[发明专利]ZrAlC/ZrAlCN叠层复合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ZrAlC/ZrAlCN叠层复合涂层刀具及其制备工艺。本发明采用中频磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法制备的ZrAlC/ZrAlCN叠层涂层刀具。刀具最外层ZrAlCN涂层，刀具基体与涂层间有Ti过渡层，ZrAlCN涂层与Ti过渡层之间是ZrAlC涂层与ZrAlCN涂层交替的复合叠层结构。本发明涂层沉积时沉积温度控制在300℃以下，可在更为广泛的刀具基体上制备。所制备ZrAlC/ZrAlCN叠层复合涂层刀具综合了四元碳氮化合物涂层、三元碳化物涂层及叠层结构的优点，具有高硬度、耐磨性和良好的减摩润滑性能，提高了涂层刀具的综合使用性能，可广泛应用于冷硬铸铁、球墨铸铁、有色金属及合金的粗精加工，以及高锰钢、淬火钢及合金钢等的半精加工与精加工。

技术领域

本发明属于机械制造切削刀具领域，特别是涉及一种ZrAlC/ZrAlCN叠层复合涂层刀具及其制备工艺。

背景技术

随着切削技术向高速、高效、高精、绿色方向发展，切削加工对刀具的性能提出了更高的要求，无涂层刀具由于表面硬度低、耐磨性差等缺陷，已经难以满足干式、高速条件下以及对钛合金等难加工材料的切削加工要求。涂层刀具因具有高的表面硬度、良好的耐磨性和高温稳定性等，已成为现代切削加工的主要选择。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。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(Jinlong Li,Shihong Zhang,MingxiLi.Influence ofthe C₂H₂flow rate on gradient TiCN films deposited by multi-arcion plating[J].Applied Surface Science,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。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)利用Ti、氮气(N₂)与乙炔气体(C₂H₂)在450℃沉积温度下合成了TiCN涂层铣刀，解决了26NiCrMov145材料转子加工难题。

TiCN涂层虽然具有高硬度、低摩擦系数的优点，但同时因其热稳定性和红硬性较差，仅适合应用于低速切削或具有良好冷却条件的场合，需要对传统TiCN涂层结构和制备工艺进行改进。目前，多元化是材料改善力学性能、耐蚀性和耐磨性的有效途径，通过制备多元复合涂层，既可提高涂层与基体的结合强度，又兼顾多种单涂层的综合性能，显著提高涂层刀具的性能。

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。

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

本发明的目的在于克服目前现有碳氮化合物涂层刀具性能及制备方法的不足，结合层状复合材料结构的优点提供一种ZrAlC/ZrAlCN叠层复合涂层刀具及其制备工艺。