CN212335269U

CN212335269U - 一种沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层及真空镀膜装置

Info

Publication number: CN212335269U
Application number: CN202021834040.3U
Authority: CN
Inventors: 李鹏亮; 白敬勇; 孙斌; 葛强; 洪荣华
Original assignee: Ws Precision Tools Shanghai Co ltd
Current assignee: Ws Precision Tools Shanghai Co ltd
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2030-08-27

Abstract

本实用新型涉及一种沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层及真空镀膜装置，复合涂层包括由刀具基体侧往外侧依次沉积的多个子涂层，每个子涂层至少包括由刀具基体侧往外侧依次沉积的Al‑Cr‑N层、中间过渡层和Al‑Cr‑O复合氧化层；Al‑Cr‑N层为Al_xCr_1‑xN层，其中，0.1≤x≤0.3，中间过渡层为AlCrN‑AlCrON‑(AlCr)₂O₃过渡层；Al‑Cr‑O复合氧化层为(Al_yCr_1‑y)₂O₃层，其中0.1≤y≤0.3。解决了高速干切削工况下刀具在切削热量积累而形成的高温作用下而发生的快速磨损，提高了刀具寿命。

Description

一种沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层及真空镀膜装置

技术领域

本实用新型涉及立方氮化硼刀具表面涂层技术领域，尤其涉及一种沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层及真空镀膜装置。

背景技术

金属加工行业刀具的各种硬质涂层中，氧化铝(Al₂O₃)的隔热能力、高温硬度、抗氧化、化学稳定性都是最好的，能够有效阻断高温下刀具与被加工材料之间的元素扩散和化学磨损，是立方氮化硼(CBN/PCBN)刀具在轴承齿轮等行业淬硬钢材料高速干切削，实现以切代磨的最佳硬质涂层组分选择。

然而，由于Al₂O₃属于绝缘材料，在物理气相沉积(PVD)镀膜制备过程等离子离化的氧易于与阴极靶材中的纯铝或者铝合金发生反应生成绝缘的氧化铝，引起阴极放电失败，不能正常输出所需要的铝及合金元素，造成蒸发源靶材“中毒”。而且，真空直流溅射过程中正电荷在阴极表面积累，当氧化铝层上积累的正电荷与负电位靶材之间的电势足够大时，氧化铝层被击穿或沿其边缘发生放电。频繁的异常放电造成电源不断地过载跳闸，使得沉积过程无法持续进行。

同时，Al₂O₃的晶体结构和热膨胀系数与其他陶瓷或者金属的差别，也使得其在硬质合金和CBN刀具表面的结合非常差。这些因素造成了氧化铝涂层制备和应用极其困难。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层及真空镀膜装置，解决高速干切削工况下刀具在切削热量积累而形成的高温作用下而发生的快速磨损，提高刀具寿命。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

作为本实用新型的一个方面，一种沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层，所述复合涂层包括由刀具基体侧往外侧依次沉积的多个子复合涂层，每个子复合涂层至少包括由刀具基体侧往外侧依次沉积的Al-Cr-N层、中间过渡层和Al-Cr-O复合氧化层；Al-Cr-N层为Al_xCr_1-xN层，其中，0.1≤x≤0.3，中间过渡层为AlCrN-AlCrON-(AlCr)₂O₃过渡层；Al-Cr-O复合氧化层为(Al_yCr_1-y)₂O₃层，其中0.1≤y≤0.3。

作为一种实施方式，所述Al-Cr-N层的厚度为0.2～0.4μm，中间过渡层的厚度为0.1～0.2μm，Al-Cr-O复合氧化层的厚度为0.2～0.4μm。

作为一种实施方式，所述复合涂层的厚度为1.5～6μm。

作为本实用新型的第二个方面，用于在立方氮化硼刀具表面沉积复合涂层的真空镀膜装置，包括一个PVD炉腔，PVD炉腔的内部配置有用于固定立方氮化硼刀具以在刀具基材表面沉积复合涂层的工件固定装置，一个中频偏压电源与工件固定装置电连接，用于在工件上施加基底电压或者偏置电压；PVD炉腔上配置有分别由直流多弧电源运行的第一组蒸发源和由高能高频脉冲磁控电源运行的第二组蒸发源，第一组蒸发源和第二组蒸发源的靶材均为Al/Cr复合靶材；PVD炉腔上开设有输入氮气和氧气第一气体进口和输入氩气的第二气体进口，还配置有对氩气进行电离的等离子源；PVD炉腔还开设有一个气体出口，气体出口连接泵系统；直流多弧电源用于产生弧光放电，将第一组蒸发源蒸发的Al和Cr在含氮的反应气体环境中反应在刀具基材表面形成子复合涂层中的Al-Cr-N层，高频高能脉冲磁控电源用于产生非平衡磁控多弧和不对称高频脉冲，将第二组蒸发源蒸发的Al和Cr在含氮和/或氧的反应气体环境中反应在所述的Al-Cr-N层表面依次形成中间过渡层和Al-Cr-O复合氧化层。

