[发明专利]一种具有Si含量梯度变化的中间层的AlCrSiN涂层、制备方法

说明书

本发明公开了一种具有Si含量梯度变化的中间层的AlCrSiN涂层、制备方法，所述涂层由表面到基材依次为AlCrSiN工作层、中间层、AlCrN打底层；由AlCrN打底层到AlCrSiN工作层，中间层的Si含量依次从1wt％增加到5wt％，组织结构依次为粗大柱状晶、细小柱状晶、细小等轴晶，晶粒尺寸由60nm降低至20nm。使用本发明制成的刀具，切削试验表明在高速钢基体上涂层刀具的切削寿命可提高2倍以上，其抗机械磨损性能和抗高温氧化性能均有大幅度提高，可以满足高速加工对刀具材料的要求，有巨大的市场潜力和使用价值。

技术领域

本发明涉及一种AlCrSiN复合涂层刀具的改性方法，尤其涉及的是一种具有Si含量梯度变化的中间层的AlCrSiN涂层、制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，机械加工行业对刀具提出了更高的要求，高效、复合、环保的制造理念被广泛提及，硬质涂层在切削刀具上已经得到了广泛的应用。同时，被加工工件以及环保问题对切削加工提出了更高的要求：更快的切削速度、更高的工件表面质量以及切削过程中使用更少甚至无切削液使用。涂层刀具的出现，更进一步改善了刀具的高速切削性能，它将具有高强度和良好韧性的基体与高耐磨的硬质薄膜表层相结合，对刀具切削性能的改善和加工技术的进步起到了重要的促进作用。提高了加工精度和加工效率，延长了刀具的使用寿命，保证了加工工件的表面质量，降低了生产成本。在切削过程中，涂层刀具经历着力和热载荷的交替变化。因此，刀具涂层除了具有较高的硬度和抗氧化性能之外，还需具有足够的韧性和结合强度以抵抗涂层在切削过程中发生的剥落。研究表明，可通过在基体和涂层之间添加过渡层降低基体与涂层之间的硬度和热膨胀系数差，以提高其结合强度。

多弧离子镀技术是现阶段制备刀具涂层的主流技术，具有离化率高、适合工业化大面积生产的优点，在负偏压加速下，沉积膜层结合力好，组织致密，沉积速率高，目前已被广泛应用于刀具切削硬质耐磨涂层和高温防护涂层。以往的报道主要通过调整和设计与被切削材料直接接触的工作层来改善刀具涂层的切削性能，而通过利用Si含量、组织结构和晶粒尺寸梯度变化的中间层，达到改善AlCrSiN梯度刀具涂层的方法还未见报道，沉积由Si含量梯度变化的中间层增强的AlCrSiN梯度涂层的高速钢刀具可适用于高速条件下的高硬度钢材料的切削加工。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种具有Si含量梯度变化的中间层的AlCrSiN涂层、制备方法，通过添加过渡的中间层来改善刀具涂层的寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的一种具有Si含量梯度变化的中间层的AlCrSiN涂层，所述涂层由表面到基材依次为AlCrSiN工作层、中间层、AlCrN打底层；由AlCrN打底层到AlCrSiN工作层，中间层的Si含量依次从1wt％增加到5wt％，组织结构依次为粗大柱状晶、细小柱状晶、细小等轴晶，晶粒尺寸由60nm降低至20nm。

作为本发明的优选方式之一，所述AlCrSiN涂层在常温下摩擦系数为0.36～0.40。

作为本发明的优选方式之一，所述AlCrSiN涂层的显微硬度大于3800HK。

一种制备所述的具有Si含量梯度变化的中间层的AlCrSiN涂层的方法，包括以下步骤：

(1)将真空炉抽至本底真空1×10^-4～2×10^-4Pa，升温至480℃；

(2)通入Ar气，控制炉内真空度4.0Pa，降低基体负偏压至-180V，开启Ti靶，控制靶材电流为80A，在偏压梯度-180V条件下完成高能离子轰击对基材表面的刻蚀清洗，清洗时间45min；

(3)关闭Ti靶，通入N₂气，控制基材负偏压至-60V，调节炉腔内真空度至3.5Pa，N₂气以维持真空度为3.5的恒压的方式输入，使用两组AlCr靶材，调节两组AlCr靶材的电流至120A，时间为77min；