一種超硬納微米多層復合涂層及其制備方法
【專利說明】
[技術領域]
[0001]本發明涉及金屬加工刃具的表面改性領域，具體地說是一種超硬納微米多層復合涂層及其制備方法。
[【背景技術】]
[0002]物理氣相沉積(Physical Vapor Deposit1n，簡稱PVD)制備硬質、超硬涂層已被廣泛的應用于刃具、模具等領域，尤其對于金屬切削加工刀具而言，在表面制備超硬耐磨涂層不僅可以提高刀具的使用壽命，也有利于提高金屬切削的表面性能。近年來發展的硬質涂層主要為氮化物涂層，如 TiN、CrN、(Ti, A1)N、TiCN、TiSiCN、TiSiCoN、TiAlSiCN、ZrAIN、TiSiN和CrAlSiN等。這些涂層賦予了刀具表面更高的硬度、良好的高溫穩定性、抗腐蝕以及耐磨損等性能。不同的涂層材料與基體材料的性質各不相同，因此涂層材料與基體的結合力也不同。多層涂層結構有助于提高界面結合力，提高涂層的綜合性能。
[0003]公開號CN104862652A公布了一種TiAlSiN超硬梯度涂層的制備方法，該梯度涂層彈性模量可達340GPa，耐高溫氧化溫度可達1200°C，能夠實現對HRC60以上的淬火鋼高速切削加工。公開號CN104593737A公布了一種高硅超硬PVD涂層制備工藝，該工藝制備硅含量高達20%的TiAlSiN四元涂層，表面摩擦系數< 0.35，涂層硬度> HV3800，利用TiAlSiN涂層高硬度、耐高溫氧化等特點。若能結合TiN涂層與基體結合力好及TiCN涂層致密性高等優點，制備TiAlSiN/TiCN/TiN超硬納微米多層復合涂層，對于涂層性能的提高具有極其重要的意義。
[
【發明內容】
]
[0004]本發明的目的就是要解決上述的不足而提供一種超硬納微米多層復合涂層及其制備方法，其多層化、梯度化的涂層結構設計，不僅可以緩和基體與涂層之間的應力，使其獲得良好的結合力，而且能夠提高刀具的韌性、耐磨性及高溫穩定性。
[0005]為實現上述目的設計一種超硬納微米多層復合涂層，所述多層復合涂層由TiAlSiN層、TiCN層、TiN層構成，所述TiAlSiN層為最外層，所述TiCN層為中間層，所述TiN層為最里層，所述TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的涂層厚度逐漸減小，所述TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的厚度呈梯度分布。
[0006]所述TiAlSiN層的厚度為1.5-1.7um，所述TiCN層的厚度為0.8-1.2um，所述TiN層的厚度為0.2-0.6um。
[0007]所述TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的涂層基體為WC_Co硬質合金，所述基體硬度為HRA91.5-92.5。
[0008]用于沉積所述TiAlSiN層、TiCN層、TiN層所用的靶材分別為Ti靶、AlTi靶和TiSi靶，所述Ti靶的純度為99.999%,所述AlTi靶中A1與Ti的質量比為70:30，所述TiSi革巴中Ti與Si的質量比為80:20。
[0009]該超硬納微米多層復合涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0010]a.基體表面的預處理:
[0011]將基體放入噴砂機中進行噴砂處理，噴砂距離為100-200mm，噴砂方向與基體法線成20-30°，噴砂結束后，將基體裝夾于超聲波清洗機中進行超聲清洗30-45min，烘干后將基體裝入涂層真空室進行等離子清洗，Ar氣流量為200SCCm，基體偏壓為450V，清洗時間為15_20min ；
[0012]b.多層復合涂層的制備:
[0013]l)TiN層的制備:真空爐腔梯度加熱升溫至400-450 °C，真空度為0.005-0.008mbar, Ti靶通電，通電電流為120-160A，基體偏壓為100-120V，N2流量為150_180sccm，沉積時間為 10_15min ；
[0014]2)TiCN層的制備:爐腔真空度、溫度及氣體總流量不變，同時向真空爐中通入C2H2氣體，初始流量為20SCCm，隨后C2H2氣體流量梯度升高到65-80SCCm，&流量梯度減少到55-80sccm，Ti靶通電電流為120-160A，基體偏壓為130-150V，沉積時間為30_40min ；
[0015]3)TiAlSiN層的制備:爐腔溫度降至380_420°C，停止向真空爐腔中通入C2H2氣體，真空度升至0.040-0.060mbar，N2流量為200-240sccm，Ti靶斷電，AlTi靶、TiSi靶同時通電，通電電流分別為140-160A、120-140A，基體偏壓為70-90V，沉積時間為60min。
[0016]本發明同現有技術相比，具有如下優點:
[0017](1)其多層化、梯度化的涂層結構設計，不僅可以緩和基體與涂層之間的應力，使其獲得良好的結合力，而且能夠提高刀具的韌性、耐磨性及高溫穩定性；
[0018](2)采用相對較軟的TiN做打底層，相比較其他涂層而言，TiN涂層與基體具有較好的結合力，因此可以保證涂層與基體良好的結合力，而TiCN涂層綜合了 TiN附著強度好、硬度高和TiC耐磨性好、韌度高等優點；
[0019](3)采用TiCN作為中間層，可以有效緩解涂層之間由于彈性模量等物理性質不匹配導致的涂層結合力不足等矛盾，提高層間結合力；
[0020](4)新一代的超硬涂層TiAlSiN，20% Si元素的摻雜賦予了涂層超高的硬度、耐磨性及高溫穩定性，進一步延長了金屬刃具的使用壽命，該TiAlSiN涂層的表面摩擦系數為
0.35，其摩擦系數低于未涂層硬質合金切削金屬時的摩擦系數，經切削加工試驗表明，涂層刀具相比較于未涂層刀具具有較小的切削力；
[0021](5)該工藝克服了以往超硬涂層材料與基體結合力差的缺點的同時，進一步提高了涂層的硬度、高溫穩定性及結合力；
[0022](6)該涂層是由陰極電弧離子鍍沉積而成，陰極電弧離子鍍具有離化率高、繞鍍性強及沉積溫度低等特點，相比其它方法制備的涂層具有更加優異的性能。
[【附圖說明】]
[0023]圖1是本發明的斷面結構示意圖；
[0024]圖2是本發明實施例中對涂層硬質合金刀具及未涂層硬質合金刀具的切削力大小比較圖；
[0025]圖中:1、TiAlSiN層 2、TiCN 層 3、TiN 層。
[【具體實施方式】]
[0026]下面結合具體實施例對本發明作以下進一步說明:
[0027]本發明提供了一種超硬納微米多層復合涂層，該多層復合涂層由TiAlSiN層、TiCN層、TiN層構成，TiAlSiN層為最外層，TiCN層為中間層，TiN層為最里層，TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的涂層厚度逐漸減小，TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的厚度呈梯度分布；其中，TiAlSiN層的厚度為1.5-1.7um，TiCN層的厚度為0.8-1.2um，TiN層的厚度為0.2-0.6um ；TiAlSiN層、TiCN層、TiN層的涂層基體為WC-Co硬質合金，基體硬度為HRA91.5-92.5 ;用于沉積TiAlSiN層、TiCN層、TiN層所用的靶材分別為Ti靶、AlTi靶和TiSi靶，Ti靶的純度為99.999%,AlTi靶中A1與Ti的質量比為70:30,TiSi靶中Ti與Si的質量比為80:20。
[0028]