬度较高，摩擦系数低，磨损率低，具 备较好的减摩抗磨特性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提供的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，在涂 层中引入了纯Cr及CrN过渡层，具有明显改善涂层结合强度的效果，保证了 涂层的使用寿命。
(2)本发明提供的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，腔体 N2气压的改变通过N2流量的斜坡模式实现，从而缓解层间的N元素成分变化 幅度，增强层间结合。
(3)本发明提供的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，所制 备的涂层具备较高硬度(2201HV)；在摩擦磨损过程中，磨痕上的粘着点均匀 分布，且粘着点的氧化可降低涂层平均摩擦系数和磨损率，分别为0.423和6.57×10-7mm3/Nm，具备减摩抗磨的特性。
(4)本发明提供的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，其生 产工艺流程少，工序较少，参数容易控制，生产效率高，降低了涂层生产的时 间成本；且在该方法下的工艺参数可节省生产设备的电力、原材料等损耗，具 有较高的经济性。
附图说明
图1为实施例中所采用的多弧离子镀制备CrAlVN涂层的装置简图。
其中，进气口1；TVP抽气口2；小弧源Cr靶3；小弧源CrAlV靶4；GIS 离子源5；自转杆6；转架7。
图2a和图2b分别为实施例制备的CrAlVN涂层表面与截面形貌；
图3a为实施例中CrAlVN涂层常温下GIXRD图谱；
图3b、图3c及图3d均为实施例中CrAlVN涂层常温下的XPS图谱；
图4a及图4b分别为实施例制备的CrAlVN涂层划痕测试的划痕形貌图、 结合强度结果图；
图5a及图5b分别为实施例制备的CrAlVN涂层摩擦磨损实验的摩擦系数 曲线及磨痕形貌结果图。
图6为实施例制备的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的结构图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护 不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人 员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可 以通过市售购买得到的常规产品。
实施例1
实施例1给出一种减摩抗磨的CrAlVN涂层的制备方法，适用于各类刀具 材料。以下实施例使用的小弧源CrAlV靶中，按照原子百分比计， Cr:Al:V＝0.3:0.6:0.1。
实施例1中CrAlVN涂层的制备过程，包括如下步骤：
图1为实施例中所采用的多弧离子镀制备CrAlVN涂层的装置简图，该装 置包括进气口1、TVP抽气口2、小弧源Cr靶3、小弧源CrAlV靶4、GIS离 子源5、自转杆6、转架7。
(1)将靶材于喷砂机中喷砂清洗后用酒精擦洗，而后安装入腔体，以去除靶 材表面大块的杂质；选用YT15硬质合金作为基底，将基底分别在600#～2000# 砂轮下打磨，并用2.5μm粒度金刚石抛光剂在1500rpm转速下抛光至镜面，而 后将基底在丙酮中超声清洗15min以去除表面吸附有机物，在无水乙醇中超声 清洗15min以除去表面水分，冷风吹干。
(2)将基底装入腔体，TVP置于200，开启机械泵，将真空抽至9Pa以下后 开启高阀，开启加热器将腔体升温至450℃，以有效排出腔体内的空气；保持 转架转速为1.0rpm，同时开启水冷系统以保证靶材和偏压系统正常运转。
(3)当真空达到5×10-3Pa后，将偏压设置为300V，挡板置于Cr靶处并开启 Cr靶，靶流设置为60A烧蚀1min，以去除表面氧化物等杂质，随后对CrAlV 靶作同样处理；通入Ar气并保持流量100sccm，以维持腔室气压在0.5Pa，偏 压设置为200V，同时开启离子源，在6kW功率下开启20min，以清除基体表 面吸附气体和杂质；随后开启Cr靶，靶流为70A，Ar气流量降至50sccm，同 时开启偏压，并在1000V保持20min，利用Cr离子和Ar离子共同轰击基底表面以彻底清除基体表面杂质。
(4)关闭Ar气，腔体温度设置为350℃，继续抽真空，当腔体气压达到 9×10-3Pa时，打开偏压于80V，开启Cr靶于100A并沉积2min，以在高真空 状态沉积Cr过渡层；之后通入N2并保持流量在800sccm，TVP置于82，维 持腔体气压在1Pa。再次开启Cr靶，靶流为100A，偏压为80V，沉积40min， 以沉积CrN过渡层；最后，关闭Cr靶，偏压设为50V，开启CrAlV靶并设置弧流为70A，其他条件不变，沉积120min，以沉积CrAlVN涂层，得到具有减 摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具。所述具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的结 构图如图6所示。所述具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具包括刀具基体和沉 积于刀具基体上的CrAlVN涂层，在所述刀具基体与CrAlVN涂层之间依次沉 积着Cr过渡层、CrN过渡层。
