一種多層納米復合刀具涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及涂層技術領域，更具體地，涉及一種多層納米復合刀具涂層及其制備 方法。
【背景技術】
[0002] 隨著高強度鋼、高溫合金以及高強度復合材料等難加工材料使用量的急劇增加以 及高速切削、干式切削和微潤滑切削工藝的大量使用，對切削刀具提出了更高的要求。涂 層刀具的出現，使刀具切削性能有了重大突破，它將刀具基體與硬質薄膜表層相結合，由于 基體保持了良好的韌性和較高的強度，而硬質薄膜表層又具有高耐磨性和低摩擦系數的特 點，使刀具的性能得到大大提高。納米復合結構涂層是新一代高速切削涂層的代表，由尺寸 小于10nm的氮化物納米顆粒(如nc-TiN)鑲嵌在很薄的非晶基體(如a-Si3N4)中，納米晶具 有比較高的硬度，非晶相具有高的結構彈性，兩相界面有高的內聚能，因此，這種涂層具有 超高硬度（> 40GPa)、高韌性、優異的高溫穩定性和熱硬性（> 1000°〇、高的抗氧化性等， 適應于高速加工難加工材料對刀具涂層的高硬度、高韌性、高耐磨性和高溫性能的要求。難 加工材料的高速切削加工中，刃口溫度超過l〇〇〇°C，刀具涂層的氧化及裂紋擴展從涂層的 表面開始，刀具涂層結構設計中如果添加一種具有低摩擦系數及抗高溫氧化特性的表面層 會大大減少涂層的磨損，從而提高其壽命。
[0003] 專利號為201410170158. 3的中國專利公開了一種TiZrAlSiON納米復合涂層刀 具，所述刀具包括硬質合金刀具本體及本體上涂鍍的TiZrAlSiON納米復合涂層，該涂層包 括Zr金屬打底層、氮化物過渡層和TiZrAlSiON納米功能層，涂鍍該涂層的刀具硬度約為 35GPa，0. 3的摩擦系數和大于50N的附著力，但抗氧化能力不足。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是克服現有涂層刀具中所存在的摩擦系數高、抗氧化 性能差、不耐高溫的缺陷，提供一種多層納米復合刀具涂層，該涂層具有硬度高、摩擦系數 低、結合強度高、高溫穩定性好的優點，并且在高于1000°c時仍具有優秀的抗氧化性能。
[0005] 本發明的第二個目的是提供含有上述涂層的刀具，所述刀具適用于高速條件下的 高硬度鋼材料的切削加工。
[0006] 本發明的第三個目的是提供上述刀具的制備方法。
[0007] 本發明的目的是通過以下技術方案予以實現的： 一種多層納米復合刀具涂層，包括從內到外沉積于刀具本體表面的Ti金屬結合層、TiZrAlSiCN主作用層和A1203表面抗氧化層。
[0008] 優選地，所述Ti金屬結合層的厚度為100~200nm;所述TiZrAlSiCN主作用層 的厚度為1000~3000nm;所述A1203表面抗氧化層的厚度為400~600nm〇
[0009] 所述TiZrAlSiCN主作用層為納米復合結構，即納米晶（Ti，Zr，Al)N鑲嵌于非晶 A1203,非晶C及非晶Si3N4 基體中（nc- (Ti，Zr，Al)N/a_Al203，a-C，a-Si3N4)，納米晶顆 粒的大小介于3~15nm之間，納米晶非晶的界面層厚度位于0? 1~2nm之間。
[0010] 本發明所述多層納米復合涂層包括三層結構，所述Ti金屬結合層由助于提高刀 具本體和涂層的結合力；所述TiZrAlSiCN主作用層為納米復合結構，它具有比TiZrAlSiON 納米復合涂層更低的摩擦系數、更高的硬度強度；所述的A1203表面抗氧化層進一步提高涂 層的在高溫下的抗氧化能力。
[0011] 優選地，所述TiZrAlSiCN主作用層的原子百分比如下：24~32at. %Ti、12~22 at. %Zr、8 ~14at. %Al、3 ~12at. %Si、4 ~5at. %C、38 ~42at. %N。
[0012] 作為一種優選的技術方案，本發明所述刀具涂層還包括位于Ti金屬結合層和 TiZrAlSiCN主作用層之間的梯度結構TiAIN緩沖層；即從Ti金屬結合層向TiZrAlSiCN主 作用層，所述梯度結構TiAIN緩沖層中A1元素的含量逐漸增多，Ti含量逐漸減小；該梯度 緩沖層可以有效減小刀具涂層的內應力，使得涂層有較好的韌性，從而進一步提高刀具涂 層的性能。
