[发明专利]一种纳米多层结构过渡金属氮化物涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及纳米多层结构过渡金属氮化物涂层及其制备方法和应用。一种纳米多层结构过渡金属氮化物涂层，包括沉积于滚铣刀基体表面的氮化物结合层，所述氮化物结合层的表面沉积纳米多层氮化物功能层；所述纳米多层氮化物功能层包括TiAlN调制层，还包括Cr(Al)N调制层，由TiAlN调制层、Cr(Al)N调制层交替堆叠沉积制得。本发明通过涂层材料微结构设计使纳米多层结构过渡金属氮化物涂层的不同调制层形成共格或者半共格界面，涂层硬度、韧性、膜基结合力、耐磨减摩与高温性能均得到提升，主要用于双金属带锯条的铣齿加工领域。

技术领域

本发明涉及双金属带锯条铣齿用滚铣刀涂层材料制备领域，具体而言，涉及一种纳米多层结构过渡金属氮化物涂层及其制备方法和应用。

背景技术

高档数控机床与机器人、航空航天装备、先进轨道交通设备、节能与新能源汽车的生产制造过程均涉及多种难加工材料的运用与高效切削。下料几乎是机械制造业中所有金属原材料面临的第一道工序，而锯切则是一种常用的下料方式。1933年美国杜尔公司发明了带锯床与带锯条，引领了锯切加工领域的效率革命。1964年，杜尔公司又成功研发出双金属带锯条，与单金属带锯条以及传统的弓形往复锯与圆盘锯相比，具有切削效率高、节材节能以及成本可控等优势，受到制造业的广泛关注，因此逐步取代其他切削工具，在金属原材料下料领域中广泛使用。

由于双金属带锯条的切削加工对象十分广泛，几乎涵盖所有金属以及木材、高分子聚合物与橡胶等非金属材料，并且被加工材料的形状与尺寸差异较大，因此工业界与学术界经过多年研究，为满足不同形状、尺寸的被加工材料的锯切需求，开发出多种锯齿齿形。目前双金属带锯条的齿形加工主要采用铣齿工艺，通过安装铣床上的滚铣刀对复合钢带进行成形加工，但在铣齿过程中滚铣刀容易发生快速磨损。为了保证齿形的成形精度与质量，滚铣刀需要进行定期修磨。通过物理气相沉积(PVD)制备的硬质涂层作为化学屏障和热屏障，可以有效避免切削过程中刀具与被加工材料间的元素扩散和化学反应，同时PVD硬质涂层又具备高硬度，高耐磨性以及低摩擦系数等优点，从而显著减少刀具磨损，提升服役寿命和切削效率。通过选择合适的涂层材料，可以有效降低刀具的磨损，获得优异的加工精度与表面质量，延长刀具服役寿命以及提高加工效率。

目前工业界与学术界对于双金属带锯条的研究主要集中在锯切过程中带锯条的振动、磨损机理、齿形设计以及铣齿、分齿与热处理等制造工艺对锯切性能的影响。滚铣刀作为铣齿加工中的重要切削工具，直接影响双金属带锯条的齿形精度与使用寿命。铣齿作为典型的断续切削工况，滚铣刀在铣齿过程中受到周期性机械冲击载荷与热冲击载荷的共同作用，导致滚铣刀的刃口处发生磨损甚至产生裂纹扩散导致断齿失效。通过PVD硬质涂层材料成分与微结构的设计与研究，制备出兼具高硬度与强韧性的涂层材料，提升滚铣刀的抗磨损性能，有望实现双金属带锯条齿铣齿加工质量、成本与效率的协同改善。

申请号为201810401123.4的中国专利公开了一种周期性多层纳米结构 AlTiN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用，制备时先沉积AlTi结合层，活化金属基体，再沉积约1μm厚的AlTiN过渡层，为多层结构提供支撑；最后沉积AlTiN/AlCrSiN功能层。多层结构中，AlCrSiN层以AlTiN层为模板，通过共格生长表现为面心立方结构。AlCrSiN层由AlCrN和非晶Si₃N₄组成，形成非晶Si₃N₄包覆AlCrN纳米晶的复合结构。纳米晶体的强化效应及非晶区域限制了晶粒的滑移和转动，对纳米晶的晶界起到强化作用，同时AlTiN/AlCrSiN纳米多层结构细化了柱状晶尺寸，提升涂层的力学与耐磨减摩性能。该专利采用恒定偏压沉积AlTiN结合层与AlTiN/AlCrSiN功能层，主要应用于硬质合金材质的切削刀具领域，但是相同工艺条件下制备出的刀具涂层在硬质合金基体上的膜基结合强度与在高速钢基体具有显著差异，本申请的双金属带锯条铣齿用滚铣刀的材质为粉末冶金高速钢，因此，亟需开发一种适用于双金属带锯条铣齿用滚铣刀的高性能氮化物涂层。

发明内容