[发明专利]CrxAlyY1‑x‑yN纳米复合刀具镀层制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面改性技术领域，涉及一种Cr_xAl_yY_1-x-yN纳米复合刀具镀层制备方法。

背景技术

刀具切削磨损对材料的要求更高，这是因为切削环境的特殊性，失效机制更为复杂。首先，刀具受切削热的影响不可避免，因为除摩擦热之外，超过70％的热量是由于工件材料在切削过程中的塑性变形产生的，特别是在干切削的情况下，温升速率更快，温度更高，对刀具的影响也更大；其次，刀具与工件的接触面积较小，刀具的切削刃往往受极高的载荷和剪切力，而力的存在极大的影响甚至改变了材料的基本性能，提高了材料的化学活性，从而加速了材料热氧化和热扩散的程度；最后，切削磨损过程中除了高温和高压不可避免外，刀具始终承受着力和热的冲击作用，对镀层的断裂韧性和高温韧性有较高的要求，特别是断续切削的状态下，更要求刀具具有一定的抗疲劳和热疲劳的性能。因此，刀具镀层的热稳定性不仅强调红硬性，更应该要求高温韧性的稳定性。

镀层刀具由于良好的切削性能已成为刀具技术的一个重要发展方向。 PVD制备的纳米复合硬质薄膜在强度、硬度和摩擦系数上都优于块体材料，可有效改善刀具的磨损性能。但是，纳米硬质镀层的PVD制备技术往往都是非平衡状态下沉积的，处于高能状态。镀层的内应力远远超过其他材料，一般为10⁷～10⁹Pa数量级。这样大的内应力镀层极易易失稳。其次，由于晶粒尺寸、缺陷密度的有效控制正是纳米多层膜可提高材料性能的设计思想，而这种结构也属于热力学不稳定状态。因此，加热过程中，特别是高温时镀层氧化和相变极易引起热失稳，而内应力的变化必然较大，从而引起镀层开裂、剥落等。现有研究大多更关注镀层的抗氧化性能和红硬性上，对解决韧性稳定性的研究较少，而良好的韧性对镀层抵抗切削过程中的冲击载荷是非常重要的。

尽管纳米复合结构的镀层可以维持一定的细晶，但微纳米晶在受热条件下也更容易长大，要保持镀层晶粒的细小更为不易。目前，在TiSiN、TiBN 体系中有报道表明由于调幅分解可以维持一定的热稳定性，在其他体系中尚未见报道，但TiN系的抗氧化性能较CrN差，如果在抗氧化性能较好的CrAlN 系的镀层中可存在相同原理的体系，使得镀层不仅保持良好的抗氧化性能，而且还能维持第二相的稳定，在温升中仍然能够钉扎住晶界，那么，该镀层理论上即可具有良好的高温硬度和韧性。

稀土元素可细化晶粒，提高镀层的室温力学性能，同时，随着温度升高，由于反应元素的效应，生成的氧化物能够钉扎在晶界处，阻碍晶界的移动，有效抑制镀层的回复与再结晶过程、可以阻止温升过程中的晶粒长大，维持镀层组织的稳定性，提高镀层各成分的分解温度，能够很好的维持镀层的硬度和韧性。但由于反应元素的活性，稀土元素很少以纯金属存在，同时由于制备设备的限制，很少有用纯金属靶材制备的报道，现有的报道中，PVD制膜时往往采用含有稀土元素的合金靶，但合金靶存在不同元素溅射额不同，镀层结构和成分不能精确控制，因此，镀层性能的优势也并不能很好的体现。

发明内容

本发明的目的是提供Cr_xAl_yY_1-x-yN纳米复合刀具镀层制备方法，所制备得到的镀层硬度及韧性均具有良好的稳定性，适用于高速运转切削工具，并且能够明显提高刀具的使用寿命。

本发明所采用的技术方案是，Cr_xAl_yY_1-x-yN纳米复合刀具镀层制备方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，清洗刀具：

对刀具依次进行超声波丙酮清洗、酒精清洗，烘干，确保刀具表面的洁净程度；

步骤2，刀具离子清洗；

步骤3，制备打底层：

在刀具表面沉积Cr金属层；

步骤4，制备过渡层1：

在打底层上沉积Cr-N梯度镀层；

步骤5，制备过渡层2：

在过渡层1上沉积Cr-Al-Y-N梯度镀层；

步骤6，制备工作层：

在过渡层2上沉积Cr_xAl_yY_1-x-yN纳米复合镀层。

本发明的特点还在于，