專利名稱：一種納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物刀具涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用物理氣相沉積技術(shù)涂覆的納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物刀具涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
刀具涂層是采用物理或化學(xué)的氣相沉積方法在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金、高速 鋼或陶瓷刀片基體表面上鍍覆一層幾個微米的高硬度，高耐磨性的金屬或非金屬的化合物 涂層而獲得的。以減少刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，保護(hù)刀具基體材料，提高刀具的耐 磨性和切削硬度。自涂層刀具問世以來，刀具涂層技術(shù)取得了飛快的發(fā)展，涂層種類也越來越多。早 期利用物理氣相沉積技術(shù)制備的硬質(zhì)涂層材料，通常是簡單的TiN、TiC涂層，具有較高的 抗機(jī)械磨損、抗磨料磨損性能和較低的摩擦系數(shù)，但涂層的高溫抗氧化性較低，不能適用于 高速加工或干切削的條件。為了進(jìn)一步提高刀具的高溫性能，目前有在TiN涂層中添加Cr、 Al等元素形成多組元的多元涂層，如TiCrN、TiAlN涂層，顯微硬度達(dá)到HV 3000，具有比 TiN, TiCN涂層更高的抗機(jī)械磨損、抗磨料磨損性能，且涂層的應(yīng)用溫度也提高到800°C以 上。目前廣泛應(yīng)用的TiCrN、TiAlN硬質(zhì)合金涂層刀具，雖然有效地提高了刀具的抗機(jī) 械磨損和高溫抗氧化性能，仍不能滿足現(xiàn)代高速加工對刀具更好性能的要求

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在硬質(zhì)合金刀具表面涂覆納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物 刀具涂層及其制備方法。本發(fā)明提供的一種納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物刀具涂層，所述的涂層按原子百分比 計(jì)配比如下鈦25 45at. %，鉻5 20at. %，鋁5 20at. %，硅5 15at. %，氮30 40at. % ；所述鈦鉻鋁硅氧化物刀具涂層的厚度為1 4微米。本發(fā)明還提供一種納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物刀具涂層的制備方法，所述刀具涂層 制備的步驟為將經(jīng)預(yù)處理后的未涂層刀具均勻固定在支架上，間距大于等于10mm，裝入 物理氣相鍍膜機(jī)中，調(diào)節(jié)工件支架轉(zhuǎn)速為10 20rpm，抽至本底真空2. 5 3. OX 10_3Pa， 同時打開加熱器，升溫至300 500°C ；打開Ar氣流量閥，調(diào)節(jié)真空室約為0. 3 0. 4Pa, 基體加負(fù)偏電壓290 310V，進(jìn)行輝光濺射清洗9 llmin，濺射功率7kw ；隨后開啟極離 子槍，以Ti離子高能轟擊基體3 5分鐘以活化基體表面；然后降低基體偏電壓至200 260V，同時打開N2氣流量閥，在流量200 300sccm、溫度400 500°C、工作壓力0. 7 0. 9Pa條件下，沉積TiN過渡層9 Ilmin ；根據(jù)通入反應(yīng)氣體N2，沉積鈦鉻鋁硅氮化物刀具 涂層，沉積時間保持在100 120min ；完成鍍膜后，刀具隨爐降溫至170°C后取出常溫冷卻 即可。
本發(fā)明使用的刀具基體為WC/Co硬質(zhì)合金，刀具基體表面涂層為鈦鉻鋁硅氮化物 硬質(zhì)涂層材料。刀具基體為WC/Co硬質(zhì)合金，涂層包含有過渡層的納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化 物涂層，其中含有鈦、鉻、鋁、硅和氮元素，晶粒大小在5 15nm，涂層厚度1 4 μ m，涂層顯 微硬度30Gpa，高溫穩(wěn)定性達(dá)到1022°C以上。本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀具基體為高韌性K類硬質(zhì)合金，WC的平均晶粒度為0. 3 1 微米； 本發(fā)明是在WC/Co硬質(zhì)合金刀具基體表面采用物理氣相沉積技術(shù)涂鍍一層 鈦/氮 化鈦過渡層，然后再涂鍍一層鈦鉻鋁硅氮化物涂層材料，其中過渡層的厚度0. 1 0.5微 米，鈦鉻鋁硅氧化物涂層的厚度為1 4微米。其涂層配方如下鈦25 45at. %，鉻5 20at. %，鋁 5 20at. %，硅 5 15at. %，氮 30 40at. %用本配方制成的鈦鉻鋁硅氮化物涂層，其各成分總和應(yīng)為IOOat. %。本發(fā)明可以通過改變涂層中的鉻、鋁和硅含量調(diào)節(jié)涂層的顯微結(jié)構(gòu)、顯微硬度和 抗高溫氧化的性能，以適應(yīng)不同的加工對象和切削條件。本發(fā)明涉及的刀具基體預(yù)處理工藝為未涂層刀具經(jīng)過金屬清洗液超聲波清洗、 去離子水漂洗、酒精超聲清洗，丙酮脫水。本發(fā)明的有益效果是使用本發(fā)明制成的刀具，其抗機(jī)械磨損性能和抗磨料磨損性能均有大幅度提高， 可以滿足現(xiàn)代化工業(yè)對合金刀具更好性能的需求，有巨大的市場潛力和切實(shí)的使用價值。


