一种纳米多层复合超硬刀具涂层及其制备方法

摘要

本发明提供的纳米多层复合超硬刀具涂层，由依次沉积在刀具基体材料上的Cr过渡层（金属结合层）、CrN过渡层、CrN/TiAlSiYN交替层构成，所述CrN/TiAlSiYN交替层由CrN层、TiAlSiYN层依次交替沉积构成。所述TiAlSiYN层的组成组分按重量份计由15~35份的Ti，25~50份的Al，25~60份的N，3~5份的Si，0.8~1.5份的Y组成。本发明还提供了所述涂层的制备方法。本发明可提高刀具涂层的强度、韧性、耐热性以及膜基结合强度。

说明书

技术领域

本发明属于刀具材料领域，特别涉及一种刀具涂层材料。

背景技术

随着主流刀具向着高速切削和干式切削发展，其对涂层的要求也越来越高，常规TiAlN涂层慢慢变得难以满足提高刀具综合机械性能的要求。刀具切削区域的温度通常可达到甚至高于TiAlN涂层的热分解温度，致使刀具氧化、刀尖软化、瞬间磨损等失效形式的出现。近来添加有B，Si的纳米结构TiBN、TiSiN等涂层具有高硬度和高温抗氧化性等特点，但目前面对难加工金属材料和恶劣的切削条件，单一涂层材料难以满足加工的需要。近年来，多层或超晶格结构涂层 (TiN/TiC/TiN多层、TiAlN/TiN多层、TiN/AlN超晶格等)、纳米复合结构涂层(TiSiN、TiAlSiN等)的受到关注和研究，涂层的硬度和最高使用温度不断提高。其中，多层涂层是由两种或两种以上成分或结构不同的材料在垂直于涂层表面方向上相互交替生长而形成的二维多层材料，对于两种不同结构或组成的多层涂层， 每相邻两层形成一个基本单元，其厚度称为调制周期。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强度、韧性、耐热性以及膜基结合强度具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供一种纳米多层复合超硬刀具涂层及其制备方法，提高刀具涂层的强度、韧性、耐热性以及膜基结合强度。

本发明提供的纳米多层复合超硬刀具涂层，由依次沉积在刀具基体材料上的Cr过渡层（金属结合层）、CrN过渡层、CrN/TiAlSiYN交替层构成，所述CrN/TiAlSiYN交替层由CrN层、TiAlSiYN层依次交替沉积构成。

进一步地，所述TiAlSiYN层的组成组分按重量份计由15~35份的Ti，25~50份的Al，25~60份的N，3~5份的Si，0.8~1.5份的Y组成。

进一步地，所述CrN/TiAlSiYN交替层调制周期为20nm~50nm。

进一步地，所述CrN/TiAlSiYN交替层中CrN层与TiAlSiYN层的厚度比为1.5~1.7。

进一步地，涂层总厚度为2.7~3μm（包含两层过渡层厚度）。

进一步地，两层过渡层的厚度为0.1~0.2μm。

本发明所述纳米多层复合超硬刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：

a.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，这一步主要是为了提高涂层与基体之间的结合强度；

b.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；

c.沉积纯Cr过渡层：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，温度最好控制在220℃；

d.沉积CrN过渡层：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100~130A，基体偏压为50~60V，温度最好控制在220℃；

e.沉积交替层的第一层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100~130A，基体偏压为50~60V，温度最好控制在220℃；

f.沉积TiAlSiYN层：利用物理气相沉积法沉积TiAlSiYN层，只开启TiAlSiY靶，冲入N₂，沉积时间为15Ah，靶材电流为130~160A，基体偏压为50~60V，温度最好控制在250℃。

g.重复e、f步骤，最外层为TiAlSiYN涂层。

h.冷却：冷却一个小时，镀膜完成，关闭真空设备。

以上方法中，所述TiAlSiY靶的组成为15~35份的Ti，25~50份的Al，25~60份的N，3~5份的Si，0.8~1.5份的Y组成。可根据组分需求于市场订制。根据组分需求，由靶材厂家制作粉末冶金靶材。

本发明提供的基于上述纳米多层复合超硬刀具涂层材料的刀具，由刀具基体和涂覆在基体上的上述纳米多层复合超硬刀具涂层构成，所述刀具基体按重量份数由90~92份的WC、8~10份Co构成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述涂层中，调制周期为25nm的多层复合涂层显微组织出现超晶格结构，使涂层具备高硬度，达到超硬涂层的硬度值，并且备较好的热稳定性和化学稳定性。