(5)取出一部分制备好的涂层样品，将截面方向分别在600#～3000#砂纸下打 磨，并用0.5μm粒度金刚石抛光剂在转速1000rpm下抛光至镜面，以便查看截 面形态。
在扫描电镜下拍摄样品表面和截面形貌的SEM照片，如图2a所示。图中 白色亮点为熔滴吸附至涂层表面形成的大颗粒，时靶材表面束斑高温熔化靶材 所致；黑色斑点为孔洞，由大颗粒剥落或沉积过程中膜层材料的降温收缩导致。 整体来看表面大颗粒尺寸较小，分布较为均匀，基本符合未加磁过滤装置的多 弧离子镀设备所制备涂层的一般特征。EDS结果(下表1)显示出各元素原子 分数(at，％)。可见涂层中V元素与Al元素的比值相比靶材有所增大，说明涂 层成分相比靶材存在一定程度的偏析。从截面照片(图2b)中可见，涂层总厚 度为1.39μm。亚层为CrN过渡层，厚约0.62μm；顶层为CrAlVN层，厚约0.76μm。 纯Cr过渡层因沉积时间较短，厚度约16nm，在SEM下无法被明显观察到。 膜基之间及各层之间结合良好。
表1
Figure BDA0002849265990000111
利用MH-500D显微维氏硬度计测试硬质合金试样涂层的显微硬度，在每个 试样表面随机选取10个点，求取平均值作为最终硬度值，得出涂层显微硬度 为2201HV，涂层具备高硬度特性。
对涂层样品进行了掠入射XRD分析(GIXRD)，如图3a所示。可见(111)、 (200)、(220)三个面心立方结晶的主要衍射峰，并存在微弱的(311)衍射 峰。此外，发现了纯金属V的(110)衍射峰，说明涂层中V元素并未完全氮 化。总体来看，涂层峰型较好，结晶程度较高，晶体结构比较稳定。图3b、图 3c及图3d为涂层中Cr、Al、V元素的XPS精细谱，可见CrN、Cr2O3、Cr、 AlN、VN及V2O5物相。值得一提的是，因XPS探测深度很浅，表面的纯金属 接触空气后会氧化形成氧化物。因此XPS中的V2O5即可直接代表涂层内的纯 金属V，这与GIXRD中(110)纯V衍射峰相对应。
利用UMT-Tribo Lab多功能摩擦磨损试验机中的往复模组测试涂层样品的 结合强度，结果如图4a和图4b所示。通过摩擦力曲线产生转折和声信号明显 增多的时间点，辅助以相应位置的划痕形貌，确定在85N处涂层开始出现剥落， 说明此该工艺方法下制备的CrAlVN涂层可满足使用寿命的要求。
利用UMT-Tribo Lab多功能摩擦磨损试验机中的旋转模组，通过球-盘法测 试涂层的摩擦系数，对磨球采用6mm直径的Si3N4小球。摩擦系数测定后，将 磨损的样品超声清洗并置于SEM下观察磨痕形貌，最后将其置于3D表面轮 廓仪中测定磨损率。摩擦系数曲线如图5a所示。可见涂层在200s时进入稳定 摩擦阶段。由图5b可见，磨痕边缘磨屑数量少，磨痕内均匀分布着黑色斑点， 经eds分析，确认黑色斑点处为富Si粘着，且含有较多O元素。说明涂层的 磨损为粘着和氧化磨损。氧化后的粘着点可有效降低涂层摩擦系数，具备减摩 特性。经计算得出，涂层的平均摩擦系数为0.423，磨损率为6.57×10-7mm3/Nm， 表现出较好的减摩性和耐磨性。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本 发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等 均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具，包括刀具基体和沉积于刀具基体上的CrAlVN涂层，其特征在于，在所述刀具基体与CrAlVN涂层之间依次沉积着Cr过渡层、CrN过渡层。
2.根据权利要求1所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具，其特征在于，所述CrAlVN涂层的厚度为0.7μm-0.9μm；在所述Cr原子百分含量为16％-18％，Al原子百分含量为21％-24％，V原子百分含量为2.8％-3.2％，N原子百分含量为55％-59％；所述Cr过渡层的厚度为12nm-20nm；Cr过渡层中，Cr原子百分含量为98％-100％；所述CrN过渡层的厚度为0.52μm-0.72μm；CrN过渡层中，Cr原子百分含量为33％-36％，N原子百分含量为64％-67％。
3.根据权利要求1所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具，其特征在于，所述刀具基体的材质为YT5硬质合金、YT15硬质合金、YT30硬质合金中的一种以上；所述CrAlVN涂层、Cr过渡层及CrN过渡层的总厚度为1.3μm-1.5μm。
4.一种制备权利要求1-3任一项所述具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对靶材与刀具基体进行预处理；
(2)依次在预处理后的刀具基体上沉积Cr过渡层、CrN过渡层及CrAlVN涂层，得到所述具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具。
5.根据权利要求4所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，对靶材的预处理包括：
将靶材于喷砂机中喷砂清洗后用酒精擦洗；所述靶材包括Cr靶、CrAlV靶。
