[发明专利]高速钢切削刀具表面Zr/MaN复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于工模具表面硬质涂层及其制备技术领域，具体涉及一种高速钢切削刀具表面Zr/MaN复合涂层及其制备方法。

背景技术

表面涂层技术是现代切削刀具新的应用技术中的一种，其通过化学或物理的方法在刀具表面上获得的微纳米级薄膜，具有硬度高、润滑性好、抗氧化性能优异等特点，可使切削刀具获得优良的综合机械性能，有效地延长刀具使用寿命、改善刀具切削性能、提高机械加工效率。TiN是最早应用于保护刀具的一种薄膜，具有较高的硬度、润滑性及通用性，是一种理想的低速切削刀具用薄膜材料。

然而，随着现代加工技术的发展，特别是在高速切削、干式切削以及重切削等切削加工条件下，TiN等二元涂层刀具已难以满足应用要求，于是人们在二元薄膜的基础上对其进行合金化，研发了（Ti,Ma）N三元薄膜，并大幅度提高涂层刀具的性能。Al、Cr作为进行合金化的常用元素，它们可以替代TiN晶格中Ti原子的位置，使晶格发生畸变，从而产生了内应力，使薄膜得到强化。此外，在TiN晶格中加入Al、Cr原子，可产生位错钉扎作用，阻碍位错的运动，从而形成位错增殖与塞积，也使薄膜得到强化。此外，Al元素在大于700℃的高温条件下，可与氧结合，在薄膜表面形成一层致密的Al₂O₃保护膜，可有效的阻止氧原子向薄膜组织内部的扩散，从而提高涂层刀具的抗高温氧化性能，达到延长使用寿命的目的。因此，TiAlN薄膜被广泛应用于机械加工领域中的工模具的涂层以及重要零部件的涂层。

目前，国内外文献报道的物理气相沉积（PVD）制备TiAlN薄膜普遍采用的是阴极电弧和磁控溅射方法（Rauch JY,  Rousselot C,  Martin N. Structure and Composition of  TixAl1-xN thin Films Sputter Deposition Using a Composite Metallic Target [J].   Surf.Coat.Technol., 2002,157: 1382143；《刀具涂层技术的最新发展状况》成都工具研究所有限公司——李洪林等）。阴极电弧方法虽具有离化率高、沉积速度快、结合力好等特点，但其存在“液滴”现象，所获得的薄膜组织比较粗大；此外，对多元合金涂层还存在成分偏离的问题，所获得的组织结构往往是不均匀。普通磁控溅射技术与阴极电弧相比，其制备的膜虽具有组织较为致密，无大颗粒，薄膜质量好的特点，但却存在离化率低、结合力差的问题。究其原因，是因为普通磁控溅射方法能量低，溅射所形成的离化率低，故而导致TiAlN薄膜的晶体产生择优取向，使所得组织表现为明显的柱状结构，而且这些柱状结构大都贯穿于整个薄膜，这对薄膜的抗冲击性、抗高温氧化性及抗腐蚀性能极为不利。另一个问题是，TiAlN薄膜与高速钢基体的结合力相对较低，易脱落，不能起到长期保护高速钢切削刀具的作用。为了解决TiAlN薄膜与高速钢的结合问题，目前通常采用的是先在金属表面镀制一Ti或Ti/TiN过渡层的方式，然后再镀制其它的膜层，如Balzers、Sulzer、Cemecon、Chaojing等企业就是采用的这种方式。但在实际制备中不管是先镀制的Ti过渡层的TiAlN薄膜，还是先镀制的Ti/TiN过渡层的TiAlN薄膜，仍存在结合力低、组织结构粗大、易剥落、耐磨性差等缺陷（其所得涂层参见图1、2、4、5）。而且在普通磁控溅射方法下，随着薄膜硬度的增加（如Al含量的增加），这些缺陷会愈加突出。因此在高速钢切削刀具上镀制TiAlN涂层，工业化生产中尚存在一些问题，亟待开发出新的涂层及其镀制方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术制备的Ti/TiAlN涂层存在的问题，提供一种性能优异的高速钢切削刀具表面Zr/MaN复合涂层。

本发明的另一目的提供一种上述高速钢切削刀具表面Zr/MaN复合涂层的制备方法。

本发明提供的高速钢切削刀具表面Zr/MaN【Ma（multicomponent alloy）】复合涂层，该复合涂层为二层，从刀具表面依次向外分别为Zr过渡层和MaN层，其中Zr过渡层的厚度为100～200nm；Ti_XAl_1-XN层的厚度为2～5μm，其组织结构为纳米晶结构，在X射线衍射的TiN（111）面衍射强度为385，在X射线衍射的AlN（111）面衍射强度为0。 

上述刀具表面复合涂层MaN层中的Ma为（Ti,Al），其复合涂层表面的硬度为22~44GPa，压痕等级为1~2级。