CN113652661B - 一种具备连续梯度过渡层的硬质涂层 - Google Patents

一种具备连续梯度过渡层的硬质涂层 Download PDF

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Abstract

本发明涉及刀具涂层技术领域，具体涉及一种具备连续梯度过渡层的硬质涂层。包括连续梯度过渡层和硬质层，其中连续梯度过渡层的成分为Ni0.1Co0.1AlxCry，随距离基体的长度增加，x值从0.15至0.7连续变化，y值从0.6至0.15连续变化，x+y＝0.8，所述硬质层为AlCrN。本发明针对AlCrN硬质层与基体结合力弱的现象，在AlCrN硬质层与基体之间构建成分为Ni0.1Co0.1AlxCry的过渡层，增加基体与AlCrN硬质层的结合强度，提高工具寿命。

Description

一种具备连续梯度过渡层的硬质涂层
技术领域
本发明涉及刀具涂层技术领域，具体涉及一种具备连续梯度过渡层的硬质涂层。
背景技术
随着新型材料如高强度钢，高温合金，新型轻合金等的出现，加工过程中产生的高速冲击，剧烈磨损，氧化腐蚀，积屑瘤等失效形式不断对机加工刀具造成新的挑战。涂层被认为是可以大幅提升刀具切削能力的方法，并且涂层刀具的重要性已被业界广泛认可。因为三元AlCrN涂层展现出的高硬度和化学稳定性，所以被认为是针对高温合金、不锈钢加工的有利因素。涂层与基体间的界面结合力是涂层最为重要的性能之一,对涂层材料来说,其薄膜与基体之间的结合强度(或称粘结强度、界面结合力等)决定着涂层的成效。良好的膜基结合是保证涂层材料各种使用性能,如力学性能、物理性能等实现的前提条件。
但是，直接在高速钢、硬质合金，金属陶瓷表面涂敷AlCrN涂层，由于基体-涂层应力失配等因素，容易产生失效脱落，隔热性、耐磨性不足，寿命短，切削速度慢的情况。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种具备连续梯度过渡层的硬质涂层。针对AlCrN硬质层与基体结合力弱的现象，在AlCrN硬质层与基体之间构建成分为Ni0.1Co0.1AlxCry的过渡层，增加基体与AlCrN硬质层的结合强度，提高工具寿命。
本发明的技术方案之一，一种具备连续梯度过渡层的硬质涂层，包括连续梯度过渡层和硬质层，其中连续梯度过渡层的成分为Ni0.1Co0.1AlxCry，随距离基体的长度增加，x值从0.15至0.7连续变化，y值从0.6至0.15连续变化，x+y＝0.8，所述硬质层为AlCrN。
镍和钴是高速钢、硬质合金和金属陶瓷的粘结相，过渡层中参杂镍和钴有利于沉积起始时过渡层在基体材料表面形成键合，提高沉积效率。
进一步地，所述连续梯度过渡层厚度为0.3-1μm，硬质层厚度为1-3μm。
进一步地，所述具备连续梯度过渡层的硬质涂层的基体为高速钢、钨钴硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷中的任意一种。
本发明的技术方案之二，上述具备连续梯度过渡层的硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：
连续梯度过渡层制备：氩气氛围下，以Ni0.1Co0.1Al0.8和Ni0.1Co0.1Cr0.8为磁控溅射靶材，向Ni0.1Co0.1Al0.8靶材通入恒定电流、偏压逐渐增加，向Ni0.1Co0.1Cr0.8靶材通入恒定电流，偏压逐渐衰减，通过磁控溅射在基体表面物理气相沉积制备连续梯度过渡层；
硬质层制备：氮气气氛下，以Al0.7Cr0.3为靶材，通入恒定电流和恒定偏压，通过磁控溅射在基体表面物理气相沉积制备硬质层。
进一步地，所述连续梯度过渡层制备过程中，Ni0.1Co0.1Al0.8靶材通入80A恒定电流，以0.5-1V/min的增速增加偏压至-80V维持恒定；Ni0.1Co0.1Cr0.8靶材通入80A恒定电流，初始偏压-80V，以0.5-1V/min的衰减率降低偏压至偏压为0V；制备过程中，维持氩气流量为45sccm；磁控溅射时间0.5-2h。
进一步地，所述硬质层制备过程中，Al0.7Cr0.3靶材通入130A电流，维持-80V偏压，磁控溅射时间2-6h；制备过程中，维持氮气流量为500sccm。