6.根据权利要求4所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，对刀具基体的预处理包括：
将刀具基体分别在600#-2000#的砂轮下打磨，然后进行抛光至镜面，接着将抛光后的刀具基体浸泡在丙酮中进行第一次超声清洗处理，取出，最后浸泡在无水乙醇中进行第二次超声清洗处理，吹干，得到预处理后的刀具基体；所述第一次超声清洗处理的时间为10min-20min，第二次超声清洗处理的时间为10min-20min。
7.根据权利要求4所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在预处理后的刀具基体上沉积Cr过渡层前，对预处理后的刀具基体进行表面清理处理，所述表面清理处理，包括：
将预处理后的刀具基体置于多弧离子镀的腔体内，抽真空处理，TVP置于200，同时将腔体温度升至440℃-460℃，当温度满足要求且腔体真空达到4×10-3Pa-6×10-3Pa后，将偏压设置为280V-320V，挡板置于Cr靶处并开启Cr靶，靶流设置为50A-70A烧蚀1min-2min，随后对CrAlV靶作同样处理；通入Ar气并保持流量90sccm-110sccm，以维持腔室气压在0.4Pa-0.6Pa，偏压设置为180V-220V，同时开启离子源，在4kW-6kW功率下开启15min-20min；随后开启Cr靶，靶流为60A-80A，Ar气流量降至45sccm-55sccm，同时开启偏压，并在800V-1000V偏压下保持15min-20min。
8.根据权利要求4所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述沉积Cr过渡层，包括：关闭Ar气，腔体抽真空，将腔体温度设置为340℃-360℃，当腔体气压达到7×10-3Pa-1×10-2Pa时，打开偏压于78V-82V，开启Cr靶于95A-105A并沉积1.5min-2.5min，以在高真空状态下沉积Cr过渡层。
9.根据权利要求4所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述沉积CrN过渡层，包括：关闭Cr靶，往多弧离子镀的腔体内通入N2并保持流量在750sccm-850sccm，TVP置于75-85，维持腔体气压在0.9Pa-1.1Pa；再次开启Cr靶，靶流为95A-105A，偏压为78V-82V，沉积39min-41min，以沉积CrN过渡层。
10.根据权利要求4所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述沉积CrAlVN涂层，包括：关闭Cr靶，偏压设置为48V-52V，开启CrAlV靶并设置弧流为65A-75A，通入N2并保持流量在750sccm-850sccm，TVP保持在75-85，温度保持在340℃-360℃，维持多弧离子镀的腔体的气压在0.9Pa-1.1Pa，沉积115min-125min，以沉积CrAlVN涂层。
CN202011521842.3A 2020-12-21 2020-12-21 一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法 Pending CN112708859A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011521842.3A CN112708859A (zh) 2020-12-21 2020-12-21 一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011521842.3A CN112708859A (zh) 2020-12-21 2020-12-21 一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112708859A true CN112708859A (zh) 2021-04-27

Family

ID=75544919

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011521842.3A Pending CN112708859A (zh) 2020-12-21 2020-12-21 一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112708859A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230014396A (ko) * 2021-07-21 2023-01-30 한국생산기술연구원 바나듐이 첨가된 고온 저마찰 특성 다성분계 박막 및 이의 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104385751A (zh) * 2014-08-29 2015-03-04 株洲钻石切削刀具股份有限公司 含CrAlVN层和CrAlSiN层的复合涂层刀具及其制备方法
CN108396292A (zh) * 2018-03-12 2018-08-14 中国科学院力学研究所 一种压铸模具用复合涂层及其制备方法
CN108950480A (zh) * 2018-08-22 2018-12-07 中国科学院力学研究所 一种高韧耐磨复合涂层及将其沉积在热作凸模具上的方法
