一种物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层

摘要

本发明属于刀具技术领域，具体公开了一种物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层以及制备方法，由里向外依次包括底层、缓冲层、加强层、耐磨层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强层为多个TiCN单层与TiSiN单层交替设置形成的复合层，耐磨层为TiCSiN层，缓冲层包括第一TiN层、第二TiN层，耐磨层中各组份质量分数分别为：Ti48%～56%，C30%～35%，Si8%～12%，N5%～10%。本发明的复合涂层硬度高，摩擦系数低，耐高温性能好，能满足较大的切削速度，而且内部的应力小，强度高，粘结强度高，使用TiC合金靶、TiSi合金靶、TiCSi合金靶作为靶材的制备成本更低。

说明书

技术领域

本发明属于刀具技术领域，具体涉及一种物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层。

背景技术

圆锯片是用于石材、木材、金属、塑料等材料坯料加工的切割刀具，圆锯片的耐磨性能、硬度以及耐高温、耐腐蚀性能对切削部件的表面光洁度、精度及加工效率具有重要的影响。高速钢圆锯片一种含多量碳、钨、钼、钒等元素的锯片，在热处理后具有较高的热硬性、耐磨性能和耐高温能力，当切削温度达600℃，切削速度达60 m/min以上时硬度仍无明显下降。但随着汽摩制造、重工机械及精密仪表等制造业对金属材料的强度、韧性等的要求越来越高，切削加工的难度也越来越大，对切割刀具的耐磨、硬度、耐温性能提出了更高的要求。

现有技术中为提高刀具的硬度、耐磨性能，以保证适宜的切削速度和工件表面的切削光洁度、加工精度，会在刀具表面设置硬质涂层例如TiN层、AlTiN层、Al₂O₃层等，具有较高的硬度和耐磨性能。目前这种硬质涂层向复合涂层、纳米复合涂层方向发展。但是这些硬质涂层中大多为金属氮化物，来源则为金属合金，例如TiAl合金、TiCr合金、TiAlZr合金，增加了制备成本。中国专利CN200910193492X，专利名称TiN/（TiN+CrN）/Ti（CN）纳米复合涂层及其制备方法，公开了由过渡层TiN膜、（TiN+CrN）纳米复合涂层和CrAlN纳米复合涂层组成的的复合多层涂层，具有高硬度和高温性能。但是该复合多层涂层的摩擦系数高、耐磨性能一般，而且高温性能不能满足更为苛刻的高温要求，而且制备成本高。

发明内容

针对现有的切削刀具上的涂层无法满足切削加工技术对切割刀具的耐磨、耐高温性能的要求越来越高的问题，本发明的目的在于提供一种物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层，以及制备该复合涂层的方法。与现有的硬质涂层相比，本发明的复合涂层的摩擦系数低，耐磨性好，允许圆锯片具有较大的切削速度，而且硬度好、耐高温，多层复合层与圆锯片的粘结强度大，复合涂层内部的应力小，强度大。

本发明提供如下的技术方案：

一种物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层，所述复合涂层由里向外依次包括底层、缓冲层、加强层、耐磨层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强层为若干TiCN单层与TiSiN单层交替设置形成的复合层，耐磨层为TiCSiN层。

本发明的复合涂层中，底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强层为TiCN单层与TiSiN单层的复合层，耐磨层为TiAlCoN层，加强层中TiCN单层与TiSiN单层交替设置。Ti金属层减弱了复合涂层与圆锯片基体之间的内应力，提高了复合涂层的韧性和强度，缓冲层、加强层使复合涂层内部的应力顺利的由内向外过渡并衰减，并且加强了复合涂层内部的粘结强度。加强层中TiCN单层与TiSiN单层交替设置，一方面使缓冲层与耐磨层之间的应力波浪式传递，削弱外界压力对复合涂层的影响，另一方面相邻的TiCN单层与TiSiN单层分别形成两个三元相，具有不同的弹性性能，很好的分散了复合涂层内部的压力。Ti-C为共价键结合，赋予加强层高熔点、高模量的性能。耐磨层TiCSiN中可以看成是C加入到TiSiN或Si加入到TiCN中，从而扩展TiSiN或TiCN的调幅分解的成分区间，促进调幅分解的发生。Si与Ti-C-Ti-C链的键力较弱，使TiCSi具有层状机构和自润滑特性，降低耐磨层的摩擦系数和内部应力。同时在高温条件下，四元相TiCSiN发生调幅分解析出三元相TiSiN或TiCN，三元相TiSiN或TiCN发生调幅分解析出二元立方相TiN以及CN、SiN，分解过程中引发的时效硬化效应使得复合涂层的力学性能大大的提高，而Ti金属层、TiN层、TiSiN/TiCN、TiCSiN层的依次设置使后一层分解产生的残余应力的影响大大的削弱，从而使复合涂层具有较好的耐高温、耐性能以及较低的摩擦系数，提高圆锯片的切削速度。

