[发明专利]TiSiN+ZrSiN复合纳米涂层刀具及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种TiSiN+ZrSiN复合纳米涂层刀具及其制备方法。

二、背景技术

TiSiN薄膜作为一种纳米超硬涂层，其硬度很高，耐氧化性、耐磨性相对于二元氮化物涂层有很大的改善，在刀具、模具等方面已经得到了应用。Si含量原子百分数在6～10%范围内时，硬度最大，但摩擦系数较高（0.6～0.9），在切削等过程中易发生粘结，能量损耗较多。ZrSiN薄膜晶粒也在纳米级，摩擦系数对Si含量较为敏感，在Si含量原子百分数6～10%范围内时其拥有较低的摩擦系数（0.2～0.5），且耐高温氧化性、耐磨性较好，但硬度却较低。近年来，随着涂层沉积技术的发展，涂层材料结构的复合化、多层化能将不同涂层的功能整合，成为涂层发展的重要方向之一。

中国专利“专利号：200910044474.5”报道了采用物理气相沉积的方法周期性沉积的多涂层刀具及其制备方法，该涂层每个周期包括TiN层到TiSiN层到TiAlSiN层到TiSiN层，涂层由多个周期叠加；中国专利“专利号：201010274510.X”报道了在硬质合金表面制备纳米结构ZrSiN涂层的方法，它是采用直流磁控和射频磁控共溅射的方法在氩气和氮气的气氛中沉积ZrSiN涂层；中国专利：“专利号：200880018340.X”报道了一种表面被覆切削刀具，其覆膜为复合超多层薄膜，其结构可分为两大层，第一大层由一个或多个A1层和B层交替组成，第二大层由一个或多个A2层和C层交替堆叠，其中A1层和A2层分别为TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN中的一种，B层和C层分别由一个或多个TiSiN或TiSiCN层和AlCrN或AlCrCN层交替堆叠而成，其方法工艺复杂，对设备要求很高。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种TiSiN+ZrSiN复合纳米涂层刀具及其制备方法。该刀具涂层为多层结构，刀具表面为ZrSiN层，ZrSiN层与TiSiN层之间有TiZrSiN过渡层，TiSiN层与基体间有Ti过渡层。TiSiN+ZrSiN复合纳米涂层刀具在具有含硅氮化物涂层优异的耐高温氧化性的同时，还将TiSiN的高硬性与ZrSiN的低摩擦系数结合。该涂层刀具进行干切削时，可降减小摩擦，减少粘结，降低切削力，提高刀具高温耐氧化性，减少刀具磨损，提高刀具寿命。

本发明是通过以下方式实现的。

TiSiN+ZrSiN复合纳米涂层刀具及其制备方法，刀具基体材料为高速钢或硬质合金，涂层为多层结构，刀具表面为ZrSiN层，ZrSiN层与TiSiN层之间有TiZrSiN过渡层，TiSiN层与基体间有Ti过渡层，其中TiSiN层、ZrSiN层Si含量的原子百分数在6～10%范围内。

TiSiN+ZrSiN复合纳米涂层刀具的制备方法是采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方式，其具体制备步骤为：

(1)前处理：将刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，放入酒精中超声清洗15min，充分干燥后放入镀膜机真空室，真空室本底真空7.0×10^-3Pa，加热至200～250℃，保温30min；

(2)离子清洗：通入Ar气，气压力为1.5Pa，开启脉冲偏压电源，电压为800～900V，占空比0.2，辉光清洗15min；偏压降至400～600V，开启离子源，开启电弧源Ti靶，电流调至65A，离子清洗1～2min；

(3)沉积Ti：调整Ar气压为0.5Pa，偏压降至150V，电弧镀Ti5～7min；

(4)沉积TiSiN：调整工作气压为0.4～0.5Pa，偏压150V，电弧靶Ti靶电流为65A，开启N₂，调整N₂流量为140～180sccm，开启中频Si靶电流3.5～4.5A，电弧镀+中频磁控溅射共沉积TiSiN90～100min；

(5)沉积TiZrSiN：开启电弧靶Zr靶，电流调至60A，然后Zr靶电流每隔1min升高1A，直至电流为70A，多弧离子镀+中频磁控溅射沉积TiZrSiN10min；

(6)沉积ZrSiN：调整N₂流量为120～160sccm，关闭Ti靶，电弧镀+中频磁控溅射沉积ZrSiN50～60min。

(7)后处理：关闭Zr靶、Si靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压电源，涂层结束。