JP2019000919A (ja) * 2017-06-12 2019-01-10 日本特殊陶業株式会社 表面被覆切削工具

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104385751A (zh) * 2014-08-29 2015-03-04 株洲钻石切削刀具股份有限公司 含CrAlVN层和CrAlSiN层的复合涂层刀具及其制备方法
JP2019000919A (ja) * 2017-06-12 2019-01-10 日本特殊陶業株式会社 表面被覆切削工具
CN110730698A (zh) * 2017-06-12 2020-01-24 日本特殊陶业株式会社 覆表面切削工具
CN108396292A (zh) * 2018-03-12 2018-08-14 中国科学院力学研究所 一种压铸模具用复合涂层及其制备方法
CN108950480A (zh) * 2018-08-22 2018-12-07 中国科学院力学研究所 一种高韧耐磨复合涂层及将其沉积在热作凸模具上的方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴润等: "《金属材料工程实践教学综合实验指导书》", 31 August 2008, 冶金工业出版社 *
蔡志海等: "《CrN基微纳米复合膜的制备与应用》", 30 April 2017, 知识产权出版社 *
赵时璐著: "《高性能刀具及涂层刀具材料的切削性能》", 30 May 2015, 冶金工业出版社 *
金浩等: "V含量对磁控溅射CrAlVN涂层微观结构及力学和摩擦学性能的影响", 《材料导报B：研究篇》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230014396A (ko) * 2021-07-21 2023-01-30 한국생산기술연구원 바나듐이 첨가된 고온 저마찰 특성 다성분계 박막 및 이의 제조방법
KR102559972B1 (ko) 2021-07-21 2023-07-27 한국생산기술연구원 바나듐이 첨가된 고온 저마찰 특성 다성분계 박막 및 이의 제조방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109161841B (zh) 一种AlCrN/AlCrSiN超硬纳米复合多层涂层及其制备方法和应用
JP5667176B2 (ja) 保護コーティング、保護コーティングを有するコーティング部材、並びに保護コーティングを製造するための方法
CN106244986B (zh) 功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品
WO2004076710A1 (ja) 非晶質炭素膜、その製造方法および非晶質炭素膜被覆部材
KR20150077450A (ko) 코팅을 가진 부품 및 이의 제조방법
CN109402564B (zh) 一种AlCrSiN和AlCrSiON双层纳米复合涂层及其制备方法
CN108517487B (zh) 一种高硬度和高耐磨的TiAlN/W2N多层涂层及其制备方法
JP5435326B2 (ja) ダイカスト用被覆金型およびその製造方法
CN113025953A (zh) 一种高熵合金氮化物复合涂层及其制备方法与应用
WO2022241952A1 (zh) 一种纳米多层结构过渡金属氮化物涂层及其制备方法和应用
KR20150077451A (ko) 코팅을 가진 부품 및 이의 제조방법
CN106119783B (zh) 功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品
CN110158035B (zh) 耐高温海洋环境腐蚀的金属-金属氮化物多层涂层及制备
JP4122387B2 (ja) 複合硬質皮膜、その製造方法及び成膜装置
CN112708859A (zh) 一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法
US20240093344A1 (en) Hard carbon coatings with improved adhesion strength by means of hipims and method thereof
CN113235051A (zh) 一种纳米双相高熵合金薄膜及其制备方法
CN110004415A (zh) 高韧性和高硬度的厚Ti／TiAlN多层涂层及其制备方法
CN111378928B (zh) 一种纳米晶MoS2固体润滑薄膜及其制备方法和应用
CN109554667B (zh) 一种TA15合金表面耐磨Nb-N共渗层及其制备方法与应用
JP2001107220A (ja) 硬質炭素膜を被覆した機械部品及びその製造方法
CN115466924B (zh) 一种齿轮轴承组表面抗滚动接触疲劳薄膜及其制备方法
CN114959558B (zh) 一种金属掺杂二硫化钼耐高温复合薄膜及其制备方法
CN114875360A (zh) 一种抗高温氧化的NiAl/AlSiON多层复合涂层及制备方法
KR101637945B1 (ko) 질화 코팅층의 형성방법 및 그 방법에 의하여 형성된 질화코팅층

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210427