进一步地，所述连续梯度过渡层制备前，基材经离子刻蚀处理。
进一步地，所述离子刻蚀步骤具体包括：基材置于真空室中，抽真空至5×10- 4mbar，升温至450℃，向真空室内通入氩气，氩气流量为45sccm，维持偏压-180V，对基体表面进行离子轰击0.5-1h。
进一步地，在进行连续梯度过渡层制备和硬质层制备过程中，基材保持公转和自转，公转转速5-10rpm，自转转速10-30rpm。这样有利于涂层的均匀。
本发明的技术方案之三，上述具备连续梯度过渡层的硬质涂层在刀具涂层中的应用。
本发明的技术方案之四，一种切削刀具，表面涂层为权利要求1-3任一项所述具备连续梯度过渡层的硬质涂层。
本发明的原理为：
(1)通过调节基体-过渡层，过渡层-硬质层之间的化学相容性和释放应力集中，提高基体和硬质层之间的结合力。
(2)Ni0.1Co0.1AlxCry过渡层可以对硬质层起到支撑和连接作用，在过渡层上沉积AlCrN硬质层时，发生晶化反应和析出弥散的中间相或第二相，增大了界面结合力，同时，过渡层Al，Cr元素的连续梯度变化，缓和了由于基体和硬质层之间由于晶格错配、膨胀系数不同导致的缺陷产生和应力集中。
(3)分别向特定Al，Cr含量的Ni0.1Co0.1Al0.8和Ni0.1Co0.1Cr0.8靶材施加增强和衰减的偏压，可以调控过渡层中Al，Cr元素比例，达到制备连续梯度变化过渡层的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明涂层可以增加基体与AlCrN硬质层的结合强度，提高工具寿命，并且可以在物理气相沉积设备中一次性完成，不需要增添额外步骤，在不额外增加设备投入和原料成本的前提下，通过制备连续梯度过渡层，调控基体-过渡层-硬质层间的结构，提高硬质层和基体间的结合力，从而优化了刀具的切削效果和使用寿命，并且主要原料均为常见元素，靶材的获取相对容易，具有成本低的优势。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的涂层的元素分布图；
图2为本发明效果验证例1中实施例1涂层经过133min(切削速度：350m/min，进给：0.25mm/rev，切深：1.0mm)切削验证后涂层刀具磨损情况图；
图3为本发明效果验证例1中实施例1涂层经过127min(切削速度：350m/min，进给：0.25mm/rev，切深：1.0mm)切削验证后涂层刀具磨损情况图；
图4为本发明效果验证例1中实施例2涂层经过43min(切削速度：350m/min，进给：0.25mm/rev，切深：1.0mm)切削验证后涂层刀具磨损情况图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
以金属陶瓷刀具为工具基材进行涂层制备，工具表面进行必要的清洗和烘干后具体过程如下：
(1)离子刻蚀：安装Ni0.1Co0.1Al0.8，Ni0.1Co0.1Cr0.8和Al0.7Cr0.3靶材。将工具基材放置在真空室中，抽真空至5×10-4mbar，升温至450℃，向真空室内通入氩气，氩气流量为45sccm，维持偏压-180V，吸引Ar+对基体表面进行离子轰击，将刀具表面进行刻蚀1h。
(2)连续梯度过渡层制备：维持氩气流量为45sccm，向Ni0.1Co0.1Al0.8靶材通入的电流为80A，以0.8V/min的增速增加偏压，至-80V维持恒定；同时，向Ni0.1Co0.1Cr0.8靶材通入的电流为80A，初始偏压为-80V，以0.8V/min的衰减率降低偏压，至偏压为0V，形成连续梯度过渡层；磁控溅射时间1h，制得厚度为1μm的连续梯度过渡层。
(3)硬质层制备：关闭步骤(2)电流后，向真空室持续通入500sccm氮气，随即向Al0.7Cr0.3靶材持续通入130A电流，维持-80V偏压，磁控溅射时间4h，形成厚度为2μm的AlCrN硬质层。
使用X射线能谱仪对制得的涂层进行元素分析，结果见图1；由图1可以得出，随着涂层距离基体长度的增加，铝摩尔含量由0.15逐渐增加至0.7，铬摩尔含量由0.6逐渐下降至0.15，钴、镍含量保持不变。
实施例2
同实施例1，区别在于，分别针对权利要求内和权利要求外的参数设计实验，编号为1～4，详见表1：
