本發明屬于金屬表面涂層技術領域，涉及一種采用多弧離子鍍技術沉積的納米復合鋯鋁鉬氮化物刀具涂層及其制備方法。
背景技術：
涂層刀具是將刀具基體與硬質薄膜表層接合，有效地保持并顯現了基體與涂層各自的優點，從而可以提高加工效率和加工精度，延長刀具使用壽命，降低生產成本，以及提高刀具表面抗氧化能力等；因此，極大地改善了刀具性能。據統計，80％以上的切削加工使用了涂層刀具，80％以上的硬質合金刀具及高性能高速鋼刀具是涂層刀具，數控機床上所用切削刀具的90％以上都采用了表面涂層技術。目前，刀具涂層技術已經成為提升制造業技術水平的關鍵因素之一。
氮化物通常具有很高的硬度和強度、低摩擦系數、好的抗氧化性能和熱穩定性、高抗熱震性能,在需要減少摩擦和磨損的領域如刀具、模具等行業將有著重要用途,尤其是過渡族金屬氮化物常被用作刀具表面強化材料,以提高基體材料的表面性能。開發可用于刀具表面強化的新材料以獲得更加優異的金屬切削刀具，一直是金屬切削工藝不變的目標。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種在硬質合金刀具表面涂覆了一層納米復合鋯鋁鉬氮化物的刀具涂層及其制備方法。本發明的具體技術方案如下所述。
本發明提供一種納米復合鋯鋁鉬氮化物刀具涂層，其配方為：鋯30～60at.％，鋁5～30at.％，鉬5～20at.％，氮20～50at.％。用本配方制成的鋯鋁硅氮化物涂層，其各成分含量之和應為100％。
上述涂層是在硬質合金基體上先沉積一層zr/zrn打底層，厚度為100～400納米；然后才沉積納米復合鋯鋁鉬氮化物涂層，厚度為2.8～3.4微米；涂層總厚度為2.9～3.8微米。
上述硬質合金基體可以為wc/co硬質合金刀具。
本發明還提供上述納米復合鋯鋁鉬氮化物涂層的制備方法，所述方法包括如下步驟：
(1)基體預處理工藝：將預鍍刀具放入盛有濃度為95％的酒精的超聲波清洗機中清洗5min，接著將取出的刀具烘干。
(2)沉積zr/zrn打底層：將清洗后的刀具均勻的固定在工件架上，裝入多弧離子鍍鍍膜機中，調節工件架轉速為10-165r/min。抽至本底真空5×10-4pa，通入ar氣調節腔體氣壓至0.1-0.5pa，同時打開加熱器升溫至350-450℃。對基體施加400-600v負偏壓，濺射基體600-800s,濺射功率5-7kw。隨后降低基體負偏壓至280-320v，通入n2，調節腔體氣壓至1-3pa，溫度升高至450-550℃。使鋯靶通電，功率固定為200w，沉積zr/zrn打底層600-800s。
(3)沉積納米復合鋯鋁鉬氮化物涂層：然后使鉬靶和鋁靶通電，通過調節鉬靶和鋁靶的功率沉積不同原子百分比含量的鋯鋁鉬氮化物涂層，沉積時間240-300min。沉積結束后使刀具隨爐冷卻至150℃以下取出。
本發明所使用的基底為wc/co硬質合金刀具，基體表面涂層為鋯鋁鉬氮化物硬質涂層。涂層顯微硬度達到33.6gpa，耐高溫氧化溫度可達1130℃。
本發明可通過改變涂層中各元素組分的含量調節涂層的顯微結構、硬度、摩擦系數和抗高溫氧化的性能，可以適應不同的切削環境和加工條件。
本發明的有益效果是：使用本發明所述涂層涂覆的刀具，切削速度和使用壽命可大幅度提高；通過調節涂層的顯微結構，可適用于各種不同的切削環境和加工條件。
附圖說明
圖1為本發明所述涂層的結構示意圖；