2、本发明所述涂层中，在TiAlN涂层中添加了Si、Y元素有利于晶粒细化，Si元素的添加形成了非晶组织Si₃N₄，包裹着纳米晶，形成纳米晶结构，阻碍晶粒长大，从而增加晶界数量，涂层具备更高的硬度。非晶的存在不仅提高涂层硬度还可以提高涂层韧性，阻碍裂纹扩展。

3、本发明所述涂层中，Si、Y两种元素组合添加，有利于在切削加工过程中生成致密氧化膜，对元素扩散快速通道的封闭起到促进和维持作用，延缓氧化膜的失效进程，从而使涂层的耐氧化时间增加，提高涂层的高温氧化性能。

4、本发明所述涂层中，TiAlSiYN涂层中Y原子、Si原子和Al原子进入TiN晶格内部形成间隙原子或形成置换原子，导致晶格畸变，从而固溶强化的效应提高了涂层的强度和硬度。

5、本发明所述涂层中，由于Cr结合层和CrN过渡层的存在，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

图1是本发明所述刀具涂层的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明所述纳米多层复合超硬刀具涂层及其制备方法作进一步说明。

以下是实施例中，所述TiAlSiY靶材为根据交替层中TiAlSiY层的组分配比于市场订制，由靶材厂家根据粉末冶金的方法制备的靶材。

实施例1

本实施例所述纳米多层复合超硬刀具涂层，采用PVD沉积的方法在刀具基体上沉积3μm厚的涂层。刀具基体组成为92份WC粉末，8份Co。所述涂层由依次沉积在刀具基体材料上的Cr过渡层、CrN（氮化铬化合物）过渡层、CrN/TiAlSiYN交替层构成，所述CrN/TiAlSiYN交替层由CrN层、TiAlSiYN层依次交替沉积构成。CrN/TiAlSiYN交替层调制周期为25nm ，CrN层厚约15nm，TiAlSiYN层厚约10nm，Cr过渡层厚50nm、CrN（氮化铬化合物）过渡层厚70nm。所述TiAlSiYN层的组成组分按重量份计由15份的Ti，45份的Al，25份的N，5份的Si，1.5份的Y组成。

制备方法：

采设备瑞士Oerlikon Balzers Domino.mini进行制备

本发明所述纳米多层复合超硬刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：

a.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，这一步主要是为了提高涂层与基体之间的结合强度。

b.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。

c.沉积纯Cr过渡层：利用物理气相沉积法沉积纯Cr层，只开启Cr靶，沉积时间为10Ah，基体偏压为120V，电流为80A，温度为220℃。

d.沉积CrN过渡层：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60V，温度为220℃。

e.沉积交替层的第一层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130A，基体偏压为50V，温度为220℃。

f.沉积TiAlSiYN层：利用物理气相沉积法沉积TiAlSiYN层，只开启TiAlSiY靶，冲入N₂，沉积时间为15Ah，靶材电流为160A，基体偏压为50V，温度控制在250℃。

g.重复e、f步骤，最外层为TiAlSiYN涂层。

h.冷却：冷却一个小时，镀膜完成，关闭真空设备。

将沉积了涂层的刀具用于切削淬硬钢Cr₁₂MoV，铣削参数为：铣削速度v=200m/min，转速n=10616r/min，每齿进给量f=0.05mm/z，铣削深度a_p=2mm，铣削宽度a_e=0.1mm。切削过程为干式切削。

硬度测试：采用Wilson 400型显微维氏硬度计进行测试，测试载荷为0.05N，载荷保持时间为15s，尽量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。

断裂韧性测试：P为施加载荷；δ为常数，为0.016；E为弹性模量；H为硬度值；C为裂纹长度。

涂层的力学性能检测结果如下表：

硬度/HV_0.05膜基结合强度/N断裂韧性K_IC/MPa>1/23211973.4

耐热性测试：将涂层置于1200℃环境下保温6h，取出冷却后对其硬度和增重情况进行测试。判断硬度低于测试前测量值的80%为失效（耐热性不符合要求）。结果证明该刀具涂层的热稳定温度可达1200℃。

