[发明专利]一种TiSiTaN涂层刀具及其制备方法

说明书

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别涉及一种TiSiTaN涂层刀具及其制备方法。该刀具基体材料为硬质合金或高速钢，采用多弧离子镀+中频磁控溅射的方法制备，其结构为多层结构，刀具表面为TiSiTaN涂层，TiSiTaN层与基体之间有TiSiN、TiN和Ti过渡层。该刀具表面的TiSiTaN涂层有着非常高的硬度和强度，Ta元素可以改善涂层的韧性，同时可以显著提高涂层的抗氧化性能和热稳定性能。切削过程中TiSiTaN涂层能够有效地提高刀具抗氧化和抗磨损能力，从而提高刀具寿命。该涂层刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。

技术领域

本发明属于机械切削刀具制造领域，涉及了一种TiSiTaN涂层刀具及其制备方法。

背景技术

TiN涂层作为一种硬质涂层，已广泛应用于切削刀具、刃具及各种模具表面作为耐磨和耐腐蚀层。然而，作为刀具涂层，切削过程中，TiN涂层表现出了抗氧化温度低，热硬度低等缺点。为提高TiN涂层硬度和热稳定性等，进一步研制出TiSiN、TiCrN及TiAlN等多种刀具涂层。Ta元素作为一种过渡金属元素，其表面易形成稳定的氧化层，从而阻止表面进一步的氧化，因此Ta元素的添加能够显著提高涂层的耐腐蚀和抗氧化能力([1]Pfeiler M.,etal.Journal of Vacuum Science&Technology A:Vacuum,Surfaces,and Films,2009,27(3):554-560.[2]Rachbauer R.,et al.Surface and Coatings Technology,2012,211:98-103.)。

文献(Khetan V.,et al.ACS Applied Materials&Interfaces,2014,6(17):15403-15411.)报道了一种AlTiTaN涂层，该涂层与AlTiN涂层相比表现出较好的抗氧化和热稳定性能，该涂层非常适合干加工应用场合。文献(Rachbauer R.,et al.Surface andCoatings Technology,2012,211:98-103.)研究结果表明，Ta元素的添加能够明显提高TiAlN涂层的热稳定性能。TiSiN涂层作为一种硬质涂层，已广泛应用切削刀具、模具等，Ta元素的添加能够进一步提高其热稳定性能、抗磨损和耐腐蚀能力。目前国内外未见TiSiTaN涂层刀具的报道。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种TiSiTaN涂层刀具及其制备方法。该涂层刀具既具有高的硬度和良好的韧性，又具有良好的热稳定性能、抗氧化性能、耐腐蚀性和抗磨损能力。干切削时，TiSiTaN涂层能够提高刀具抗氧化和抗磨损能力，从而提高刀具寿命。

技术方案：本发明的一种TiSiTaN涂层刀具通过以下方式实现：

刀具基体材料为高速钢或硬质合金，在所述刀具基体材料表面涂有多层涂层，从刀具基体材料表面向外依次为Ti、TiN、TiSiN过渡层和TiSiTaN涂层。

本发明的TiSiTaN涂层刀具的制备方法采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备Ti+TiN+TiSiN过渡层和TiSiTaN涂层，其具体制备步骤为：

1)前处理：将刀具基体材料研磨抛光至镜面，依次放入酒精和丙酮中超声清洗，去除表面油渍等污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，加热，保温；

2)离子清洗：通入Ar₂，其压力为0.6-1.5Pa，开启偏压电源，电压800-900V，占空比0.2，辉光放电清洗20-30min；偏压降低至300-500V，开启离子源离子清洗20-30min，开启电弧源Ti靶，偏压500-600V，靶电流40-60A，离子轰击Ti靶1-2min；

3)沉积Ti：调整Ar₂气压至0.4-0.6Pa，偏压降低至100-200V，电弧镀Ti 2-5min；