作为本发明的一种改进，所述缓冲层由里向外依次包括第一TiN层、第二TiN层，其中第一TiN层贴靠Ti金属层，第二TiN层贴靠加强层，第二TiN层、TiCN单层以及TiSiN单层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚100～200nm。保证复合涂层内部的应力平稳传递并逐渐削弱，强化复合涂层的强度。

作为本发明的一种改进，以耐磨层的质量为100%计，耐磨层中各组份的质量分数分别为：Ti 48%～56%，C 30%～35%，Si 8%～12%，N 5%～10%。随耐磨呈中C、Si质量分数的增加，耐磨层中的晶粒尺寸降低，而热稳定性提高，当耐磨层中C的质量分数处于30%～35%，且C与Si的质量比接近于3:1时，耐磨层形成较小的晶粒，热稳定性好、硬度高。

作为本发明的一种改进，所述复合涂层的厚度为4～6 µm，其中底层的厚度为80～180 nm，加强层的厚度为1.5～2.4µm，耐磨层的厚度为1.42～2.42µm，余下为缓冲层的厚度，加强层中TiCN单层与TiSiN单层的厚度相同，且相邻TiCN单层与TiSiN单层的总厚度为120～150 nm。复合涂层在较薄的厚度条件下形成较强的耐磨、耐高温性能，并在复合涂层内形成10～20个相邻TiCN单层与TiSiN单层组成的加强单元。

一种物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）清洗除油：将圆锯片基体置于质量浓度为5%～10%的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗后再置于丙酮中超声清洗，通风干燥后置于280～360 ℃煅烧1～3小时自然冷却至室温；

（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至3×10^-1Pa～5×10^-1Pa，然后抽真空至1.2×10^-2Pa，加热炉体至500>

（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流2～3A、偏压为-75～-95V下在Ti金属层表面沉积第一TiN层5～7分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间3.2～4.6分钟，从而制备成缓冲层；

（4）加强层制备：分别开启TiC合金靶、TiSi合金靶，通电电流为3～5A，偏压-84～-112V，圆锯片基体转向TiC合金靶时沉积TiCN单层，圆锯片基体转向TiSi合金靶时沉积TiSiN单层，从而使TiCN单层与TiSiN单层交替沉积形成加强层，沉积时间为12～16分钟；

（5）耐磨层制备：开启TiCSi合金靶，通电电流为6～7A，偏压-116～-122V，在圆锯片基体上沉积TiCSiN层，沉积时间为10～14分钟；

（6）将步骤（5）处理后的圆锯片置于上述非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗并通风干燥。

作为本发明方法的一种改进，所述圆锯片基体的材质为高速钢。

作为本发明方法的一种改进，离子型表面活性剂为聚氧乙烯酰胺、壬基酚聚氧乙烯醚或失水山梨醇中的一种。

作为本发明方法的一种改进，耐磨层中晶粒尺寸为1.2～2.8 nm。

经上述方法制备的复合涂层的粘结能力强，耐高温、耐腐蚀、耐磨差性能好，满足高速切削、高温使用要求。使用非离子型表面活性剂清洗并煅烧去油，避免圆锯片基体在前处理过程中受到的损害。使用TiC合金靶、TiSi合金靶、TiCSi合金靶作为靶材的成本低，而C与Si的加入促进了耐磨层中晶粒尺寸降低，最终形成的耐磨层中的晶粒尺寸为1.2～2.8nm，进一步强化了复合涂层的耐磨性、耐热与耐氧化性能，摩擦系数小，硬度高。