[0013] 優選地，所述梯度結構TiAIN緩沖層的厚度為300~500nm。
[0014] 優選地，所述梯度結構TiAIN緩沖層中A1原子百分比為10~33at. % ;Ti原子百 分比為50~27at. %。
[0015] 提供含有上述任意一種涂層的刀具，所述刀具適用于高速條件下的高硬度鋼材料 的切削加工。
[0016] 本發明所述復合涂層相互的作用機理為：在實際干式高速銑削難加工材料如淬硬 鋼過程中，切削刃口的溫度常高于l〇〇〇°C，因而導致刀具氧化磨損嚴重而失效。現代先進刀 具涂層技術的發展要求涂層具有多功能性，即涂層具有較好的熱硬性、硬度性、耐磨性及與 工件低的粘附反應、高抗氧化性。而A1203薄膜在難加工材料的高速加工過程中具有良好的 抗高溫特性，但氧化鋁薄膜硬度較低。發明者經過大量的研宄發現，結合TiZrAlSiCN主作 用層高硬度及A1203涂層抗氧化性的涂層在高速銑削難加工材料中具有重要的作用。其主 要優勢主要體現在：（1)表面層可明顯加快能量擴散，減少高溫摩擦熵生成，降低涂層高溫 下的摩擦系數，降低高速切削力和切削溫度。（2)表面層具有高的化學穩定性，會降低刀具 和工件的粘附反應，提高涂層的耐磨性能。（3)表面層結合TiZrAlSiCN主作用層會大幅度 降低熱導效率，提供硬度及結合力，從而大幅度提高刀具的使用壽命。（4)同時該復合多層 由于是納米復合結構，促進點缺陷和位錯的迀移，促進A1元素的向外擴散，切削高溫時的 擴散效應越明顯，促進新的A1203涂層生成。
[0017] 提供上述刀具的制備方法，采用當今刀具涂層廣泛采用的物理氣相沉積（PVD)技 術(磁控濺射和陰極弧電弧離子鍍）制備，具有重要的應用推廣價值。
[0018] 上述刀具的制備方法包括以下步驟： 51. 對刀具進行輝光清洗后，開啟金屬Ti電弧靶，沉積Ti金屬結合層； 52. 開啟Ti金屬，Zr金屬以及TiSi合金電弧靶，并同時打開A1濺射靶，通入NjPC2H2 在TiAIN緩沖層上沉積TiZrAlSiCN主作用層； 53. 開啟A1濺射祀，通入〇2，在TiZrAlSiCN納米復合結構主作用層上沉積A1203表面 抗氧化層。
[0019]優選地，S1所述輝光清洗的條件為：當真空室的本底真空度為:T1(T3~ 3'10_2Pa時，通入Ar氣并控制氣壓在f10_2~：T10 ―1Pa，基片溫度400~500 〇C，負偏 壓-900~-1400V，開啟陽極層離子源電壓在800~900V，電流強度在3~8A，轟擊時間 15 ~40min〇
[0020] 所述沉積Ti金屬結合層的操作為：輝光清洗后，真空調節為0. 3~1. 8Pa，打開 電弧離子鍍金屬Ti靶，偏壓保持在-600~-900V，對基體轟擊10~35min，獲得Ti金屬結 合層，厚度為100~200nm〇
[0021] S2所述沉積TiZrAlSiCN主作用層的操作為：開啟Ti金屬靶、Zr金屬靶和TiSi合 金靶，控制電弧電壓20~60V，電弧電流60~90A;同時開啟中頻磁控濺射A1靶，控制靶電 流在10~15A，電壓300~500V，占空比60~80% ;調節控制Ar氣，C2H2，N2氣通入，氣體流 量比例1 :2 :2~1 :2 :4,真空度為0.6~1.6Pa，負偏壓-50~-120V，占空比40~80%， 襯底溫度300~380°C，基片轉速3~5rpm，制備TiZrAlSiCN納米復合主作用層，沉積時間 60~150min，厚度為1000~3000nm。
[0022] S3所述沉積A1203表面抗氧化層的操作為：開啟中頻磁控濺射A1靶，控制濺射靶 電壓300~500V，電流5~20A，負偏壓-40~-90V，占空比30~80%，襯底溫度400~ 500°C，調節控制Ar和02氣通入，真空度為0. 4~1. 2Pa，Ar:02比例在3 :1~1 :2,制備A1203 表面抗氧化功能層，沉積時間30~lOOmin，厚度400~600nm。
[0023] 提供上述刀具的另一種制備方法，即在S1和S2之間，還包括在Ti金屬