一種氮硼鈦/氮硅鋁鈦納米復(fù)合多層涂層刀具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種氮硼鈦/氮硅鋁鈦納米復(fù)合多層涂層刀具，應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)，屬于機(jī)械切削刀具加工領(lǐng)域，本發(fā)明還提供了上述刀具的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著汽車、飛機(jī)制造，航空航天等現(xiàn)代加工制造業(yè)的不斷發(fā)展，高速高效切削成為加工制造業(yè)的主流技術(shù)。高速高效切削是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及機(jī)床、刀具和材料等諸多領(lǐng)域技術(shù)配合和技術(shù)創(chuàng)新。高速高效切削加工要獲得良好的應(yīng)用效果，必須是高性能的高速切削機(jī)床、與工件材料相適應(yīng)的刀具和基于特定加工對象的切削工藝的結(jié)合。而傳統(tǒng)刀具硬質(zhì)合金刀片高速銑削鋼件時，由于它在高溫下受到交變熱負(fù)荷的作用，刀具的最終破損表現(xiàn)為以下多種型式:(I)刀具脆性剝落；(2)在刀具前后面上產(chǎn)生與切削刃大致相互垂直的熱震梳狀裂紋；(3)刀具后隙面磨損；(4)刀刃產(chǎn)生大塊崩刃。因此導(dǎo)致其無法滿足高端制造業(yè)對先進(jìn)數(shù)控加工工藝的要求。
[0003]90年代發(fā)展起來的硬質(zhì)合金涂層刀具，集成了強(qiáng)度、韌性和硬度等優(yōu)勢，它的出現(xiàn)是刀具歷史上的一個重要里程碑。硬質(zhì)合金刀具是指在硬質(zhì)合金基體上，利用物理氣相沉積技術(shù)涂覆一層耐磨性好的功能涂層，涂層作為一個化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件之間的化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散，從而減少磨損，延長壽命。涂層后的刀具壽命一般可延長3?5倍，目前在一些發(fā)達(dá)國家，涂層刀具的使用量已經(jīng)達(dá)到總數(shù)的70%?80%。目前我國硬質(zhì)合金超硬涂層刀具產(chǎn)品已占刀具總產(chǎn)量的40 %以上，年產(chǎn)值300億人民幣以上，且每年仍以3?5%的速度遞增。
[0004]在涂層刀具的發(fā)展中，涂層結(jié)構(gòu)由最初的單元發(fā)展為多元，由最初的單層發(fā)展為多層，結(jié)構(gòu)性能隨著工業(yè)要求的提高而不斷更新?lián)Q代。納米晶復(fù)合多層涂層能兼顧單層涂層的一些性質(zhì)，擁有更加良好的機(jī)械性能，適合更高的機(jī)械加工切削刀具要求，同時也符合“綠色制造業(yè)”理念的要求，具有良好的市場前景和顯著的競爭力。
[0005]ZL200910044474.5公開了一種周期性沉積的多涂層刀具及其制備方法，該多涂層刀具涂層是以“TiN層到TiSiN層到TiAlSiN層到TiSiN層”為一個周期的多周期涂層。ZL200910099424.7申請了一種TiAlN?TiBN多層厚膜，該多層厚膜由磁控濺射的TiAlN層和電弧離子鍍的TiBN層交替沉積而成。此兩項(xiàng)專利技術(shù)所制備涂層雖然硬度較高，但是制備過程復(fù)雜，用于實(shí)際生產(chǎn)可操作性不高，沒有太大的工業(yè)化應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種氮硼鈦/氮硅鋁鈦納米復(fù)合多層涂層刀具，該涂層刀具具有較高的硬度、良好的耐磨性。
[0007]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采用的技術(shù)方案為:
[0008]—種氮硼鈦/氮硅鋁鈦納米復(fù)合多層涂層刀具，至少包括刀具基體，所述的刀具基體上由內(nèi)至外依次附著有過渡層和耐磨層，過渡層和耐磨層的總厚度為0. 5?4μπι，過渡層為TiN，過渡層厚度為100?200nm，耐磨層由TiBN層和TiAlSiN層交替復(fù)合構(gòu)成。
[0009]耐磨層中每層TiBN層+TiAlSiN層的厚度為5?10nm。
[0010]所述的刀具基體的材質(zhì)為工具鋼、高速鋼或硬質(zhì)合金。
[0011]所述的耐磨層包含有TiN納米晶，其中TiN納米晶的粒徑為3?10nm。
[0012]本發(fā)明中還提供了制備上述氮硼鈦/氮硅鋁鈦納米復(fù)合多層涂層刀具的方法，該制備過程簡單易行，極易于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0013]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采用的技術(shù)方案為：
