[发明专利]一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料表面镀膜技术领域，具体涉及一种高速切削工具表面镀膜强化处理工艺，尤其涉及一种AlCrTiSiN/AlCrN中高温自润滑多元梯度工具涂层，本发明还涉及该多元梯度涂层的制备方法。

背景技术

制造业在我国国民经济发展中具有关键性的作用和地位，强大的制造业是实现工业现代化的重要基础。随着现代化制造业向快速、高效、环保和节能等方面发展，其对切削刀具的要求也越来越高，而涂层技术是提高刀具加工性能和使用寿命的重要方法。

刀具涂层技术是指在切削刀具表面涂覆上一层硬质薄膜来提高其耐磨性以达到增加其使用寿命，这种硬质涂层不但具有很高的硬度，而且具有抗高温氧化性、抗腐蚀性以及较好的摩擦性能。这些优点使涂层在很大程度上提高了切削刀具的寿命，降低了维修费用，减少了因刀具失效所导致的停车时间。而对于一些贵重刀具，由于可以多次涂层，增加了其重复使用，具有很大的经济效益。

TiN涂层作为第一代涂层由于具有高硬度、低磨损及良好的化学稳定性被广泛应用于刀具、模具和机器零部件的涂层。但TiN涂层较差的抗氧化性能和较低的热红硬性(500℃时其硬度就开始急剧下降)，限制了其在苛刻条件下的应用。在TiN涂层基础上发展出的TiAlN和TiCrN超硬膜表现出很多优于TiN的性能。与TiN膜层相比,TiAlN膜具有更加优良的抗氧化性、耐磨性和更高的硬度；而TiCrN膜层则具有较低的表面粗糙度、高的热稳定性及耐磨性，因而TiAlN和TiCrN涂层逐渐取代TiN成为第二代涂层。

自从Veprek成功制备超硬nc-TiN/a-Si₃H₄涂层以来，多元化合物及其多层复合涂层成为硬质涂层研究的一个热点。在四元化合物的复合涂层或五元化合物涂层方面，CrAlTiN、AlTiSiN和TiSiCN涂层均拥有较低的摩擦因数和优异的热稳定性。

本专利中在AlCrN基础上，用多弧离子镀方式制备AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度工具涂层。而在现今文献中，研究AlCrTiSiN涂层的文献较为少见，且研究方向集中在该涂层的力学性能和抗高温氧化性能上，关于AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度工具涂层在中高温下的自润滑现象尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层及其制备方法，使得AlCrTiSiN/AlCrN中高温自润滑多元梯度工具涂层在高速切削工具上得以工业化应用。

为了实现上述技术目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的。

本发明提供了一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层，该涂层为三层梯度结构，分别为极薄的CrN打底层、AlCrN梯度过渡层和AlCrTiSiN工作层；所述AlCrN梯度过渡层厚度为0.84～1.09μm，AlCrTiSiN工作层厚度为1.61～2.36μm；所述AlCrTiSiN工作层中含有50～70％的(Al，Cr)N固溶体以及30～50％的(Al，Ti)N固溶体。

本发明同时提供了一种上述中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)在真空室内对称位置分别放置第一电弧源、第二电弧源和第三电弧源，将Ar和N₂气体接入真空室内；所述第一电弧源的靶材由单质Cr制成，纯度99.99％；第二电弧源的靶材由AlCr粉末冶金制成，Al和Cr的原子百分比为70：30，AlCr靶材的纯度为99.99％；第三电弧源由AlTiSi粉末冶金制成，Al、Ti和Si的原子百分比为60:30:10，AlTiSi靶材的纯度为99.99％；

(2)、将抛光、清洗处理后的工件用夹具夹持住固定于真空室内的转架上；所述工件转架转速为3rpm，真空室真空度为5.0×10^-2Pa，加热温度为430℃；

(3)、工件沉积镀膜前往真空室内通入Ar气，加偏压对工件表面进行Ar离子轰击清洗以去除表面残留的吸附物及氧化物，关闭Ar气；

(4)、通入N₂气，调节N₂气压强与偏压，升高真空室内温度，启动第一电弧源用于沉积CrN打底层；所述沉积CrN打底层时N₂气分压为0.8Pa，偏压200V，沉积温度450℃，沉积时间4min；