CN115058687B - 一种刀具涂层及其制备方法 - Google Patents

一种刀具涂层及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115058687B
CN115058687B CN202210665173.XA CN202210665173A CN115058687B CN 115058687 B CN115058687 B CN 115058687B CN 202210665173 A CN202210665173 A CN 202210665173A CN 115058687 B CN115058687 B CN 115058687B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
coating
depositing
stress buffer
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.)
Active
Application number
CN202210665173.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN115058687A (zh
Inventor
陈辉
王丽君
刘艳
王梦超
胡登文
张振林
吴影
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.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
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 Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Priority to CN202210665173.XA priority Critical patent/CN115058687B/zh
Publication of CN115058687A publication Critical patent/CN115058687A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115058687B publication Critical patent/CN115058687B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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
    • C23C14/02—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
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/067—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds comprising a particular metallic binder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
    • 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
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • C23C14/0073—Reactive sputtering by exposing the substrates to reactive gases intermittently
    • 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
    • C23C14/0605—Carbon
    • 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
    • C23C14/0635—Carbides
    • 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
    • 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
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
    • 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
    • C23C14/34—Sputtering
    • 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
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3464—Sputtering using more than one target

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Drilling Tools (AREA)

Abstract

本发明公开了一种刀具涂层及其制备方法，属于刀具涂层材料技术领域。本发明的刀具涂层包括结合层、应力缓冲层、过渡层和功能层；结合层由纯Cr层组成；应力缓冲层由Cr层和CrN层交替叠加而成，其厚度为500nm～1000nm，调制周期10nm～200nm，调制比0.8～1.5；过渡层由Cr和C元素梯度变化形成；功能层由Cr掺杂DLC形成。本发明的涂层具有硬度高、内应力小、附着力强和摩擦系数低等特性，可以大幅度提高切削刀具使用寿命，以及工件尺寸精度和表面光洁度；涂层的制备方法具有离化率高、涂层设备结构简单和可批量化处理等特点，易于实现工业生产，具有良好的应用前景。

Description

一种刀具涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及刀具涂层材料技术领域，具体而言，涉及一种刀具涂层及其制备方法。
背景技术
随着现代机械加工技术不断地进步，传统的刀具已难以满足高标准的加工要求。传统的刀具在进行高速加工、进给量大、切除材料深度大时，易造成刀具磨损快、寿命低、加工精度差以及刀具和零件热变形严重等。涂层刀具的问世，它将高强度的基体与耐磨的硬质薄膜材料相结合，对刀具切削性能的改善和加工技术的进步起到了非常重要的作用。硬质薄膜不仅保留了基体材料优异的机械性能，同时还极大地提高了其耐磨损、耐腐蚀及切削性能，提高了加工精度和加工效率，延长了刀具使用寿命，并且保证了加工工件的表面质量，具有高效、经济、低成本的优势。
刀具涂层技术是指在切削刀具表面，利用真空气相沉积方法制备微米尺度范围的超硬涂层，与刀具基体一起形成复合结构。相比刀具基体材料，该表面涂层具有高硬度，耐磨损及抗腐蚀的优异性能，可以显著提高刀具的服役寿命和加工效率，且生产成本远比同样性能的基体材料价格低廉。因此，刀具涂层已在机械、电子、机加工等行业得到广泛应用。TiAlN、CrN、TiAlCrN等氮化物基涂层是早期广泛应用的耐磨损刀具涂层，这些涂层虽具有良好的耐磨性，但摩擦系数相对较高为0.4～0.8。与传统的氮化物硬质涂层相比，类金刚石薄膜(diamond-like carbon，简称DLC)，作为一种固体润滑剂在众多的工况条件下提高工件服役寿命。按照薄膜在沉积成膜过程中碳原子的杂化方式可分为sp2和sp3两种，将sp3含量在70％～90％的无氢类金刚石定义为四面体非晶碳ta-C。ta-C涂层有更低的磨损率，同时ta-C薄膜不粘刀，可适用于大多数金属的加工。
对于刀具涂层来说，在寻求耐磨性的同时，提高涂层与刀具基体材料的结合强度至关重要。如果涂层不能有效地起到粘结的作用，可造成界面处的应力集中，在切削过程中易剥落失效。因此，研究一种新的多层复合超硬刀具涂层材料，进一步提升刀具涂层的硬度、韧性、表面光洁度以及膜基结合强度具有重要意义。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刀具涂层及其制备方法，以提高刀具涂层的硬度、韧性、膜基结合强度以及被加工材料表面质量和尺寸精度。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供了一种刀具涂层，其包括依次沉积的结合层、应力缓冲层、过渡层和功能层；
上述结合层由纯Cr层组成；
上述应力缓冲层由Cr层和CrN层交替叠加而成，其厚度为500nm～1000nm，调制周期10nm～200nm，Cr层与CrN层的调制比0.8～1.5；
上述过渡层由Cr和C元素梯度变化形成；
上述功能层由Cr掺杂DLC形成。
在一些实施方式中，上述结合层的厚度为10nm～100nm。
在一些实施方式中，上述过渡层的厚度为10nm～100nm。
在一些实施方式中，上述功能层的厚度为500nm～1000nm。
在一些实施方式中，上述功能层中Cr的含量为2.5at％～10.0at％。
第二方面，本发明提供了一种刀具涂层的制备方法，其包括在刀具基体表面沉积涂层，冷却后即完成涂层制备；