进一步的，所述第一组蒸发源包括第一靶材、位于第一靶材下方的第一冷却板和联结在第一靶材两侧的第一接地阳极。

进一步的，所述第二组蒸发源包括第二靶材、位于第二靶材下方的高强永磁体系统与第二冷却板和联结在第二靶材两侧的第二接地阳极。

进一步的，所述第一气体进口设置在第一组蒸发源的两个蒸发源之间。

进一步的，所述第二气体进口设置在第二组蒸发源的两个蒸发源之间。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型解决了绝热刚玉结构氧化铝涂层不能顺利持续沉积的难题，结合与刀具基材结合性好的Al/Cr氮化物底层涂层，并通过Al/Cr氮氧化物向Al/Cr氮化物层的过渡，保证了绝热涂层的层间结合和复合涂层的强韧度。这样成分和结构的涂层，有利于抵抗高速干切削工况下刀具在切削热量积累而形成的高温作用下而发生的快速磨损，提高刀具寿命。

附图说明

图1为本实用新型的真空镀膜装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型的复合涂层的结构示意图；

图3为直流多弧和磁控溅射涂层表面形貌对比；

图4为高频高能脉冲周期示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：

图1示出一个真空镀膜装置1，所述真空镀膜装置1包括一个PVD炉腔11，所述PVD炉腔11上配置有分别由直流多弧电源12运行的第一组蒸发源13，所述第一组蒸发源13包括第一靶材131、位于第一靶材131下方的第一冷却板132和联结在所述第一靶材131两侧的第一接地阳极133；还配置有由高能高频脉冲磁控电源14运行的第二组蒸发源15，所述第二组蒸发源15包括第二靶材151、位于第二靶材151下方的高强永磁体系统152与第二冷却板153和联结在所述第二靶材151两侧的第二接地阳极154。所述第一靶材131和第二靶材151均为Al/Cr复合靶材。

所述PVD炉腔11的第一组蒸发源13的两个蒸发源之间开设有一个第一气体进口161，反应气体例如氮气和氧气等通过第一气体进口161输入到PVD炉腔11中。所述PVD炉腔11的第二组蒸发源15的两个蒸发源之间开设有一个第二气体进口162，附加的反应气体例如氩气等通过第二气体进口162输入到PVD炉腔11中。所述真空镀膜装置1还配置有等离子源17，对惰性的氩气等附加反应气体进行电离，产生氩离子轰击需要涂层的工件，对刀具基材进行活化，以提高膜层附着力。

所述PVD炉腔11的一侧面开设有一个气体出口163，所述气体出口163连接泵系统164，用于在所述PVD炉腔11内产生所需要的真空。所述PVD炉腔11的内部配置有工件固定装置18，用于固定工件以在工件上镀膜。一个中频偏压电源181与工件固定装置18电连接，用于在所述工件上施加基底电压或者偏置电压。

利用上述真空镀膜装置1，可以向固定在工件固定装置18上的工件沉积一种复合涂层2，特别是向立方氮化硼(CBN/PCBN)刀具表面沉积一种复合涂层2，该复合涂层2解决了高速干切削工况下，刀具在切削热量积累而形成的高温作用下而发生的快速磨损，提高了刀具的寿命。

具体的，所述复合涂层2优选1.5～6μm的厚度。参见图2，所述复合涂层2包括由刀具基体10侧往外侧依次沉积的多个子复合涂层20，每个子复合涂层20至少包括由刀具基体10侧往外侧依次沉积的Al-Cr-N层21、中间过渡层22和Al-Cr-O复合氧化层23。

所述Al-Cr-N层21为Al_xCr_1-xN层，其中，0.1≤x≤0.3，含Cr的Al-Cr-N层21韧性好，提高了与刀具基体10材料结合性，具体的，所述Al-Cr-N层21的厚度为0.2～0.4μm。所述中间过渡层22沉积在Al_xCr_1-xN层表面，形成0.1～0.2μm的AlCrN-AlCrON-(AlCr)₂O₃过渡层，实现从氮化物到氧化物的成分和结构过渡，进一步增加氧化物涂层的结合力。所述Al-Cr-O复合氧化层23沉积在中间过渡层22表面，其成分为(Al_yCr_1-y)₂O₃，其中0.1≤y≤0.3，具体的，所述Al-Cr-O复合氧化层23的厚度为0.2～0.4μm。