圖1涂層結(jié)構(gòu)意義圖。其中，1-硬質(zhì)合金刀具基體，2-鈦/氮化鈦過渡層，3-復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物涂層材 料。圖2涂層X射線衍射圖。圖3涂層高溫抗氧化性分析。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是在WC/Co硬質(zhì)合金刀具基體表面采用物理氣相沉積技術(shù)涂鍍一層鈦/氮 化鈦過渡層，然后再涂鍍一層鈦鉻鋁硅氮化物涂層材料，其中過渡層的厚度0. 1 0.5微 米，鈦鉻鋁硅氧化物涂層的厚度為1 4微米。其涂層配方分別如下鈦40at. %，鉻 IOat. %，鋁 IOat. %，硅 5at. %，氮 35at. % ；鈦25at. %，鉻 20at. %，鋁 20at. %，硅 5at. %，氮 30at. % ；鈦30at. %，鉻 15at. %，鋁 15at. %，硅 IOat. %，氮 30at. % ；鈦45at. %，鉻 5at. %，鋁 5at. %，硅 5at. %，氮 40at. % ；鈦25at. %，鉻 IOat. %，鋁 IOat. %，硅 15at. %，氮 40at. % ；鈦40at. %，鉻 20at. %，鋁 5at. %，硅 5at. %，氮 30at. % ；本發(fā)明涉及的刀具基體預(yù)處理工藝為未涂層刀具經(jīng)過金屬清洗液超聲波清洗、 去離子水漂洗、酒精超聲清洗，丙酮脫水。
本發(fā)明的鍍膜步驟為將經(jīng)預(yù)處理后的未涂層刀具均勻固定在支架上，間距為 IOmm,裝入鍍膜機(jī)中，調(diào)節(jié)工件支架轉(zhuǎn)速為lOrpm，抽至本底真空3. O X 10_3Pa，同時打開加 熱器，升溫至400°C，打開Ar氣流量閥，調(diào)節(jié)真空室約為0. 3Pa,基體加負(fù)偏電壓300V，進(jìn)行 輝光濺射清洗lOmin，濺射功率7kw ；隨后開啟極離子槍，以Ti離子高能轟擊基體4分鐘； 然后降低基體偏電壓至200V，同時打開N2氣流量閥，在流量200SCCm、溫度400°C、工作壓 力0. 7Pa條件下，沉積TiN過渡層IOmin ；根據(jù)通入反應(yīng)氣體N2,沉積涂層，沉積時間保持在 IOOmin ；完成鍍膜后，刀具隨爐降溫至170°C后取出常溫冷卻即可。在K30硬質(zhì)合金立銑刀表面，制備的鈦鉻鋁硅氮化物涂層立銑刀，刀具表面涂層 厚度為2 3微米，含有鈦/氮化鈦的過渡層0. 1 0. 5微米，與在相同硬質(zhì)合金立銑刀 表面沉積的氮化鈦涂層立銑刀和無涂層的硬質(zhì)合金立 銑刀在高速切削淬硬鋼的壽命對 比實(shí)驗(yàn)，每種刀具各取5支，平均壽命分別為無涂層刀具切削9. 2m，氮化鈦涂層刀具切 削23. lm，納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物涂層刀具(其涂層配方鈦40at. %，鉻IOat. %，鋁 IOat. %，硅5at. %，氮35at. % )切削58. 4m。其切削條件為工件材料:DIN 1. 2311 (HRC 52)，切削速度200m/min，進(jìn)給率0. 02mm/tooth，切深0. 1mm，切寬2mm，干銑，順銑。
權(quán)利要求
一種納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物刀具涂層，其特征在于所述的涂層按原子百分比計(jì)配比如下鈦25～45at.％，鉻5～20at.％，鋁5～20at.％，硅5～15at.％，氮30～40at.％；所述鈦鉻鋁硅氧化物刀具涂層的厚度為1～4微米。
2.—種權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物刀具涂層的制備方法，其特征在于 所述刀具涂層制備的步驟為將經(jīng)預(yù)處理后的未涂層刀具均勻固定在支架上，間距大于等 于10mm，裝入物理氣相鍍膜機(jī)中，調(diào)節(jié)工件支架轉(zhuǎn)速為10 20rpm，抽至本底真空2. 5 3.0X10-3Pa,同時打開加熱器，升溫至300 500°C ；打開Ar氣流量閥，調(diào)節(jié)真空室約為 0. 3 0. 4Pa，基體加負(fù)偏電壓290 310V，進(jìn)行輝光濺射清洗9 llmin，濺射功率7kw ； 隨后開啟極離子槍，以Ti離子高能轟擊基體3 5分鐘以活化基體表面；然后降低基體偏 電壓至200 260V，同時打開隊(duì)氣流量閥，在流量200 300sccm、溫度400 500°C、工作 壓力0. 7 0. 9Pa條件下，沉積TiN過渡層9 llmin ；根據(jù)通入反應(yīng)氣體N2，沉積鈦鉻鋁 硅氮化物刀具涂層，沉積時間保持在100 120min ；完成鍍膜后，刀具隨爐降溫至170°C后 取出常溫冷卻即可。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物刀具涂層及其制備方法，刀具基體為WC/Co硬質(zhì)合金，涂層包含有過渡層的納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物涂層，其中含有鈦、鉻、鋁、硅和氮元素，晶粒大小在5～15nm，涂層厚度1～4μm，涂層顯微硬度30GPa，高溫穩(wěn)定性達(dá)到1022℃以上；本發(fā)明的納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物涂層刀具采用離子鍍與濺射鍍相結(jié)合的方式制備的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層刀具，適用于高速條件下的高硬度鋼材料切削加工。
文檔編號C23C14/34GK101831615SQ20101017623
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者余東海, 匡同春, 張鳳林, 成曉玲, 王成勇 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)