[发明专利]超硬TiN-TiSiN-CN多层交替复合梯度涂层硬质合金刀片及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，特别涉及一种超硬TiN-TiSiN-CN多层交替复合梯度涂层硬质合金刀片及制备方法。

背景技术

数控加工中心是由机械设备与数控系统组成的适用于加工复杂零件的高效率自动化机床。数控加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。它把铣削、镗削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺手段。它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的5～10倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。加工中心设置有刀库，刀库中存放着不同数量的各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用和更换。这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。特别是对于必需采用工装和专机设备来保证产品质量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工装和专机。这会为新产品的研制和改型换代节省大量的时间和费用，从而使企业具有较强的竞争能力。硬质合金刀片是数控加工中心广泛使用的切削刀具，硬质合金刀片高速铣削钢件时，由于它在高温下受到交变热负荷的作用，刀具的最终破损表现为以下多种型式：(1)刀具脆性剥落；(2)在刀具前后面上产生与切削刃大致相互垂直的热震梳状裂纹；(3)刀具后隙面磨损；(4)刀刃产生大块崩刃。

涂层硬质合金刀具的出现是刀具发展史上的一个重要里程碑。它是在强度和韧性较好的硬质合金基体上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而形成。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损。涂层具有很高的硬度和耐热性，并降低了刀具与工件间的摩擦系数，因此涂层刀具比未涂层刀具可显著地提高使用寿命，通常涂层刀具的寿命可比未涂层刀具高2-5倍。据日本住友公司调查，经涂层后的刀具寿命延长2-3倍的 占36%，3倍 以 上的 占30%，提高加工效率（包括切削速度和进给速度）的占19%。此外它的通用性广，一种牌号的涂层硬质合金刀具常可胜任几个等级未涂层刀片的切削工作，从而可简化刀具管理。据统计，在一些工业发达国家，涂层刀具的使用量已占到刀具总数的 60-70%。美国在数控机床上使用的刀具都是涂层刀具。

TiN是最先被广泛使用的硬质涂层材料。早在20世纪初，TiN就可以被精确控制成分进行人工合成，从六十年代末开始，己经广泛地应用在刀具涂层，表面装饰保护，模具耐磨耐蚀涂层。70年代以来，用物理气相沉积PVD技术制备的TiN涂层已广泛应用于刀模具和各种耐磨零件及装饰涂层上。进入80年代，氮化钛几乎是唯一的商业化的硬质层材料。当今工业发达国家TiN涂层高速钢刀具的使用率已占高速钢刀具的50-70%，少数不可重磨的复杂刀具的涂层所占比率己超过90%。人们对TiN涂层的研究也越来越多。由于TiN涂层性能优越，工艺过程又符合“绿色制造业”理念，可以预期在21世纪前期仍有较大的发展空间。TiN耐温有限，当使用温度超过500℃时涂层开始失效。随着技术的进步，人们对涂层的综合性能要求越来越高，并且对不同服役条件的产品，其主要失效抗力指标要求不尽相同，应该有不同性能特点的涂层与之相适应，以增加涂层多样性的选择。因此在单一TiN涂层的基础上，近年来已发展起不少新的先进TiN基复合氮化物涂层，即TiN涂层的多元合金化。

1995年，德国的 Veprek 等人在Appl. Phys. Lett上发表文章称首次发现了一种新型的超硬的材料Ti-Si-N。Vickers硬度在50GPa，弹性模量达到500GPa，在空气中的抗氧化性大于800℃。2000年，S.Veprek制备出维氏硬度达到 80-105GPa 的Ti-Si-N材料。材料的主要结构也是nc-TiN/a- Si₃N₄的结构。耐温达到1100 ℃。并且发现TiN晶粒间的氮化硅物质对整个材料的硬度起着至关重要的作用。由于Ti-Si-N材料的高硬度和高耐温特性，使其成为近10年来国内外超硬刀具涂层研究的热点课题。