本发明的有益效果如下：

本发明的物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层与现有的硬质涂层相比，硬度更高，摩擦系数低，耐磨性能好，耐高温性能好，能满足较大的切削速度，而且复合涂层内部的应力小，强度高，与圆锯片基体之间的粘结强度高。复合涂层使用TiC合金靶、TiSi合金靶、TiCSi合金靶作为靶材的制备成本更低。

具体实施方式

下面就本发明的具体实施方式作进一步说明。

如无特别说明，本发明中所采用的原料均可从市场上购得或是本领域常用的，如无特别说明，下述实施例中的方法均为本领域的常规方法。

实施例1

一种物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层，由里向外依次包括底层、缓冲层、加强层、耐磨层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强层为若干TiCN单层与TiSiN单层交替设置形成的复合层，耐磨层为TiCSiN层，缓冲层由里向外依次包括第一TiN层、第二TiN层，其中第一TiN层贴靠Ti金属层，第二TiN层贴靠加强层，第二TiN层、TiCN单层以及TiSiN单层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚100nm。以耐磨层的质量为100%计，各组份分别为：Ti48%，C 35%，Si 12%，N 5%。

复合涂层的厚度为4µm，其中底层的厚度为80 nm，加强层的厚度为1.5µm，耐磨层的厚度为1.42µm，余下为缓冲层的厚度，加强层中TiCN单层与TiSiN单层的厚度相同，且相邻TiCN单层与TiSiN单层的总厚度为120nm。

上述物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层的制备方法包括以下步骤：

（1）清洗除油：将圆锯片基体置于30℃的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗1小时后再置于丙酮中超声清洗，然后通风干燥，再置于280 ℃下煅烧3小时自然冷却至室温，圆锯片基体的材质为高速钢，非离子型表面活性剂为聚氧乙烯酰胺，质量浓度为5%；

（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至3×10^-1Pa，然后抽真空至1.2×10^-2Pa，加热炉体至500>

（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流2A、偏压为-75V下在Ti金属层表面沉积第一TiN层5分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间3.2分钟，从而制备成缓冲层；

（4）加强层制备：分别开启TiC合金靶、TiSi合金靶，通电电流为3A，偏压-84V，圆锯片基体转向TiC合金靶时沉积TiCN单层，圆锯片基体转向TiSi合金靶时沉积TiSiN单层，从而使TiCN单层与TiSiN单层交替沉积形成加强层，沉积时间为12分钟；

（5）耐磨层制备：开启TiCSi合金靶，通电电流为6A，偏压-116V，在圆锯片基体上沉积TiCSiN层，沉积时间为10分钟；

（6）将步骤（5）处理后的圆锯片置于上述非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗并通风干燥。

上述方法制备的复合涂层中耐磨层的晶粒尺寸为1.2～2.8 nm，摩擦系数为0.45±0.03，允许的最高使用温度为1210℃，维氏硬度HV值为3720，允许的最大切削速度为133m/min，复合涂层与圆锯片基体之间的粘结强度为93±2N。

实施例2

一种物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层，由里向外依次包括底层、缓冲层、加强层、耐磨层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强层为若干TiCN单层与TiSiN单层交替设置形成的复合层，耐磨层为TiCSiN层，缓冲层由里向外依次包括第一TiN层、第二TiN层，其中第一TiN层贴靠Ti金属层，第二TiN层贴靠加强层，第二TiN层、TiCN单层以及TiSiN单层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚150nm。以耐磨层的质量为100%计，各组份分别为：Ti 56%，C 30%，Si 9%，N 7%。

复合涂层的厚度为5 µm，其中底层的厚度为130 nm，加强层的厚度为1.95µm，耐磨层的厚度为1.92µm，余下为缓冲层的厚度，加强层中TiCN单层与TiSiN单层的厚度相同，且相邻TiCN单层与TiSiN单层的总厚度为135 nm。