上述沉积涂层步骤包括利用物理气相沉积法依次沉积结合层、应力缓冲层、过渡层和功能层。
在一些实施方式中，上述沉积结合层步骤包括只开启Cr靶，沉积时间为10～20Ah，基体偏压为80～120V，电流为80～130A，温度为180～250℃；纯Cr结合层的沉积厚度为10nm～100nm。
在一些实施方式中，上述沉积应力缓冲层步骤包括交替沉积Cr层和CrN层；沉积应力缓冲层的第一层为Cr层，第二层为CrN层，交替沉积至最外层为CrN层；应力缓冲层的沉积厚度为500nm～1000nm，调制周期为10nm～200nm，Cr层与CrN层的调制比0.8～1.5；
上述沉积Cr层包括只开启Cr靶，沉积时间为1～20Ah，靶材电流为100～130A，基体偏压为80～120V，温度为150～250℃；
上述沉积CrN层包括只开启Cr靶，冲入N2，沉积时间为1～20Ah，靶材电流为100～130A，基体偏压为80～120V，温度为150～250℃。
在一些实施方式中，上述沉积过渡层步骤包括开启Cr和C靶，沉积时间为10～20Ah，Cr靶材电流从130A降低至90A，C靶材电流从40A升高至80A，基体偏压为50～60V，温度为80～100℃；过渡层的沉积厚度为10nm～100nm；
上述沉积过渡层步骤中Cr靶材电流依次从130A降低至120A、110A、100A、90A，C靶材电流从40A升高至50A、60A、70A、80A。
在一些实施方式中，上述沉积功能层步骤包括开启Cr和C靶，沉积时间为280～330Ah，Cr靶材电流35～45A，C靶材电流60～80A，基体偏压为50～60V，温度为60～100℃；功能层的沉积厚度为500nm～1000nm，功能层中Cr的含量为2.5at％～10.0at％。
在一些实施方式中，上述Cr靶的纯度为100％Cr，C靶的纯度为100％C。
在一些实施方式中，按重量份数计，刀具基体由90～92份的WC、8～10份Co组成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的刀具涂层中应力缓冲层由于不同调制周期、调制比使其具有不同的界面结构，能够精准调控界面结构，多界面结构能够使涂层兼具强度和韧性。
2、功能层是在DLC中添加了Cr元素形成的，该层可以使DLC在载荷作用下萌生多重剪切带，避免脆断，增加了涂层的韧性。
3、功能层Cr-DLC在切削过程中具有极低的摩擦系数，能够使被加工材料表面光洁度提高，同时提升尺寸精度，多层结构和掺杂元素的耦合作用能够提高刀具寿命。
4、由于Cr结合层和Cr/CrN应力缓冲层的存在，涂层的膜基结合强度较高，在切削加工过程中不易发生涂层剥落。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的刀具涂层结构示意图，其中1-结合层；2-应力缓冲层；3-过渡层；4-功能层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
现有技术中的刀具涂层仍具有硬度、韧性、膜基结合强度以及切削温度高、切削力大等方面的不足，发明人在现有技术的基础上对刀具涂层进行优化，经过一系列创造劳动，发现通过对应力缓冲层的调制周期、调制比进行优化，对功能层成分进行优化，以及增加结合层和过渡层可以使上述问题得到改善。
基于此，本发明提供了一种刀具涂层，该涂层包括在基体上依次涂覆的结合层、应力缓冲层、过渡层和功能层，其结构图如图1所示。
其中，结合层由纯Cr层组成，其厚度为10nm～100nm。
结合层的存在，可以使涂层与基体之间的膜基结合强度得到提升，在切削加工过程中不易发生涂层剥落。
应力缓冲层由Cr层和CrN层交替叠加而成，其厚度为500nm～1000nm，调制周期为10nm～200nm，Cr层与CrN层的调制比为0.8～1.5。
调制周期是指多层交替沉积的两种涂层A和B，A+B的涂层厚度为调制周期。在本发明中，应力缓冲层的调制周期是指Cr层+CrN层的厚度。
调制比是指多层交替沉积的两种涂层A和B，A与B的涂层厚度比为调制比。在本发明中，应力缓冲层的调制比为Cr层与CrN层厚度的比值。
本发明以Cr层和CrN层交替叠加作为应力缓冲层，配以不同调制周期、调制比，形成了多层结构应力缓冲层，不同的调制周期和调制比具有不同的界面结构，多界面结构使涂层兼具强度和韧性。
过渡层由Cr和C元素梯度变化形成，其厚度为10nm～100nm。
过渡层的存在，可以使应力缓冲层与功能层之间的结合强度得到提升，在切削加工过程中不易发生涂层剥落。
功能层由Cr掺杂DLC形成，其厚度为500nm～1000nm，Cr的含量为2.5at％～10.0at％。
