[发明专利]一种硬质合金铣刀的AlCrNbSiTiBC高温自润滑复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硬质合金铣刀的AlCrNbSiTiBC高温自润滑复合涂层及其制备方法。自润滑涂层采用梯度层结构，由结合层、加硬层、高温自润滑层构成。对经过化学清洗的硬质合金铣刀进行离子刻蚀，然后采用电弧离子镀方法沉积纯AlCrN膜作为结合层，随后在结合层基础上制备AlCrN/AlCrNbSiTiBN超硬高熵合金纳米多层膜加硬层，最后在加硬层的基础上制备AlCrNbSiTiBC高温自润滑层。涂层从结构上为多种合金涂层材料的组合，成分上具有渐变特点，硬度上有梯度结构，可以大幅度降低涂层的内应力和提高涂层的韧性，可以较好克服现有铝合金用的硬质合金加工刀具涂层耐磨和抗粘性能不足缺点，大幅度提高铝合金加工铣刀的寿命和适应性。

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，涉及一种铣刀设备的涂层，具体涉及一种硬质合金铣刀的AlCrNbSiTiBC高温自润滑复合涂层及其制备方法。

背景技术

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，已广泛应用于航空航天、汽车行业、机械结构件和3C电子行业等领域，按照加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。铝材材料软，但是比较粘，切削时极易产生积屑瘤，导致刀具快速磨损，所以加工铝合金一般要求刀具具有较低的摩擦系数来降低积屑瘤的产生。目前切削加工铝合金可供选择的刀具材料有硬质合金、陶瓷和聚晶金刚石(PCD)。使用硬质合金切削铝合金材料时，两者之间相容性好，容易粘刀，刀具耐磨性差。而且因为在铝合金材料中通常加入硅来提高其应用性能，硅元素会与合金刀具反应更是加速硬质合金的磨损；陶瓷刀虽然具有更高的硬度和耐磨性、良好的高温性能，但是陶瓷的脆性大和热导率低易产生裂纹导致刀片破损；聚晶金刚石(PCD)刀具切削加工铝合金是大规模工业生产的首选刀具材质，但其价格高昂，不利于做成复杂形状的刀具。为了提高铝合金切削刀具的寿命和加工工件的表面质量，直接改变刀体的材料相对而言局限性大，效果较差，特别是形状复杂的立铣刀等。物理气相沉积技术(PVD)具有制备温度低、涂层材料选择广等特点，在超硬和自润滑材料制备中具有较好的优势，在硬质合金铣刀表面进行耐磨高温自润滑涂层的制备是目前加工铝合金时较好的选择。

固体自润滑涂层技术是近几十年发展起来的材料表面改性技术，能够有效解决材料表面的硬度、耐磨性以及润滑性等问题，被广泛应用在刀具、轴承、冲压模具等领域。固体自润滑涂层包括类金刚石、二硫化钼以及软金属等材料。这些材料大都具有较低的剪切强度，通常通过粘附在对偶件上改变两者之间的摩擦形式，因此具有良好的润滑性。但刀具加工铝合金过程中，刀尖部位经常会导致高温，常规的类金刚石涂层等润滑材料最高工作温度只有400℃，经常会由于耐温较差导致失效，为此新型高温自润滑涂层的研发具有重要意义。高温固体自润滑涂层能够在高温环境中为摩擦副界面提供高性能的固体润滑膜，解决了高温环境下传统润滑油脂失效的问题，确保摩擦副在高温环境中可靠工作，并降低了能量损耗，近年来成为摩擦学领域研究的热点问题之一，并得到了快速发展。

高熵合金涂层由于具有热力学上的高熵效应以及结晶学上的迟缓扩散效应，在抗高温氧化和耐磨等方面具有比常规三元和四元氮化物涂层更突出的优势。由于多主元特点导致氧化膜成分复杂，结构致密，能承受激烈的温度载荷，对基体材料具有良好的保护作用，可满足恶劣工况条件下耐温抗氧化的特殊需要。高熵碳化物是近年来研究的热点。随碳的加入，高熵碳化物与氮化物相比，其弹性变形抗力(H/E)和塑性变形抗力(H³/E²)指标增加，主要是晶粒细化和存在严重晶格畸变的纳米结构引起。(TiAlCoNbY)C和(TiZrNbHfTa)C等是其中的典型代表。(TiZrNbHfTa)C涂层研究对比表明碳化物比氮化物表现出更好的耐磨性能。最低摩擦系数为0.12，磨损率为0.20×10^-6mm³/Nm。随碳含量不同，(TiAlCrNbY)C摩擦系数在0.05到0.25之间变化，磨损率为0.7×10^-6mm³/Nm。高熵合金碳化物的耐温性和DLC涂层相比具有超过800℃的耐温性能，在铝合金加工中具有良好的应用前景。

发明内容