一種多層結構的納米復合刀具涂層的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種刀具涂層及其制備方法，尤其涉及一種多層結構的納米復合刀具 涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 采用化學氣相沉積（CVD)或物理氣相沉積（PVD)方法在刀具表面涂覆一層硬質涂 層是提高材料表面性能的一種經濟實用的有效途徑。硬質涂層作為機械功能膜的一個重要 分支，在機械加工工具中應用很廣，特別是在金屬切削中占了主導地位。硬質涂層能改善材 料的表面性能，減少與工件的摩擦和磨損，有效的提高材料表面硬度、韌性、耐磨性和高溫 穩定性，大幅度提高涂層產品的使用壽命。
[0003] 近年來刀具涂層材料不斷升級更新，經歷了簡單二元涂層（TiN、TiC)-三元或 四元固溶涂層（TiAIN、TiCN、TiAlCN等）一多層或超晶格結構涂層（TiN/TiC/TiN多層、 TiAlN/TiN多層、TiN/AIN超晶格等）一納米復合結構涂層（TiSiN、TiAlSiN等）的發展，涂 層的硬度和最高使用溫度不斷提高。其中多層涂層是由兩種或兩種以上成分或結構不同的 材料在垂直于涂層表面方向上相互交替生長而形成的二維多層材料，對于兩種不同結構或 組成的多層涂層，每相鄰兩層形成一個基本單元，其厚度稱為調制周期。納米復合涂層為納 米的硬質氮化物晶粒彌散地分布在晶態或者非晶態的第二相基體中，主要為氮化物/非晶 相納米復合涂層（Me~Si~N，Me :過渡金屬元素及其組合或與A1等元素的組合，如Ti、 TiAl等）。Me~Si~N納米復合涂層通過在傳統的TiN和TiAIN等單相涂層中加入一定 含量的Si元素，發生熱力學上的調幅分解，生成由1~2個非晶原子層（Si 3N4)包覆納米晶 過渡金屬氮化物（TiN，TiAlN等）的骨架式納米復合結構，由于納米晶體的強化效應及非晶 層限制晶粒的滑移和轉動對納米晶晶界的強化作用，涂層表現出傳統硬質涂層難以達到的 高硬度，而且涂層高溫下的組織穩定性、熱硬性和抗氧化性等性能也大幅度提高。
[0004] 隨著高速加工技術及各類高性能難加工材料的發展，對金屬切削刀具性能提出了 越來越高的要求，不僅要求其具有較高的硬度、耐磨、耐沖擊性能，更要求其具有較高的耐 高溫性能，以滿足越來越高的工程需要。為適應于高速切削條件下對涂層性能的苛刻要求， 有必要設計并制備一種具有更高硬度和耐磨性的多層結構納米復合涂層刀具。
【發明內容】
[0005] 基于此，有必要提供一種高硬度和高耐磨性的多層結構的納米復合刀具涂層及其 制備方法。
[0006] -種多層結構的納米復合刀具涂層，包括依次沉積于刀具基體表面的CrN結合 層、AlTiN過渡層、AlTiN/TiSiN支撐層和TiSiN功能層；所述CrN結合層的厚度為0. 1~ 0. 5 y m ;所述AlTiN過渡層的厚度為0. 5~3 y m ;所述AlTiN/TiSiN支撐層為TiSiN和 AlTiN周期性交替沉積結構，每一周期TiSiN和AlTiN交替沉積厚度稱為調制周期且為 0. 1~1 y m，交替沉積次數為1~30次；所述TiSiN功能層厚度為0. 5~3 y m。
[0007] 在其中一個實施方式中，所述多層結構納米復合刀具涂層的涂層總厚度為1~ 10 u m〇
[0008] 在其中一個實施方式中，所述CrN結合層以原子百分比計，包括35 %~55 %的Cr 及35%~65%的N。
[0009] 在其中一個實施方式中，所述AlTiN過渡層以原子百分比計，包括15%~40%的 八1、10%~35%的打及30%~60%的叱
[0010] 在其中一個實施方式中，所述AlTiN/TiSiN支撐層的TiSiN膜以原子百分比計， 包括30%~55%的Ti、3%~12%的Si及30%~60%的N;所述AlTiN/TiSiN支撐層的 AlTiN膜以原子百分比計，包括15%~40%的Al、10%~35%的Ti及30%~60%的N。
[0011] 在其中一個實施方式中，所述TiSiN功能層以原子百分比計，包括30 %~55 %的 Ti、3%~12%的 Si 及 30%~60%的 N。
[0012] -種上述的多層結構的納米復合刀具涂層的制備方法，包括以下步驟：
[0013] 1)對刀具基體進行超聲波清洗并去除表面水分，隨后將刀具基體均勻裝夾在涂層 設備轉架上并入爐，調節轉架公轉速度轉速為2~8rpm，轉架自轉速度5-15rpm，真空室抽 至本底真空0.0 lPa以下，同時打開加熱器升溫至300~500°C ;
[0014] 2)對刀具基體的表面進行輝光清洗及Cr離子轟擊，以活化基體表面；
[0015] 3)在刀具基體的表面制備CrN結合層，所述CrN結合層的材料為CrN，厚度為 0. 1 ~0. 5 u m ;
[0016] 4)在所述CrN結合層的表面制備AlTiN過渡層，所述AlTiN過渡層的材料為 AlTiN，厚度為0? 5 ~3ym;