在顶层的功能层中掺杂Cr，Cr-DLC不仅可以使DLC在载荷作用下萌生多重剪切带，避免脆断，增加了涂层的韧性；还可以在切削过程中具有极低的摩擦系数，能够使被加工材料表面光洁度提高，同时提升尺寸精度，多层结构和掺杂元素的耦合作用能够提高刀具寿命。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述刀具涂层的制备方法，其包括如下步骤：
(1)预处理：对刀具基体表面进行喷砂清洗，去除表面油污、氧化层及其他附着物，再对刀具进行酸洗。
此处预处理主要是为了提高涂层与基体之间的结合强度。
(2)溅射清洗：利用靶材溅射出的离子对基体表面进行溅射清洗。处理室内压力10-3～7×10-3Pa，冲入的气体为Ar(99.99％)，基体偏压为50～150V，温度为200～250℃，清洗时间为10～20min。
(3)沉积纯Cr结合层：利用物理气相沉积法沉积纯Cr层，只开启Cr靶，沉积时间为10～20Ah，基体偏压为80～120V，电流为80～130A，温度为180～250℃。
(4)沉积应力缓冲层的第一层Cr层：利用物理气相沉积法沉积Cr层，只开启Cr靶，沉积时间为1～20Ah，靶材电流为100～130A，基体偏压为80～120V，温度为150～250℃。
(5)沉积应力缓冲层的第二层CrN层：利用物理气相沉积法沉积CrN层，只开启Cr靶，冲入N2，沉积时间为1～20Ah，靶材电流为100～130A，基体偏压为80～120V，温度为150～250℃。
(6)重复(4)、(5)步骤，最外层为CrN涂层。
(7)沉积过渡层Cr/C层：利用物理气相沉积法沉积Cr/C层，开启Cr和C靶，沉积时间为10～20Ah，Cr靶材电流从130A降低至120A、110A、100A、90A，C靶材电流从40A升高至50A、60A、70A、80A，基体偏压为50～60V，温度为80～100℃。
(8)沉积功能层Cr-DLC层：利用物理气相沉积法沉积Cr/C层，开启Cr和C靶，沉积时间为280～330Ah，Cr靶材电流35～45A，C靶材电流60～80A，基体偏压为50～60V，温度为60～100℃。
(9)冷却：冷却一个小时，镀膜完成，关闭真空设备。
上述制备方法具有离化率高、涂层设备结构简单、可批量化处理等特点，易于实现工业生产，具有良好的应用前景。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种用于精加工的低摩擦高耐磨的刀具涂层，其厚度为2.15μm。涂层由依次沉积在刀具基体材料上的结合层、应力缓冲层、过渡层和功能层构成。
结合层由纯Cr层组成，其厚度为100nm。
应力缓冲层由Cr层、CrN层依次交替沉积构成，厚度为1μm；其调制周期为200nm，Cr层厚约100nm，CrN层厚约100nm。
过渡层Cr的含量由100at.％依次下降到80at.％，50at％，30at.％，0at.％，C的含量由0at.％依次增加至20at.％，50at％，70at.％，100at.％，厚度为50nm。
功能层，DLC中Cr掺杂量为3.0at.％，厚度为1μm。
刀具基体组成为92份WC粉末，8份Co。
本实施例还提供了一种刀具涂层的制备方法，其包括上述涂层。制备采用设备瑞士Oerlikon Balzers Domino.mini，制备方法包括以下步骤：
(1)预处理：对刀具基体表面进行喷砂清洗，去除表面油污、氧化层及其他附着物，再对刀具进行酸洗。
(2)溅射清洗：利用靶材溅射出的离子对基体表面进行溅射清洗。处理室内压力10-3Pa，冲入的气体为Ar(99.99％)，基体偏压为150V，温度为200℃，清洗时间为10min。
(3)沉积纯Cr结合层：利用物理气相沉积法沉积纯Cr层，只开启Cr靶，沉积时间为20Ah，基体偏压为120V，电流为80A，温度为220℃。
(4)沉积交替层的第一层Cr层：利用物理气相沉积法沉积Cr层，只开启Cr靶，沉积时间为15Ah，靶材电流为100A，基体偏压为120V，温度为220℃。
(5)沉积交替层的第二层CrN层：利用物理气相沉积法沉积CrN层，只开启Cr靶，冲入N2，沉积时间为15Ah，靶材电流为160A，基体偏压为100V，温度为250℃。
(6)重复(4)、(5)步骤，最外层为CrN涂层。
(7)沉积Cr/C过渡层：利用物理气相沉积法沉积Cr/C层，开启Cr和C靶，沉积时间为15Ah，Cr靶材电流从130A降低至120A、110A、100A、90A，C靶材电流从40A升高至50A、60A、70A、80A，基体偏压为50～60V，温度为80℃。
(8)沉积Cr-DLC顶层：利用物理气相沉积法沉积Cr/C层，开启Cr和C靶，沉积时间为300Ah，Cr靶材电流40A，C靶材电流60A，基体偏压为50～60V，温度为80℃。