下面说明在立方氮化硼(CBN/PCBN)刀具表面沉积上述复合涂层2的方法和步骤，具体如下：

第一步，刀具清洗，目的是去除油污和氧化皮等水基和/或碳氢基表面污染物。

第二步，PVD炉腔氩气吹扫，加温到250～400℃，抽真空到真空度2×10^-2Pa～3×10^-2Pa，真空处理60分钟，目的是深度去除刀具焊缝等部位的气体杂质。

第三步，将刀具基材加温到500～550℃，氩气流量800～1000sccm，离子源电压40～50V，刀具基材偏压600～800V，离子活化处理时间为60～90分钟。

第四步，将刀具基材升温到600～650℃，氮气流量为3000～3500sccm，Al/Cr复合靶材，具体为70at％Al/30at％Cr复合靶材，靶电流150～180A，基材偏压30～36V，采用直流多弧方法，PVD沉积时间10～15分钟，在刀具基材上形成厚度为0.2～0.4μm的Al_xCr_1-xN层，其中0.1≤x≤0.3。

第五步，调整氮气流量，以300～600sccm/min的速度从3000～3500sccm逐步减小到0，氧气流量以300～600sccm/min的速度从0逐步增加到3000～3500sccm，通氩气，氩气流量500～1000sccm；开启高频高能脉冲磁控电流，采用非平衡磁控结合不对称高频脉冲方法，磁控磁场强度320～400高斯，高频高能脉冲的功率10～15kW，频率25～50kHz，电压24～40V，不对称高频脉冲的负脉冲宽度36～40μs，正脉冲宽度2～4μs，靶电流150～180A，基材偏压30～36V，PVD沉积时间5～8分钟，在Al_xCr_1-xN层表面形成0.1～0.2μm的AlCrN-AlCrON-(AlCr)₂O₃的中间过渡层22。

第六步，氧气流量3000～3500sccm，氩气流量500～1000sccm，维持高频高能脉冲的功率10～15kW，频率25～50kHz，电压24～40V，负脉冲宽度36～40μs，正脉冲宽度2～4μs，靶电流150～180A，基材偏压30～36V，PVD沉积时间10～15分钟，形成0.2～0.4μm的Al-Cr-O复合氧化层23，成分为(Al_yCr_1-y)₂O₃，其中0.1≤y≤0.3。

第七步，重复第四步至第六步，直到基材上复合涂层2的厚度达到1.5μm～6μm。

采用非平衡磁控多弧(NBMS)和不对称高频脉冲的方法，非平衡磁场约束靶材上被等离子体轰击出来的金属离子，避免液滴的形成，使得工件表面沉积的涂层晶粒细致，工具表面光洁度高，具体可参见图3，图3(a)为现有技术直流多弧方法获得的镀膜工件表面在200倍放大镜下的图像，图3(b)为现有技术直流多弧方法获得的镀膜工件表面在5000倍放大镜下的图像，图3(c)为本实用新型的磁控溅射方法获得的镀膜工件表面在5000倍放大镜下的图像，通过对比图3(b)和图3(c)的图像，可以清楚的得出通过本实用新型方法获得的镀膜工件表面较对比方法获得的镀膜工件表面光洁。同时，能有效减轻刀具和被加工材料之间的摩擦和热效应，相对于未涂层或者涂覆复合氮化物涂层的刀具，氧化铝涂层刀具在高速干切削的高温下，刀具的温度要低250℃～400℃。

采用高频脉冲冲击，消除了异常放电，保证了靶材和活性，使得物理气相沉积过程得以持续进行。而不对称脉冲中的正向脉冲宽度窄，正向脉冲和负向脉冲宽度比例为1:9～1:20，因而用于PVD溅射的脉冲能量损失小，沉积效率高，膜层结合力强。

在涂层结构和组分上，下表1是主要涂层类型的性能评价：

表1：主要涂层类型性能评价

评价	化学稳定性	抗氧化	室温硬度	高温硬度
					++	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	TiC	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
+	TiAlN	TiAlN	TiCN	TiAlN
					0	TiN	TiN	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	TiN
-	TiCN	TiCN	TiAlN	TiCN
					--	TiC	TiC	TiN	TiC

