Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具及其制备工艺

摘要

一种Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具及其制备工艺，刀具基体材料为硬质合金或高速钢，刀具基体表面为ZrN高硬度涂层，刀具基体与ZrN高硬度涂层之间有Ti过渡层，在Ti过渡层与表面ZrN高硬度涂层之间为Zr和ZrN交替的多层结构。具体工艺包括前处理、离子清洗、沉积Ti过渡层、反复沉积Zr层和ZrN层、沉积表面ZrN层的步骤。Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具含有高硬度ZrN涂层和韧性金属Zr，可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与基体间的结合强度，从而提高涂层的耐磨性；该制备工艺容易掌握，生产过程稳定可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具及其制备工艺，属于机械制造金属切削刀具领域。

背景技术

对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具将刀具基体与硬质涂层相结合，使刀具性能大大提高。TiN、ZrN等氮化物单涂层刀具自上世纪70年代成功应用于切削刀具后，成为目前应用最为广泛的涂层刀具。然而，随着切削加工技术的发展以及高速切削技术的推广，氮化物单涂层相对较差的韧性和耐磨性限制了其应用。通过制备多层复合结构的涂层可以显著提高硬质涂层韧性、结合强度及耐磨性等综合性能，涂层的纳米多层复合结构已经成为涂层刀具的重要发展方向。

中国专利（专利号ZL 2006 1 0029133）报道了采用双靶溅射技术在金属或陶瓷基体表面交替沉积ZrO₂层和TiN层得到ZrO₂ /TiN多层涂层的技术，ZrO₂厚度为2~8nm，TiN层厚度为0.4~1.2 nm，涂层总厚度为2~5 μm，但是由于ZrO₂ 与TiN涂层之间的内应力较大，导致涂层间的结合性能不是很理想。中国专利（专利号ZL 2010 1 0014862）报道了采用物理气相沉积技术沉积TiZrN的复合涂层刀具，在TiN涂层中掺杂了Zr元素以改善TiN涂层的性能，但是TiN中容纳Zr元素的能力有限，限制了复合涂层性能的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具及其制备工艺，克服上述现有涂层刀具内应力较大、涂层与刀具基体间的结合强度小的不足，制备工艺能方便地生产出Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具。

本发明的目的是以如下方式实现的：Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具，刀具基体材料为硬质合金或高速钢，涂层为Zr和ZrN，刀具基体表面为ZrN高硬度涂层，刀具基体与ZrN高硬度涂层之间有Ti过渡层，在Ti过渡层与表面ZrN高硬度涂层之间为Zr和ZrN交替的多层结构。

制备所述的Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具的方法是：沉积方式为电弧离子镀沉积30~40nm的Ti过渡层，然后交替沉积厚度为40~50nm的Zr涂层和ZrN涂层，最后表面涂层为ZrN涂层，沉积时使用两个电弧靶、一个Ti靶、一个Zr靶，具体步骤如下：

a.前处理：将刀具基体表面抛光，去除表面油污、锈迹杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附着物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至7.0×10^-3Pa，加热至300℃，保温30~40min；

b.离子清洗：通Ar气，其压力为1.5Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；降低偏压至200V，占空比0.2，开启离子源离子清洗20min，开启Ti靶的电弧源，偏压400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶2min；

c.沉积Ti过渡层：调整Ar气压0.5~0.6Pa，偏压降至250V，沉积温度250℃，Ti靶电流80A，电弧镀Ti过渡层2~3min；

d.沉积Zr层：Ar气压0.5Pa，偏压200V，关闭Ti靶，开启Zr靶，Zr靶电流100A，沉积温度200~220℃，电弧镀Zr层2min；

e.沉积ZrN层：Ar气压0.5 Pa，偏压200V，Zr靶的靶电流80A；开启N₂，N₂气压0.8Pa，沉积温度200~220℃，电弧镀ZrN层2min；

f.沉积Zr层：关闭N₂，重复d步骤；

g.沉积ZrN层：重复e步骤；

h.重复f、g步骤交替沉积Zr和ZrN涂层共80min；

i.沉积表面ZrN层：Ar气压0.5Pa，偏压200V，Zr靶的靶电流80 A；开启N₂，N₂气压为0.8Pa，沉积温度200~220℃，电弧镀ZrN 2min；

j.后处理：关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

通过上述工艺制备的Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具，刀具表面为ZrN高硬度涂层，刀具基体与涂层间有Ti过渡层，以减小残余应力，增加涂层与刀具基体间的结合强度，在Ti过渡层与表面ZrN涂层间为Zr和ZrN交替的多层结构。