(9)冷却：冷却一个小时，镀膜完成，关闭真空设备。
实施例2
本实施例提供了一种用于精加工的低摩擦高耐磨的刀具涂层，其厚度为1.2μm。涂层由依次沉积在刀具基体材料上的结合层、应力缓冲层、过渡层和功能层构成。
结合层由纯Cr层组成，其厚度为100nm。
应力缓冲层由Cr层、CrN层依次交替沉积构成，厚度为0.5μm。其调制周期为20nm，Cr层厚约10nm，CrN层厚约10nm。
过渡层Cr的含量由100at.％依次下降到80at.％，50at％，30at.％，0at.％，C的含量由0at.％依次增加至20at.％，50at％，70at.％，100at.％，厚度为100nm。
功能层，DLC中Cr掺杂量为3.5at.％，厚度为0.5μm。
刀具基体组成为92份WC粉末，8份Co。
本实施例还提供了一种刀具涂层的制备方法，其包括上述涂层。制备采用设备瑞士Oerlikon Balzers Domino.mini，制备方法包括以下步骤：
(1)预处理：对刀具基体表面进行喷砂清洗，去除表面油污、氧化层及其他附着物，再对刀具进行酸洗。
(2)溅射清洗：利用靶材溅射出的离子对基体表面进行溅射清洗。处理室内压力10-3Pa，冲入的气体为Ar(99.99％)，基体偏压为120V，温度为200℃，清洗时间为10min。
(3)沉积纯Cr结合层：利用物理气相沉积法沉积纯Cr层，只开启Cr靶，沉积时间为20Ah，基体偏压为120V，电流为80A，温度为220℃。
(4)沉积交替层的第一层Cr层：利用物理气相沉积法沉积Cr层，只开启Cr靶，沉积时间为2Ah，靶材电流为100A，基体偏压为120V，温度为220℃。
(5)沉积交替层的第二层CrN层：利用物理气相沉积法沉积CrN层，只开启Cr靶，冲入N2，沉积时间为1Ah，靶材电流为100A，基体偏压为100V，温度为250℃。
(6)重复(5)、(6)步骤，最外层为CrN涂层。
(7)沉积Cr/C过渡层：利用物理气相沉积法沉积Cr/C层，开启Cr和C靶，沉积时间为15Ah，Cr靶材电流从130A降低至120A、110A、100A、90A，C靶材电流从40A升高至50A、60A、70A、80A，基体偏压为50～60V，温度为80℃。
(8)沉积Cr-DLC顶层：利用物理气相沉积法沉积Cr/C层，开启Cr和C靶，沉积时间为150Ah，Cr靶材电流40A，C靶材电流60A，基体偏压为50～60V，温度为80℃。
(9)冷却：冷却一个小时，镀膜完成，关闭真空设备。
实施例3
本实施例提供了一种用于精加工的低摩擦高耐磨的刀具涂层，其厚度为1.5μm。涂层由依次沉积在刀具基体材料上的结合层、应力缓冲层、过渡层和功能层构成。
结合层由纯Cr层组成，其厚度为100nm。
应力缓冲层由Cr层、CrN层依次交替沉积构成，厚度为0.8μm。其层调制周期为100nm，Cr层厚约50nm，CrN层厚约50nm。
过渡层Cr的含量由100at.％依次下降到80at.％，50at％，30at.％，0at.％，C的含量由0at.％依次增加至20at.％，50at％，70at.％，100at.％，厚度为100nm。
功能层，DLC中Cr掺杂量为3.0at.％，厚度为0.5μm。
刀具基体组成为92份WC粉末，8份Co。
本实施例还提供了一种刀具涂层的制备方法，其包括上述涂层。制备采用设备瑞士Oerlikon Balzers Domino.mini，制备方法包括以下步骤：
(1)预处理：对刀具基体表面进行喷砂清洗，去除表面油污、氧化层及其他附着物，再对刀具进行酸洗。
(2)溅射清洗：利用靶材溅射出的离子对基体表面进行溅射清洗。处理室内压力10-3Pa，冲入的气体为Ar(99.99％)，基体偏压为120V，温度为200℃，清洗时间为10min。
(3)沉积纯Cr结合层：利用物理气相沉积法沉积纯Cr层，只开启Cr靶，沉积时间为20Ah，基体偏压为120V，电流为80A，温度为220℃。
(4)沉积交替层的第一层Cr层：利用物理气相沉积法沉积Cr层，只开启Cr靶，沉积时间为8Ah，靶材电流为100A，基体偏压为120V，温度为220℃。
(5)沉积交替层的第二层CrN层：利用物理气相沉积法沉积CrN层，只开启Cr靶，冲入N2，沉积时间为5Ah，靶材电流为100A，基体偏压为100V，温度为250℃。
(6)重复(4)、(5)步骤，最外层为CrN涂层。
(7)沉积Cr/C过渡层：利用物理气相沉积法沉积Cr/C层，开启Cr和C靶，沉积时间为15Ah，Cr靶材电流从130A降低至120A、110A、100A、90A，C靶材电流从40A升高至50A、60A、70A、80A，基体偏压为50～60V，温度为80℃；