[0017] 5)在所述AlTiN過渡層的表面制備AlTiN/TiSiN支撐層，所述AlTiN/TiSiN支撐 層為TiSiN和AlTiN周期性交替沉積結構，每一周期TiSiN和AlTiN交替沉積厚度稱為調 制周期且為0. 1~1 y m，交替沉積次數為1~30次；
[0018] 6)在所述AlTiN/TiSiN支撐層的表面制備TiSiN功能層，所述TiSiN功能層的材 料為TiSiN，厚度為0. 5~3 y m;
[0019] 在其中一個實施方式中，進行輝光清洗和Cr離子轟擊時，通入氣體為Ar氣，爐腔 真空度為〇. 01~IPa，基體加負偏壓300~1000V，進行輝光清洗5~35min;然后調整基 體負偏壓至50~300V，開啟Cr靶，調整靶材電流為100~350A，以Cr離子高能轟擊基體 1~lOmin以活化基體表面；
[0020] 制備所述CrN結合層時，通入氣體為N2，調整鍍膜壓力為1~5Pa，刀具基體負偏 電壓為50V~300V，靶材電流為100~350A，靶材為Cr，沉積時間為1~15分鐘；
[0021] 制備所述AlTiN過渡層的條件為：靶材為AlTi，通入氣體為N2，調整鍍膜壓力為 1~5Pa，調整刀具基體負偏電壓為30V~200V，弧源電流200~400A，沉積時間為5~ 35min；
[0022] 制備所述AlTiN/TiSiN支撐層的TiSiN膜的條件為：靶材為TiSi，通入氣體為N2， 調整鍍膜壓力為1~5Pa，調整刀具基體負偏電壓為30V~200V，弧源電流為200~400A;
[0023] 制備所述AlTiN/TiSiN支撐層的AlTiN膜的條件為：靶材為AlTi，通入氣體為N 2， 鍍膜壓力為1~5Pa，調整刀具基體負偏電壓為30V~200V，弧源電流為200~400A;
[0024] 制備所述TiSiN功能層的條件為：靶材為TiSi，通入氣體為N 2，鍍膜溫度為200~ 400°C，鍍膜壓力為1~5Pa，調整刀具基體負偏電壓為30V~200V，弧源電流為200~400A。
[0025] 上述多層結構的納米復合刀具涂層以AlTiN作為AlTiN過渡層，以AlTiN與TiSiN 多層交替沉積結構形成AlTiN/TiSiN支撐層，AlTiN具有高達900°C的使用溫度和高韌性， 在高溫下可以形成阻止進一步氧化的氧化鋁薄膜，而TiSiN容易形成非晶Si 3N4包裹TiN 納米晶的納米復合結構，使多層結構的納米復合刀具涂層具有超高的硬度；這種交替的多 層結構的AlTiN/TiSiN支撐層不僅可以使多層結構的納米復合刀具涂層具有良好的抗裂 紋擴展性，還可以使多層結構的納米復合刀具涂層在高溫下保持較高的硬度和高的抗氧化 性。TiSiN功能層的材料為TiSiN，同樣是為了形成納米復合結構使多層結構的納米復合刀 具涂層具有超高的硬度和耐磨性。
【附圖說明】
[0026] 圖1為實施例3制備的多層結構的納米復合涂層透射電鏡TCM截面照片；
[0027] 圖2為實施例3制備的多層結構的納米復合涂層刀具與未涂層刀具以及單層 AlTiN涂層刀具后刀面磨損情況對比圖。
【具體實施方式】
[0028] 為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明 的【具體實施方式】做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發 明。但是本發明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不 違背本發明內涵的情況下做類似改進，因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。
[0029] -實施方式的多層結構的納米復合刀具涂層，包括依次沉積于刀具基體表面的 CrN結合層、AlTiN過渡層、AlTiN/TiSiN支撐層和TiSiN功能層；所述CrN結合層的厚度為 0. 1~0. 5 ym ;所述AlTiN過渡層的厚度為0. 5~3 ym ;所述AlTiN/TiSiN支撐層為TiSiN 和AlTiN周期性交替沉積結構，每一周期TiSiN和AlTiN交替沉積厚度稱為調制周期且為 0. 1~1 y m，交替沉積次數為1~30次；所述TiSiN功能層厚度為0. 5~3 y m。
[0030] 優選的，CrN結合層以原子百分比計，包括35 %~55 %的Cr及35 %~65 %的N。
[0031] 優選的，AlTiN過渡層以原子百分比計，包括15%~40%的A1、10%~35%的Ti 及30%~60%的N。
[0032] 優選的，AlTiN/TiSiN支撐層的AlTiN膜以原子百分比計，包括15 %~40 %的A1、 10%~35%的Ti及30%~60%的N ;所述AlTiN/TiSiN支撐層的TiSiN膜以原子百分比 計，包括30%~55%的Ti、3%~12%的Si及30%~60%的N。
[0033] 優選的，TiSiN功能層TiSiN層以原子百分比計，包括30%~55%的Ti、3%~ 12% 的 Si 及 30