本发明Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具，含有高硬度ZrN涂层和韧性金属Zr，可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与基体间的结合强度，从而提高涂层的耐磨性。用这种涂层刀具进行切削时，能够弥补ZrN单涂层刀具韧性较差的缺点，显著减小刀具的磨损，延长刀具使用寿命，提高涂层刀具的切削性能，该纳米多层涂层刀具可应用于各种淬硬材料的干切削加工。制备工艺容易掌握，生产过程稳定可靠。

附图说明

附图是本发明的Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具的涂层结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参照附图，该刀具为普通的铣刀片，刀具基体1材料为硬质合金YT15，涂层材料为Zr和ZrN，刀具基体1表面为ZrN高硬度涂层4，刀具基体1与ZrN高硬度涂层4之间有Ti过渡层2，在Ti过渡层2与表面ZrN高硬度涂层4之间为Zr和ZrN交替的多层结构3。

沉积方式为电弧离子镀沉积Ti过渡层，然后交替沉积Zr涂层和ZrN涂层，最后表面涂层为ZrN涂层，沉积时使用两个电弧靶、一个Ti靶、一个Zr靶，具体工艺步骤如下：

a.前处理：将硬质合金YT15刀具基体表面抛光，去除表面油污、锈迹等杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附着物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至7.0×10^-3Pa，加热至300℃，保温30~40min；

b.离子清洗：通Ar气，其压力为1.5Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；降低偏压至200V，占空比0.2，开启离子源离子清洗20min，开启Ti靶的电弧源，偏压400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶2min；

c.沉积Ti过渡层：调整Ar气压0.5~0.6Pa，偏压降至250V，沉积温度250℃，Ti靶电流80A，电弧镀Ti过渡层2~3min；

d.沉积Zr层： Ar气压0.5 Pa，偏压200V，关闭Ti靶，开启Zr靶，Zr靶电流100A，沉积温度200~220℃，电弧镀Zr 层2min；

e.沉积ZrN层：Ar气压0.5Pa，偏压200V，Zr靶的靶电流80A；开启N₂，N₂气压0.8Pa，沉积温度200~220℃，电弧镀ZrN层2min；

f.沉积Zr层：关闭N₂，重复d步骤；

g.沉积ZrN层：重复e步骤；

h.重复f、g步骤交替沉积Zr和ZrN涂层共80min；

i.沉积表面ZrN层：Ar气压0.5 Pa，偏压200 V，Zr靶的靶电流80A；开启N₂，N₂气压为0.8Pa，沉积温度200~220℃，电弧镀ZrN 2min；

j.后处理：关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

实施例2

刀具为普通麻花钻，刀具基体材料为高速钢W₁₈Cr₄V，涂层材料为Zr和ZrN，刀具基体1表面为ZrN高硬度涂层4，刀具基体1与ZrN高硬度涂层4之间有Ti过渡层2，在Ti过渡层2与表面ZrN高硬度涂层4之间为Zr和ZrN交替的多层结构3。

沉积方式为电弧离子镀沉积Ti过渡层，然后交替沉积Zr涂层和ZrN涂层，最后表面涂层为ZrN涂层，沉积时使用两个电弧靶、一个Ti靶、一个Zr靶，具体工艺步骤如下：

a.前处理：将麻花钻刀具基体表面用1000号砂纸打磨，去除表面油污、锈迹杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附着物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至7.0×10^-3Pa，加热至300℃，保温30~40min；

b.离子清洗：通Ar气，其压力为1.5Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；降低偏压至200V/0.2，开启离子源离子清洗20min，开启Ti靶的电弧源，偏压400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶2min；

c.沉积Ti过渡层：调整Ar气压0.5~0.6Pa，偏压降至250V，沉积温度250℃，Ti靶电流80A，电弧镀Ti过渡层2~3min；

d.沉积Zr层：Ar气压0.5Pa，偏压200V，关闭Ti靶，开启Zr靶，Zr靶电流100A，沉积温度200~220℃，电弧镀Zr 层2min；

e.沉积ZrN层：Ar气压0.5 Pa，偏压200V，Zr靶的靶电流80A；开启N₂，N₂气压0.8Pa，沉积温度200~220℃，电弧镀ZrN层2min；

f.沉积Zr层：关闭N₂，重复d步骤；

g.沉积ZrN层：重复e步骤；

h.重复f、g步骤交替沉积Zr和ZrN涂层共80min；

i.沉积表面ZrN层：Ar气压0.5Pa，偏压200V，Zr靶的靶电流80A；开启N₂，N₂气压为0.8Pa，沉积温度200~220℃，电弧镀ZrN 2min；

j.后处理：关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。