[发明专利]氮化铬铝钛复合涂层、沉积有该涂层的刀具及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化铬铝钛涂层硬质合金刀具及其制备方法，属于薄膜材料领域。

背景技术

随着切削不断向高速、高效、高精加工方向的发展，和越来越多的高强度、高韧性、难切削的高性能材料的涌现，以及硬加工、干切削等切削要求的日新月异，使得切削刀具材料难以满足日趋复杂的综合切削性能要求。若在材料的整体性能上去满足要求，不仅在资源的利用上极不经济，同时在材料技术方面也是高难度，甚至是难以达到的。考虑到切削刀具的失效是从表面开始的，就可通过材料表面改性技术来提高切削刀具的综合切削性能。

涂层材料硬度高，化学稳定性好，不易产生扩散磨损，摩擦系数小，因而切削力、切削温度较低，是提升刀具切削性能的有效手段。通过涂层提高了切削刀具抗各种磨损的能力，延长了刀具的寿命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和进给速度，从而提高了切削效率。

目前使用较多的工业化生产涂层主要有TiN、TiC、TiCN、CrN和TiAlN等涂层，TiN润湿性好，摩擦系数小，抗月牙洼磨损的能力优于TiC涂层，韧性也较好。但它抗氧化温度较低，硬度也不是太高。TiCN对钢的磨擦系数小，而且韧性比TiN好，涂层刀具耐用度可达TiN涂层刀具的2倍，但其耐热性比TiN更低。TiC涂层硬度高，耐磨性好，与基体粘结力强，抗机械磨损的性能强，但其性脆、膜层内部的内聚力相对较低，涂层刀片的韧性与抗弯强度较低。CrN硬度高、耐磨性好，但脆性比较大。TiAlN在高速切削中性能优异，它比TiN更能有效地用于连续高速车削，也适合于加工钛合金、镍合金不锈钢等工件。这种涂层因固溶硬化而有较好的硬度保持性，其抗氧化性能也比TiN和TiCN好。

实际生产中加工对象涉及到黑色金属、有色金属和各种复合材料、新材料，对切削刀具提出了越来越高的要求，因此，开发新型的、性能更优越、针对性更强的超硬纳米复合涂层材料，成为行业发展的必然趋势，也是亟待解决的问题。

目前工业发达国家涂层硬质合金刀具已占80％，其中CVD(化学涂层)又占了60％～65％，其余为PVD(物理涂层)，随着人们对环境保护意识的增强，清洁环保的PVD涂层越来越受到人们的青睐，近几年来PVD正处于高速发展阶段，究其原因可归纳为以下几方面：高速切削加工时代的到来为其发展带来了良好的契机；复合型材料不仅可大幅度提高资源的利用率，并且可使部件的功能有极大的拓展，因此也更为人们所接受。

国产涂层刀具大致只占全部刀具的20％，进入新世纪以来，国产数控机床开始大量进入制造领域。然而先进的数控机床，配不到先进的国产刀具，不得不配进口刀具。中国刀具工业单一化的产品结构，已不能满足制造业发展的需要，阻碍了制造业发展的步伐。

发明内容

本发明的目的在于弥补当前涂层刀具技术不足与局限，为加工行业提供一种PVD多层纳米晶-超晶格复合的氮化铬铝钛复合涂层、沉积有该涂层的刀具及制备方法。

实现本发明目的所采用的技术方案是：一种氮化铬铝钛复合涂层，至少包括粘结层、支撑层和主耐磨层，支撑层附着在粘结层上面，主耐磨层附着在支撑层上面，粘结层为Cr，支撑层为CrN，主耐磨层是由TiAlN层与CrTiAlN层交替构成的多层复合涂层。

一种沉积有上述氮化铬铝钛复合涂层的刀具，至少包括刀具基体，氮化铬铝钛复合涂层的粘结层沉积在刀具基体上。

本发明还提供了沉积有氮化铬铝钛复合涂层的刀具的制备方法，该方法具体包括以下步骤：将表面洁净的刀具基体装夹在工件架上进行辉光清洗；辉光清洗结束后，在Ar气环境、真空度1.5×10^-2～2.5×10^-2Pa、200～400℃、-600～-900V偏压条件下，打开多弧Cr靶在刀具基体上沉积Cr粘结层；然后在氮气环境、真空度1.5～3.0Pa、300～400℃、-100～-400V偏压条件下，在Cr粘结层上沉积CrN支撑层；在氮气环境下，真空度3.0～5.0Pa、300～400℃、偏压-50～-200V条件下，打开TiAl靶，在CrN支撑层上沉积主耐磨层，主耐磨层为TiAlN层与CrTiAlN层交替构成的多层复合涂层；沉积结束后，自然冷却，得到沉积有氮化铬铝钛复合涂层的刀具。

所述刀具基体为硬质合金刀具，工件架的公转速度为1～12转/分。

粘结层厚度为50～100纳米，支撑层厚度为100～500纳米，主耐磨层厚度为3～10微米。