[发明专利]一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种涂层刀具，具体涉及一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具及其制备方法，属于薄膜材料领域。

背景技术

现代化的金属切削加工，要求刀具有高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性等性能。涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破，它将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，而硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数的特点，使刀具的性能得到大大提高。现代高速高效加工和难加工材料使用日益增多对刀具材料的苛刻要求，刀具涂层材料也在不断升级更新。纳米复合结构涂层是孤立的纳米晶体（如nc-TiN）镶嵌在很薄的非晶基体（如a-Si₃N₄）中的一种复合结构涂层，纳米晶具有比较高的硬度，非晶相具有高的结构弹性，两相界面有高的内聚能，晶体相和非晶相在热力学上呈分离趋势，因此，这种涂层具有超高硬度(>40GPa)、高韧性、优异的高温稳定性和热硬性(>1000℃)、高的抗氧化性等，适应于高速加工难加工材料对刀具涂层的高硬度、高韧性、高耐磨性和高温性能的要求。

CN201310489244.6公开了一种涂层切削刀具及其制作方法，该涂层切削刀具包括基体和基体上涂覆的单层或多层涂层，所述涂层为（Ti1-aMea）X涂层，其中，Me为化学元素Al、Cr、Zr、Si、Hf、Nb、W和Ta的其中一种或几种，X为化学元素N、C、O和B的其中一种或几种，a在0.2到0.6之间；（32-42）CN201310476304.0公开一种高硬度、高弹性模量TiSiN保护涂层的制备方法，包括基体清洗，TiSiN层制备等步骤。但这两个专利提供的涂层专利存在着涂层的力学性能硬度不够大的问题，不能适应某些工作条件的需求。而CN201320550155.3公开了一种类金刚石基纳米复合涂层刀具及其制备方法，所述的刀具基体上由内至外依次附着有连接层、梯度层和主耐磨层，连接层附着在刀具基体上，连接层为Mo，梯度层附着在连接层上，梯度层为Mo-C层，梯度层中碳含量由内至外逐渐增多，主耐磨层附着在梯度层上，主耐磨层为掺杂有碳化钼的类金刚石涂层，即M℃-DLC层；虽然此专利制备出的涂层刀具力学性能好，但是制备成本较高且抗高温能力较弱。

TiZrAlSiON纳米复合涂层具有纳米晶（TiN，ZrN）镶嵌于非晶基体（Al₂O₃,Si₃N₄）的多元纳米复合结构，硬度接近40GPa，抗氧化温度超过1000℃，是一种优异的超硬、耐磨损、耐高温涂层。国内外文献及资料中未见有相关TiZrAlSiON纳米复合涂层的制备，因此，本发明提供一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具及其制备方法，该纳米复合涂层采用多弧离子镀结合双极脉冲磁控溅射技术制备，具有纳米晶颗粒镶嵌于非晶基体的纳米复合结构，即纳米颗粒为TiN和ZrN镶嵌于非晶基体Al₂O₃和Si₃N₄中，将对提高现代化的金属切削加工水平提供重要帮助。

发明内容

本发明的目的在于为现代高速高效加工行业提供一种TiZrAlSiON超硬纳米复合涂层刀具及制备方法，该纳米复合涂层具有硬度高、摩擦系数低、韧性和结合力强，优异的抗高温氧性，可以有效地增强切削刀具的韧性及切削性能，提高硬质合金刀具的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具，涂层刀具包括硬质合金刀具本体及本体上涂镀的TiZrAlSiON纳米复合涂层。

所述的TiZrAlSiON纳米复合涂层，为多层复合结构：包括50-100纳米厚金属打底层Zr金属层、100-300纳米厚氮化物过渡层ZrN、1000-4000纳米厚功能层TiZrAlSiON；

更进一步，TiZrAlSiON纳米复合涂层的微结构为：具有纳米晶颗粒镶嵌于非晶基体的纳米复合结构，即纳米颗粒TiN和ZrN镶嵌于非晶基体Al₂O₃和Si₃N₄中，其中纳米晶颗粒TiN和ZrN的尺寸为5-15纳米；