圖中，1為基體，2為zr/zrn打底層，3為納米復合鋯鋁鉬氮化物涂層。
具體實施方式
為了更好的說明本發明的技術方案，下面用具體實施例來進行進一步的說明。
實施例1
本實施例是在wc/co硬質合金刀具基體上沉積鋯鋁鉬氮化物涂層，涂層分為兩層，一層為zr/zrn打底層，厚度為100～400納米；一層為納米復合鋯鋁鉬氮化物涂層，厚度為2.8～3.4微米；涂層總厚度為2.9～3.8微米。
本發明所述涂層配方分別如下：
鋯30at.％，鋁16at.％，鉬18at.％，氮36at.％
鋯36at.％，鋁15at.％，鉬20at.％，氮29at.％
鋯42at.％，鋁30at.％，鉬5at.％，氮23at.％
鋯55at.％，鋁5at.％，鉬20at.％，氮20at.％
鋯60at.％，鋁5at.％，鉬5at.％，氮30at.％
鋯32at.％，鋁7at.％，鉬11at.％，氮50at.％
本實施例中納米復合鋯鋁鉻氮化物涂層的制備方法包括如下步驟：
(1)基體預處理工藝：將預鍍刀具放入盛有濃度為95％的酒精的超聲波清洗機中清洗5min，接著將取出的刀具烘干。
(2)沉積zr/zrn打底層：將清洗后的刀具均勻的固定在工件架上，裝入多弧離子鍍鍍膜機中，調節工件架轉速為10-165r/min。抽至本底真空5×10-4pa，通入ar氣調節腔體氣壓至0.1-0.5pa，同時打開加熱器升溫至350-450℃。對基體施加400-600v負偏壓，濺射基體600-800s,濺射功率5-7kw。隨后降低基體負偏壓至280-320v，通入n2，調節腔體氣壓至1-3pa，溫度升高至450-550℃。使鋯靶通電，功率固定為200w，沉積zr/zrn打底層600-800s。
(3)沉積納米復合鋯鋁鉬氮化物涂層：然后使鉬靶和鋁靶通電，通過調節鉬靶和鋁靶的功率沉積不同原子百分比含量的鋯鋁鉬氮化物涂層，沉積時間240-300min。沉積結束后使刀具隨爐冷卻至150℃以下取出。
實施例2
在yg8硬質合金立銑刀表面沉積本發明所述的納米復合鋯鋁鉬氮化物涂層，與在相同硬質合金立銑刀表面沉積氮化鋯硬質涂層以及未涂層刀具各取三支，進行耐磨性測試。耐磨性測試條件為：刀具為φ5mm4刃立銑刀,被切工件為4cr5mosiv(58hrc),干銑削,順銑,切削速度為350m/min，每齒切削量為0.05mm/z，徑向進給量為0.20mm，軸向進給量為2mm，加工長度為80m。
測試結果表明：用本發明所述的納米復合鋯鋁鉬氮化物涂覆的刀具刀面磨損值為0.12mm，涂覆氮化鋯涂層的刀具刀面磨損值為0.38mm，未涂層刀具刀面磨損值為0.86mm。本發明所述的納米復合鋯鋁鉬氮化物涂覆的刀具耐磨性被大幅提高。
實施例3
在m2高速鋼標準試片表面沉積本發明所述的納米復合鋯鋁鉬氮化物涂層，與在相同高速鋼試片表面沉積氮化鋯硬質涂層以及未涂層試片各取三片，拋光后用高溫摩擦磨損機進行室溫摩擦試驗，摩擦副為al2o3陶瓷磨球(直徑9.38mm)，摩擦形式為球-盤圓周摩擦，摩擦半徑為4mm，載荷為3n，相對轉速50r/min，摩擦時間為30min。
測試結果表明：用本發明所述的納米復合鋯鋁鉬氮化物涂覆的試片摩擦系數為0.33，涂覆氮化鋯涂層的試片摩擦系數為0.72，未涂層試片摩擦系數為1.02。本發明所述的納米復合鋯鋁鉬氮化物涂覆的試片摩擦系數大幅降低。