[0014]—種制備上述氮硼鈦/氮硅鋁鈦納米復(fù)合多層涂層刀具的方法，包括以下步驟：一種制備權(quán)利要求1所述的氮硼鈦/氮硅鋁鈦納米復(fù)合多層涂層刀具的方法，包括以下步驟：（1)、將表面潔凈的刀具基體裝夾在工件架上，在300?500°C、1. 5?2. 5Pa氬氣環(huán)境、基體偏壓為一 600?一 800V、占空比80%條件下，采用氬等離子體對刀具基體進(jìn)行輝光清洗 30 ?90min ；
[0015](2)、輝光清洗結(jié)束后，在氮?dú)猸h(huán)境、氣壓為0.2?0.7Pa、一 100?一 250V偏壓條件下，打開Ti IE,靶電流50?150A，在刀具基體上沉積TiN過渡層；
[0016](3)、在氮?dú)猸h(huán)境、氣壓為1. 0?5. OPa、一 100?一 250V偏壓條件下，打開TiB2—和TiAlSi靶，靶電流50?150A，在過渡層上沉積耐磨層。
[0017]耐磨層中每層TiBN層+TiAlSiN層的厚度為5?10nm。
[0018]所述的刀具基體的材質(zhì)為工具鋼、高速鋼或硬質(zhì)合金。
[0019]步驟（2)和步驟（3)中，沉積過程中工件架轉(zhuǎn)速為2?4rpm。
[0020]本發(fā)明在進(jìn)行涂層之前先沉積一層過渡層，過渡層可以極大的提高涂層的附著力；然后在一定條件下沉積TiBN/TiAlSiN納米復(fù)合多層涂層，通過控制工件架轉(zhuǎn)速和氮?dú)鈿鈮?，來?shí)現(xiàn)多層復(fù)合薄膜調(diào)制周期的變化，以調(diào)節(jié)一個雙層周期的厚度。因此與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，與磁控濺射相比，本發(fā)明采用了陰極電弧離子鍍技術(shù)來制備涂層，由于離化率高使涂層具有較好的結(jié)合力和硬度，克服了磁控濺射法制備的涂層結(jié)合力較低的問題；第二，本發(fā)明得到的TiBN/TiAlSiN納米復(fù)合多層涂層為超晶格結(jié)構(gòu)，最高硬度值約比普通單元涂層平均硬度提升30%左右；第三，本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)與現(xiàn)行涂層設(shè)備相近，而且涂層設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，易控制，工業(yè)應(yīng)用前景良好。
[0021]本發(fā)明所制備TiBN/TiAlSiN納米復(fù)合多層涂層刀具有良好的結(jié)合力和耐磨、耐高溫性能，保證了刀具長期穩(wěn)定工作，使刀具機(jī)械性能大幅度提高，提高生產(chǎn)效率，降低廠家的生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明所提供的氮硼鈦/氮硅鋁鈦納米復(fù)合多層涂層刀具的制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明所提供的TiBN/TiAlSiN涂層截面形貌圖；
[0024]圖中：1-爐門，2-真空室，3-TiB2靶，4-TiAlSi靶，5_抽真空系統(tǒng)，6_工件架，7-十字交叉擋板，8-Ti靶。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)具體的說明，但是本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容不局限于以下實(shí)施例。
[0026]本發(fā)明所提供的下列實(shí)施例中用來制備氮硼鈦/氮硅鋁鈦納米復(fù)合多層涂層刀具的裝置如圖1所示，該裝置的真空室2由爐壁圍成，真空室2高度為1000mm，直徑為900_。真空室側(cè)面設(shè)有爐門1，以方便工件的裝卸。真空室設(shè)有抽真空系統(tǒng)5，抽真空機(jī)組通過抽真空口對真空室進(jìn)行抽真空，極限真空可達(dá)到5X10 4Pa。兩個電弧源TiBjE 3和TiAlSi靶4分兩邊對稱安裝在爐壁上，Ti靶8安裝在爐門1內(nèi)壁，樣品裝在工件架6上，工件架6上設(shè)置有十字交叉擋板7，工件架6的下方設(shè)置有轉(zhuǎn)動裝置，用于帶動工件架轉(zhuǎn)動。該布局使真空室中等離子體密度大幅度增加，工件完全浸沒在等離子體中。使沉積速率、硬度、附著力得到較大提高。
[0027]實(shí)施例1
[0028]本實(shí)施例中所提供的氮硼鈦/氮硅鋁鈦納米復(fù)合多層涂層刀具的制備方法如下:
[0029]首先，將刀具清洗干凈，裝夾在工件架上，在300°C、氬氣環(huán)境下，對高速鋼、硬質(zhì)