[发明专利]一种纳米多层复合超硬刀具涂层及其制备方法

说明书

本发明提供的纳米多层复合超硬刀具涂层，由依次沉积在刀具基体材料上的Cr过渡层（金属结合层）、CrN过渡层、CrN/TiAlSiYN交替层构成，所述CrN/TiAlSiYN交替层由CrN层、TiAlSiYN层依次交替沉积构成。所述TiAlSiYN层的组成组分按重量份计由15~35份的Ti，25~50份的Al，25~60份的N，3~5份的Si，0.8~1.5份的Y组成。本发明还提供了所述涂层的制备方法。本发明可提高刀具涂层的强度、韧性、耐热性以及膜基结合强度。

技术领域

本发明属于刀具材料领域，特别涉及一种刀具涂层材料。

背景技术

随着主流刀具向着高速切削和干式切削发展，其对涂层的要求也越来越高，常规TiAlN涂层慢慢变得难以满足提高刀具综合机械性能的要求。刀具切削区域的温度通常可达到甚至高于TiAlN涂层的热分解温度，致使刀具氧化、刀尖软化、瞬间磨损等失效形式的出现。近来添加有B，Si的纳米结构TiBN、TiSiN等涂层具有高硬度和高温抗氧化性等特点，但目前面对难加工金属材料和恶劣的切削条件，单一涂层材料难以满足加工的需要。近年来，多层或超晶格结构涂层 (TiN/TiC/TiN多层、TiAlN/TiN多层、TiN/AlN超晶格等)、纳米复合结构涂层(TiSiN、TiAlSiN等)的受到关注和研究，涂层的硬度和最高使用温度不断提高。其中，多层涂层是由两种或两种以上成分或结构不同的材料在垂直于涂层表面方向上相互交替生长而形成的二维多层材料，对于两种不同结构或组成的多层涂层， 每相邻两层形成一个基本单元，其厚度称为调制周期。研究一种新的多层复合超硬刀具涂层材料，进一步提升刀具涂层的强度、韧性、耐热性以及膜基结合强度具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供一种纳米多层复合超硬刀具涂层及其制备方法，提高刀具涂层的强度、韧性、耐热性以及膜基结合强度。

本发明提供的纳米多层复合超硬刀具涂层，由依次沉积在刀具基体材料上的Cr过渡层（金属结合层）、CrN过渡层、CrN/TiAlSiYN交替层构成，所述CrN/TiAlSiYN交替层由CrN层、TiAlSiYN层依次交替沉积构成。

进一步地，所述TiAlSiYN层的组成组分按重量份计由15~35份的Ti，25~50份的Al，25~60份的N，3~5份的Si，0.8~1.5份的Y组成。

进一步地，所述CrN/TiAlSiYN交替层调制周期为20nm~50nm。

进一步地，所述CrN/TiAlSiYN交替层中CrN层与TiAlSiYN层的厚度比为1.5~1.7。

进一步地，涂层总厚度为2.7~3μm（包含两层过渡层厚度）。

进一步地，两层过渡层的厚度为0.1~0.2μm。

本发明所述纳米多层复合超硬刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：

a.预处理：对刀具基体表面进行喷砂清洗，去除表面油污、氧化层及其他附着物，再对刀具进行酸洗，这一步主要是为了提高涂层与基体之间的结合强度；

b.溅射清洗：利用靶材溅射出的离子对基体表面进行溅射清洗。处理室内压力10^-3~7×10^-3Pa，充入的气体为Ar（99.99%），基体偏压为50~150V，温度为200~250℃，清洗时间为10~20min；

c.沉积纯Cr过渡层：利用物理气相沉积法沉积纯Cr层，只开启Cr靶，沉积总电量为10~20Ah，基体偏压为80~120V，电流为80~130A，温度最好控制在220℃；

d.沉积CrN过渡层：利用物理气相沉积法沉积CrN层，只开启Cr靶，充入N₂，沉积总电量为5Ah，靶材电流为100~130A，基体偏压为50~60V，温度最好控制在220℃；