上述物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层的制备方法包括以下步骤：

（1）清洗除油：将圆锯片基体置于25℃的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗1.5小时后再置于丙酮中超声清洗，然后通风干燥，置于320 ℃下煅烧2小时自然冷却至室温，圆锯片基体的材质为高速钢，非离子型表面活性剂为壬基酚聚氧乙烯醚，质量浓度为7%；

（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至4×10^-1Pa，然后抽真空至1.2×10^-2Pa，加热炉体至500>

（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流2.5A、偏压为-80V下在Ti金属层表面沉积第一TiN层6分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间3.9分钟，从而制备成缓冲层；

（4）加强层制备：分别开启TiC合金靶、TiSi合金靶，通电电流为4A，偏压-98V，圆锯片基体转向TiC合金靶时沉积TiCN单层，圆锯片基体转向TiSi合金靶时沉积TiSiN单层，从而使TiCN单层与TiSiN单层交替沉积形成加强层，沉积时间为14分钟；

（5）耐磨层制备：开启TiCSi合金靶，通电电流为6.5A，偏压-119V，在圆锯片基体上沉积TiCSiN层，沉积时间为12分钟；

（6）将步骤（5）处理后的圆锯片置于上述非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗并通风干燥。

上述方法制备的复合涂层中耐磨层的晶粒尺寸为1.2～2.8 nm，摩擦系数为0.45±0.03，允许的最高使用温度为1210℃，维氏硬度HV值为3720，允许的最大切削速度为133m/min，复合涂层与圆锯片基体之间的粘结强度为93±2N。

实施例3

一种物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层，由里向外依次包括底层、缓冲层、加强层、耐磨层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强层为若干TiCN单层与TiSiN单层交替设置形成的复合层，耐磨层为TiCSiN层，缓冲层由里向外依次包括第一TiN层、第二TiN层，其中第一TiN层贴靠Ti金属层，第二TiN层贴靠加强层，第二TiN层、TiCN单层以及TiSiN单层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚200nm。以耐磨层的质量为100%计，各组份分别为：Ti 50%，C 31%，Si 10%，N 9%。

复合涂层的厚度为6 µm，其中底层的厚度为180 nm，加强层的厚度为2.4µm，耐磨层的厚度为2.42µm，余下为缓冲层的厚度，加强层中TiCN单层与TiSiN单层的厚度相同，且相邻TiCN单层与TiSiN单层的总厚度为150 nm。

上述物理气相沉积法在圆锯片上制备的复合涂层的制备方法包括以下步骤：

（1）清洗除油：将圆锯片基体置于25℃的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗1.5小时后再置于丙酮中超声清洗，然后通风干燥，置于360 ℃下煅烧1小时自然冷却至室温，圆锯片基体的材质为高速钢，非离子型表面活性剂为失水山梨醇，质量浓度为10%；

（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至5×10^-1Pa，然后抽真空至1.2×10^-2Pa，加热炉体至500>

（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流3A、偏压为-95V下在Ti金属层表面沉积第一TiN层7分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间4.6分钟，从而制备成缓冲层；

（4）加强层制备：分别开启TiC合金靶、TiSi合金靶，通电电流为5A，偏压-112V，圆锯片基体转向TiC合金靶时沉积TiCN单层，圆锯片基体转向TiSi合金靶时沉积TiSiN单层，从而使TiCN单层与TiSiN单层交替沉积形成加强层，沉积时间为16分钟；

（5）耐磨层制备：开启TiCSi合金靶，通电电流为7A，偏压-122V，在圆锯片基体上沉积TiCSiN层，沉积时间为14分钟；

（6）将步骤（5）处理后的圆锯片置于上述非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗并通风干燥。

上述方法制备的复合涂层中耐磨层的晶粒尺寸为1.2～2.8 nm，摩擦系数为0.45±0.03，允许的最高使用温度为1210℃，维氏硬度HV值为3720，允许的最大切削速度为133m/min，复合涂层与圆锯片基体之间的粘结强度为93±2N。

本发明的复合涂层硬度更高，摩擦系数低，耐磨性能好，耐高温性能好，能满足较大的切削速度，复合涂层内部的应力小、强度高，与圆锯片基体之间的粘结强度高。复合涂层使用TiC合金靶、TiSi合金靶、TiCSi合金靶作为靶材的制备成本更低。