(8)沉积Cr-DLC功能层：利用物理气相沉积法沉积Cr/C层，开启Cr和C靶，沉积时间为150Ah，Cr靶材电流40A，C靶材电流60A，基体偏压为50～60V，温度为80℃；
(9)冷却：冷却一个小时，镀膜完成，关闭真空设备。
对比例1
本对比例的刀具涂层厚度为1.5μm。涂层由依次沉积在刀具基体材料上的结合层、应力缓冲层、过渡层和功能层构成。
与实施例3的区别在于，本对比例中应力缓冲层调制周期为400nm，Cr层厚约100nm，CrN层厚约300nm。本对比例涂层的制备方法同实施例3。
对比例2
本对比例提供了一种刀具涂层，其厚度为1.5μm。涂层由依次沉积在刀具基体材料上的结合层、应力缓冲层、过渡层和功能层构成。
与实施例3的区别在于，本对比例中功能层为纯DLC表层，厚度为0.5μm。本对比例涂层的制备方法同实施例3。
对比例3
本对比例提供了一种刀具涂层，其厚度为1.4μm。该涂层与实施例3的区别在于，本对比例中不包括结合层。
本对比例涂层的制备方法同实施例3。
实验例
将实施例1-3制备的涂层刀具用于铣削SAE 323铝合金，加工宽度32mm，深度5mm的槽型。铣削参数为：铣削速度v＝300m/min，每齿进给量f＝0.15mm/z，铣削深度ap＝2mm，铣削宽度ae＝0.1mm。切削过程为干式切削。然后进行如下测试：
硬度测试：采用纳米压痕进行测试，测试载荷为20mN，载荷保持时间为5s，保证压头深度不超过涂层厚度的1/10～1/7，减少由于压头压入过深而受到基体硬度的影响所造成的误差。测试20个结果，取平均值。
膜基结合强度测试：采用划痕法对膜基结合强度进行测试，使用设备为瑞士CSM生产的MST型纳米划痕仪。金刚石划痕针头曲率半径100μm，在声发射模式下，采用多点测量求平均值的方法对涂层的结合力进行测试。取10个测试结果，计算平均值。
内应力测试：利用型号为Renishaw InVia的拉曼光谱仪检测涂层样品的内应力。使用的激光波长为514.5nm，Ar+激光器功率为50MW。计算公式：
Figure BDA0003691371580000121
σr为残余应力(GPa),△ω为DLC涂层和石墨的G峰位差(cm-1)，ωG为纯石墨的G峰位(cm-1)。涂层的力学性能检测结果如表1所示：
表1涂层的力学性能检测结果
Figure BDA0003691371580000122
Figure BDA0003691371580000131
通过表1的数据可以证明：本发明的用于精加工的低摩擦高耐磨的刀具涂层，Cr结合层明显增加了涂层的结合力，Cr/CrN交替层调制周期和调制比的精细调控增加涂层强韧性，在铣削加工过程中很好的避免了涂层的剥落磨损。涂层中存在的超晶格结构令涂层的硬度有了明显提高。掺杂Cr的DLC表层由于Cr的加入大幅度降低涂层的内应力。
将实施例2制备的涂层刀具与无涂层刀具分别加工9m槽型时，测量工件尺寸精度、表面粗糙度，测量结果如表2所示。
表2涂层刀具与无涂层刀具加工槽型对比
Figure BDA0003691371580000132
经测量，切削工件表面精度较普通刀片提高了70％，表面粗糙度降低了38％，加工效率提高了46％，刀片寿命是普通刀片的5倍。
综上所述，本发明通过对应力缓冲层的调制周期、调制比进行优化，对功能层成分进行优化，以及增加结合层和过渡层，获得了具有较高硬度、韧性、膜基结合强度的刀具涂层，进而使得涂层刀具表面精度、表面光滑度、加工效率和刀片寿命均得到提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种刀具涂层，其特征在于，所述涂层包括依次沉积的结合层、应力缓冲层、过渡层和功能层；
所述结合层由纯Cr层组成；
所述应力缓冲层由Cr层和CrN层交替叠加而成，其厚度为500nm～1000nm，调制周期10nm～200nm，Cr层与CrN层的调制比0.8～1.5；
所述过渡层由Cr和C元素梯度变化形成；
所述功能层由Cr掺杂DLC形成。
2.根据权利要求1所述的刀具涂层，其特征在于，所述结合层的厚度为10nm～100nm。
3.根据权利要求1所述的刀具涂层，其特征在于，所述过渡层的厚度为10nm～100nm。
4.根据权利要求1所述的刀具涂层，其特征在于，所述功能层的厚度为500nm～1000nm。
5.根据权利要求4所述的刀具涂层，其特征在于，所述功能层中Cr的含量为2.5at％～10.0at％。
6.如权利要求1～5任一项所述的刀具涂层的制备方法，其特征在于，其包括在刀具基体表面沉积涂层，冷却后即完成涂层制备；
所述沉积涂层步骤包括利用物理气相沉积法依次沉积结合层、应力缓冲层、过渡层和功能层。