表1
Figure BDA0003219222890000051
效果验证例1
对涂覆有实施例1-2涂层的刀具进行切削测试，具体过程如下：
刀具型号：CNMG120408
被切削材料：S45C钢
被切削材料形状：150mm×Φ80mm
切削速度：350m/min
进给：0.25mm/rev
切深：1.0mm
冷却剂：无
实验结果见表1；
表2
Figure BDA0003219222890000052
Figure BDA0003219222890000061
实施例1涂层(编号1)经过133min(切削速度：350m/min，进给：0.25mm/rev，切深：1.0mm)切削验证后涂层刀具磨损情况见图2，实施例1涂层(编号2)经过127min(切削速度：350m/min，进给：0.25mm/rev，切深：1.0mm)切削验证后涂层刀具磨损情况见图3，实施例2涂层(编号5)经过43min(切削速度：350m/min，进给：0.25mm/rev，切深：1.0mm)切削验证后涂层刀具磨损情况见图4。由图2-4结果可以得出，本发明涂层较实施例2涂层具有更好的耐磨性、切削效果和使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具备连续梯度过渡层的硬质涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
连续梯度过渡层制备：氩气氛围下，以Ni0.1Co0.1Al0.8和Ni0.1Co0.1Cr0.8为磁控溅射靶材，向Ni0.1Co0.1Al0.8靶材通入恒定电流、偏压逐渐增加，向Ni0.1Co0.1Cr0.8靶材通入恒定电流，偏压逐渐衰减，通过磁控溅射在基体表面物理气相沉积制备连续梯度过渡层；
硬质层制备：氮气气氛下，以Al0.7Cr0.3为靶材，通入恒定电流和恒定偏压，通过磁控溅射在基体表面物理气相沉积制备硬质层；
所述连续梯度过渡层制备过程中，Ni0.1Co0.1Al0.8靶材通入80A恒定电流，以0.5-1V/min的增速增加偏压至-80V维持恒定；Ni0.1Co0.1Cr0.8靶材通入80A恒定电流，初始偏压-80V，以0.5-1V/min的衰减率降低偏压至偏压为0V；制备过程中，维持氩气流量为45sccm；磁控溅射时间0.5-2h。
2.根据权利要求1所述的具备连续梯度过渡层的硬质涂层的制备方法，其特征在于，所述硬质层制备过程中，Al0.7Cr0.3靶材通入130A电流，维持-80V偏压，磁控溅射时间2-6h；制备过程中，维持氮气流量为500sccm。
3.根据权利要求1-2任一项所述的具备连续梯度过渡层的硬质涂层的制备方法，其特征在于，所述连续梯度过渡层制备前，基材经离子刻蚀处理。
4.根据权利要求3所述的具备连续梯度过渡层的硬质涂层的制备方法，其特征在于，所述离子刻蚀步骤具体包括：基材置于真空室中，抽真空至5×10-4mbar，升温至450℃，向真空室内通入氩气，氩气流量为45sccm，维持偏压-180V，对基体表面进行离子轰击0.5-1h。
5.一种具备连续梯度过渡层的硬质涂层，其特征在于，使用权利要求1-4任一项所述制备方法制备得到，包括连续梯度过渡层和硬质层，其中连续梯度过渡层的成分为Ni0.1Co0.1AlxCry，随距离基体的长度增加，x值从0.15至0.7连续变化，y值从0.6至0.15连续变化，x+y=0.8；所述硬质层为AlCrN。
6.根据权利要求5所述的具备连续梯度过渡层的硬质涂层，其特征在于，所述连续梯度过渡层厚度为0.3-1μm，硬质层厚度为1-3μm。
7.根据权利要求6所述的具备连续梯度过渡层的硬质涂层，其特征在于，所述具备连续梯度过渡层的硬质涂层的基体为高速钢、钨钴硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷中的任意一种。
8.一种根据权利要求5-7任一项所述具备连续梯度过渡层的硬质涂层在刀具涂层中的应用。
9.一种切削刀具，其特征在于，表面涂层为权利要求5-7任一项所述具备连续梯度过渡层的硬质涂层。
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