从表1可以看出，Al₂O₃在化学稳定性、抗氧化能力和高温硬度方面的性能在主要涂层类型中都是最优的。本实用新型引入和Al₂O₃结构类似的复合氮化物梯度结合层，提升了氧化物层和氮化物层之间的结合力,确保耐高温功能膜层对高温物理磨损和化学磨损的抗力。

以下通过具体的应用实施例来说明立方氮化硼(CBN/PCBN)刀具表面沉积复合涂层2的技术效果：

实施例：

刀具材料：涂层PCBN刀片(含65％CBN，35％TiN作为结合剂)

加工工件：高频感应淬火S45C轴套，硬度HRC56～60，淬火层深度1.2～2mm

切削速度：300～350m/min

进给量：0.05mm/rev

切削深度：0.2mm

对比刀具：未涂层PCBN刀片和涂覆Ti/Al复合氮化物涂层的PCBN刀片

具体的结果参见表1：

表1：

以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims

1.一种沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层，其特征在于：复合涂层包括由刀具基体侧往外侧依次沉积的多个子复合涂层，每个子复合涂层至少包括由刀具基体侧往外侧依次沉积的Al-Cr-N层、中间过渡层和Al-Cr-O复合氧化层；Al-Cr-N层为Al_xCr_1-xN层，其中，0.1≤x≤0.3，中间过渡层为AlCrN-AlCrON-(AlCr)₂O₃过渡层；Al-Cr-O复合氧化层为(Al_yCr_1-y)₂O₃层，其中0.1≤y≤0.3。

2.根据权利要求1所述的沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层，其特征在于：所述Al-Cr-N层的厚度为0.2～0.4μm，中间过渡层的厚度为0.1～0.2μm，Al-Cr-O复合氧化层的厚度为0.2～0.4μm。

3.根据权利要求1所述的沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层，其特征在于：所述复合涂层的厚度为1.5～6μm。

4.用于在立方氮化硼刀具表面沉积复合涂层的真空镀膜装置，其特征在于：包括一个PVD炉腔(11)，PVD炉腔(11)的内部配置有用于固定立方氮化硼刀具以在刀具基材表面沉积复合涂层的工件固定装置(18)，一个中频偏压电源(181)与工件固定装置(18)电连接，用于在工件上施加基底电压或者偏置电压；PVD炉腔(11)上配置有分别由直流多弧电源(12)运行的第一组蒸发源(13)和由高能高频脉冲磁控电源(14)运行的第二组蒸发源(15)，第一组蒸发源(13)和第二组蒸发源(15)的靶材均为Al/Cr复合靶材；PVD炉腔(11)上开设有输入氮气和氧气第一气体进口(161)和输入氩气的第二气体进口(162)，还配置有对氩气进行电离的等离子源(17)；PVD炉腔(11)还开设有一个气体出口(163)，气体出口(163)连接泵系统(164)；直流多弧电源用于产生弧光放电，将第一组蒸发源(13)蒸发的Al和Cr在含氮的反应气体环境中反应在刀具基材表面形成子复合涂层中的Al-Cr-N层，高频高能脉冲磁控电源用于产生非平衡磁控多弧和不对称高频脉冲，将第二组蒸发源(15)蒸发的Al和Cr在含氮和/或氧的反应气体环境中反应在所述的Al-Cr-N层表面依次形成中间过渡层和Al-Cr-O复合氧化层。

5.根据权利要求4所述的用于在立方氮化硼刀具表面沉积复合涂层的真空镀膜装置，其特征在于：所述第一组蒸发源(13)包括第一靶材(131)、位于第一靶材(131)下方的第一冷却板(132)和联结在第一靶材(131)两侧的第一接地阳极(133)。

6.根据权利要求4所述的用于在立方氮化硼刀具表面沉积复合涂层的真空镀膜装置，其特征在于：所述第二组蒸发源(15)包括第二靶材(151)、位于第二靶材(151)下方的高强永磁体系统(152)与第二冷却板(153)和联结在第二靶材(151)两侧的第二接地阳极(154)。

7.根据权利要求4所述的用于在立方氮化硼刀具表面沉积复合涂层的真空镀膜装置，其特征在于：所述第一气体进口(161)设置在第一组蒸发源(13)的两个蒸发源之间。

8.根据权利要求4所述的用于在立方氮化硼刀具表面沉积复合涂层的真空镀膜装置，其特征在于：所述第二气体进口(162)设置在第二组蒸发源(15)的两个蒸发源之间。