7.根据权利要求6所述的刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积结合层步骤包括只开启Cr靶，沉积时间为10～20Ah，基体偏压为80～120V，Cr靶材电流为80～130A，温度为180～250℃；所述结合层的沉积厚度为10nm～100nm。
8.根据权利要求7所述的刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积应力缓冲层步骤包括交替沉积Cr层和CrN层；所述沉积应力缓冲层的第一层为Cr层，第二层为CrN层，交替沉积至最外层为CrN层；所述应力缓冲层的沉积厚度为500nm～1000nm，调制周期为10nm～200nm，Cr层与CrN层的调制比0.8～1.5。
9.根据权利要求8所述的刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积Cr层包括只开启Cr靶，沉积时间为1～20Ah，Cr靶材电流为100～130A，基体偏压为80～120V，温度为150～250℃。
10.根据权利要求9所述的刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积CrN层包括只开启Cr靶，充入N2，沉积时间为1～20Ah，Cr靶材电流为100～130A，基体偏压为80～120V，温度为150～250℃。
11.根据权利要求10所述的刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积过渡层步骤包括开启Cr和C靶，沉积时间为10～20Ah，Cr靶材电流从130A降低至90A，C靶材电流从40A升高至80A，基体偏压为50～60V，温度为80～100℃；所述过渡层的沉积厚度为10nm～100nm。
12.根据权利要求11所述的刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积过渡层步骤中Cr靶材电流依次从130A降低至120A、110A、100A、90A，C靶材电流从40A升高至50A、60A、70A、80A。
13.根据权利要求12所述的刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积功能层步骤包括开启Cr和C靶，沉积时间为280～330Ah，Cr靶材电流35～45A，C靶材电流60～80A，基体偏压为50～60V，温度为60～100℃；所述功能层的沉积厚度为500nm～1000nm，所述功能层中Cr的含量为2.5at％～10.0at％。
14.根据权利要求7～13任一项所述的刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述Cr靶材的纯度为100％Cr。
15.根据权利要求11～13任一项所述的刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述C靶材的纯度为100％C。
16.根据权利要求14或15所述的刀具涂层的制备方法，其特征在于，按重量份数计，所述刀具基体由90～92份的WC、8～10份Co组成。
CN202210665173.XA 2022-06-13 2022-06-13 一种刀具涂层及其制备方法 Active CN115058687B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210665173.XA CN115058687B (zh) 2022-06-13 2022-06-13 一种刀具涂层及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210665173.XA CN115058687B (zh) 2022-06-13 2022-06-13 一种刀具涂层及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115058687A CN115058687A (zh) 2022-09-16
CN115058687B true CN115058687B (zh) 2023-05-05

Family

ID=83200700