经测量，切削工件表面精度较普通刀片提高了50%，表面粗糙度降低了30%，加工效率提高了50%，刀片寿命是普通刀片的7倍。

通过试验证明：本发明的纳米多层复合超硬刀具涂层，CrN/TiAlSiYN交替沉积明显降低涂层内应力，改善涂层的韧性，在铣削加工过程中很好的避免了涂层的剥落磨损，提高刀具材料使用寿命。Cr金属结合层和CrN过渡层能够很好的增强涂层与基体间的结合强度；涂层中存在的超晶格结构令涂层的硬度和耐磨性有了明显提高。

实施例2

本实施例所述纳米多层复合超硬刀具涂层，采用PVD沉积的方法在刀具基体上沉积2.8μm厚的涂层。刀具基体的按重量份数由92份WC粉末、8份Co粉末烧结而成。所述涂层由依次沉积在刀具基体材料上的Cr过渡层、CrN（氮化铬化合物）过渡层、CrN/TiAlSiYN交替层构成，所述CrN/TiAlSiYN交替层由CrN层、TiAlSiYN层依次交替沉积构成。CrN/TiAlSiYN交替层调制周期为50nm ，CrN层厚约31nm，TiAlSiYN层厚约19nm， Cr过渡层厚30nm、CrN（氮化铬化合物）过渡层厚80nm。所述TiAlSiYN层的组成组分按重量份计由30份的Ti，48份的Al，40份的N，3份的Si， 0.8份的Y组成。

采设备瑞士Oerlikon Balzers Domino.mini进行制备

制备方法：

a.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，这一步主要是为了提高涂层与基体之间的结合强度。

b.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7×10^-3Pa，冲入的气体为Ar（99.99%），基体偏压为60V，温度为250℃，清洗时间为20min。

c.沉积纯Cr过渡层：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100V，电流为130A，温度为220℃。

d.沉积CrN过渡层：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130A，基体偏压为60V，温度为220℃。

e.沉积交替层的第一层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130A，基体偏压为50V，温度为220℃。

f.沉积TiAlSiYN层：利用物理气相沉积法沉积TiAlSiYN层，只开启TiAlSiY靶，冲入N₂，沉积时间为15Ah，靶材电流为130A，基体偏压为60V，温度控制在250℃。

g.重复e、f步骤，最外层为TiAlSiYN涂层。

h.冷却：冷却一个小时，镀膜完成，关闭真空设备。

实施例3

本实施例所述纳米多层复合超硬刀具涂层，采用PVD沉积的方法在刀具基体上沉积2.7μm厚的涂层。刀具基体的按重量份数由92份WC粉末、8份Co粉末烧结而成。所述涂层由依次沉积在刀具基体材料上的Cr过渡层、CrN（氮化铬化合物）过渡层、CrN/TiAlSiYN交替层构成，所述CrN/TiAlSiYN交替层由CrN层、TiAlSiYN层依次交替沉积构成。CrN/TiAlSiYN交替层调制周期为39nm ，CrN层厚约24nm，TiAlSiYN层厚约15nm， Cr过渡层厚50nm、CrN（氮化铬化合物）过渡层厚50nm。所述TiAlSiYN层的组成组分按重量份计由35份的Ti，30份的Al，60份的N，5份的Si， 1份的Y组成。

制备方法：

a.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，这一步主要是为了提高涂层与基体之间的结合强度。

b.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5×10^-3Pa，冲入的气体为Ar（99.99%），基体偏压为120V，温度为240℃，清洗时间为20min。

c.沉积纯Cr过渡层：利用物理气相沉积法沉积纯Cr层，只开启Cr靶，沉积时间为18Ah，基体偏压为90V，电流为80A，温度为220℃。

d.沉积CrN过渡层：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120A，基体偏压为50V，温度为220℃。

e.沉积交替层的第一层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110A，基体偏压为50V，温度为220℃。

f.沉积TiAlSiYN层：利用物理气相沉积法沉积TiAlSiYN层，只开启TiAlSiY靶，冲入N₂，沉积时间为15Ah，靶材电流为150A，基体偏压为55V，温度控制在250℃。

g.重复e、f步骤，最外层为TiAlSiYN涂层。

h.冷却：冷却一个小时，镀膜完成，关闭真空设备。