[发明专利]AlC/AlCN叠层涂层刀具及其制备工艺

说明书

本发明属于机械制造切削刀具领域，特别是涉及一种AlC/AlCN叠层涂层刀具及其制备工艺。采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法制备AlC/AlCN叠层涂层刀具，刀具基体表面为AlCN涂层，AlCN涂层与刀具基体之间有Ti过渡层，AlCN涂层与Ti过渡层之间为AlC涂层与AlCN涂层交替的复合叠层涂层结构。本发明制备工艺沉积温度控制在300℃以下，可在更为广泛的刀具基体上制备。本发明所制得的AlC/AlCN叠层涂层刀具综合了AlC涂层和AlCN涂层的优点，具有更优异的化学稳定性和抗高温氧化能力，可显著改善涂层刀具的摩擦磨损性能，提高刀具的切削寿命和加工效率，同时该叠层复合结构的层间界面可阻止涂层柱状晶的生长，阻碍裂纹和缺陷的扩展，提高涂层的硬度、韧性和耐冲击性。

技术领域

本发明属于机械制造金属切削刀具领域，特别是涉及一种AlC/AlCN叠层涂层刀具及其制备工艺。

背景技术

对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具将刀具基体与硬质涂层相结合，使刀具性能大大提高。TiC和TiN涂层是最早应用在刀具表面上的涂层。然而，随着切削加工技术的发展以及高速切削技术的推广，二元氮化物硬质涂层相对较弱的韧性和耐磨性限制了其应用。文献(ActaMaterials.2011,59(1):68-74)报道了TiN硬涂层刀具切削加工时的作用机理及使用性能，但是这种硬涂层由于相对较高的摩擦系数，使用受到了限制。通过制备多元复合结构的涂层可以显著提高涂层的韧性、强度及耐冲击性等综合性能，涂层的多元复合结构已经成为涂层刀具的重要发展方向。TiCN是目前最广泛使用的三元碳氮化合物涂层，TiCN涂层由于兼具TiC的高硬度和TiN的良好韧性，显著提高了其摩擦磨损性能(JinlongLi,ShihongZhang,MingxiLi.InfluenceoftheC2H2flowrateongradientTiCNfilmsdepositedby multi-arcionplating[J].AppliedSurfaceScience,2013(283):134-144.)，已广泛应用于铣削、攻牙、冲压、成型及滚齿的加工，在高速切削时比普通硬质合金刀具的耐磨性高5-8倍。但TiCN涂层存在热稳定性差的缺点，在高温时涂层硬度下降太快(红硬性较差)和摩擦系数增大，限制了其在高速切削和绿色干式切削过程中的推广应用。

目前TiCN等碳氮化合物主要通过化学气相沉积技术(CVD)等技术制备，即通过TiCl₄(或Ti靶)、CH₄(或C₂H₂)以及N₂等气体反应生成，沉积温度通常超过400℃，对基体产生不利影响，同时气体碳源容易对涂层设备造成污染，制约了其广泛应用。中国专利“汽轮机转子轮槽铣刀表面TiCN多层复合涂层制备工艺”(专利号201510564738.5)采用Ti、氮气(N₂)与乙炔气体(C₂H₂)在450℃沉积温度下制备了TiCN涂层铣刀，解决了26NiCrMov145材料转子加工难题。

层状复合材料是近几年发展起来的材料增强增韧新技术，这种结构是通过模仿贝壳而来，因此又叫仿生叠层复合材料。自然界中贝壳的珍珠层是一种天然的层状结构材料，其断裂韧性却比普通单一均质结构高出3000倍以上。因此，通过模仿生物材料结构形式的层间设计，制备出的叠层复合涂层可以显著提高目前碳氮化合物涂层的韧性、稳定性及减摩耐磨性等综合性能。

发明内容

针对现有三元碳氮化合物涂层刀具性能及制备方法的不足，本发明目的在于提供一种AlC/AlCN叠层涂层刀具及其制备工艺。

本发明所述的AlC/AlCN叠层涂层刀具，刀具基体最外层为AlCN涂层，AlCN涂层与刀具基体之间有Ti过渡层，AlCN涂层与Ti过渡层之间为AlC与AlCN交替的复合叠层结构。