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210665173.XA Active CN115058687B (zh) 2022-06-13 2022-06-13 一种刀具涂层及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115058687B (zh)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10005614A1 (de) * 2000-02-09 2001-08-16 Hauzer Techno Coating Europ B Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen sowie Gegenstand
CN105584148B (zh) * 2014-10-22 2017-09-12 上海航天设备制造总厂 硬质耐高温自润滑涂层制品及其制备方法
CN104846332B (zh) * 2015-04-17 2017-10-03 岭南师范学院 一种超润滑多层纳米复合涂层及其制备方法
CN108823526B (zh) * 2018-07-06 2020-08-11 成都工业职业技术学院 一种纳米多层复合超硬刀具涂层及其制备方法
CN111041481A (zh) * 2019-11-20 2020-04-21 中南大学 一种含梯度及纳米多层结构的涂层刀具及制备方法
CN111500999A (zh) * 2020-06-15 2020-08-07 贵州大学 一种自润滑超硬涂层及其制备方法
JP2023544788A (ja) * 2020-10-06 2023-10-25 エリコン・サーフェス・ソリューションズ・アクチェンゲゼルシャフト，プフェフィコーン ＨｉＰＩＭＳによって接着強度が改善された硬質炭素コーティングおよびその方法
CN113862613A (zh) * 2021-09-18 2021-12-31 美戈利(浙江)轨道交通研究院有限公司 非晶梯度结构超硬dlc刀具涂层及其制备方法和刀具

Also Published As

Publication number Publication date
CN115058687A (zh) 2022-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA1234776A (en) Disordered coating and method
JP5056949B2 (ja) 被覆部材
CN108823526B (zh) 一种纳米多层复合超硬刀具涂层及其制备方法
CN104928638A (zh) 一种AlCrSiN基多层纳米复合刀具涂层及其制备方法
KR20090021086A (ko) 초합금의 일반적인 선삭가공용의 코팅된 절삭공구 인서트
CN110453190B (zh) 一种AlCrSiN/Mo自润滑薄膜的复合磁控溅射制备方法
CN104032268B (zh) 一种高硬度、低摩擦系数的VAlSiN耐磨涂层
JP3392115B2 (ja) 硬質皮膜被覆工具
Fukui Evolutional history of coating technologies for cemented carbide inserts—chemical vapor deposition and physical vapor deposition
JP2009203489A (ja) 被覆部材
JP5765627B2 (ja) 耐久性に優れる被覆工具およびその製造方法
JP2009203485A (ja) 被覆部材
CN111910159A (zh) 一种纳米晶非晶复合涂层及其制备方法与刀具
CN102918183A (zh) 用于金属加工的pvd涂层
JP3016703B2 (ja) 被覆硬質部材
CN111438380A (zh) 表面涂层切削刀具及其制备方法
KR20130019378A (ko) 표면 피복 절삭 공구
CN115058687B (zh) 一种刀具涂层及其制备方法
CN116162917B (zh) 一种多层涂层刀具及制备方法
JP2001001202A (ja) 被覆工具
CN110607499A (zh) 一种Mo掺杂型AlCrSiN/Mo自润滑薄膜及其制备方法
CN111304612A (zh) 具有高硬度和高抗氧化性能的CrAlN/AlN纳米多层涂层及其制备方法
JP2001181826A (ja) 耐摩耗性に優れた硬質皮膜および硬質皮膜被覆部材
CN115418607A (zh) 含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具
CN102206808B (zh) 高硬度高弹性模量TiAlN/AlON纳米多层涂层及其制备方法

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant