氮化鉻鋁鈦複合塗層、沉積有該塗層的刀具及製備方法

2023-05-29 13:13:21

專利名稱：氮化鉻鋁鈦複合塗層、沉積有該塗層的刀具及製備方法
技術領域：
本發明涉及一種氮化鉻鋁鈦塗層硬質合金刀具及其製備方法，屬於薄膜材料領域。
背景技術：
隨著切削不斷向高速、高效、高精加工方向的發展，和越來越多的高強度、高韌性、 難切削的高性能材料的湧現，以及硬加工、幹切削等切削要求的日新月異，使得切削刀具材料難以滿足日趨複雜的綜合切削性能要求。若在材料的整體性能上去滿足要求，不僅在資源的利用上極不經濟，同時在材料技術方面也是高難度，甚至是難以達到的。考慮到切削刀具的失效是從表面開始的，就可通過材料表面改性技術來提高切削刀具的綜合切削性能。塗層材料硬度高，化學穩定性好，不易產生擴散磨損，摩擦係數小，因而切削力、切削溫度較低，是提升刀具切削性能的有效手段。通過塗層提高了切削刀具抗各種磨損的能力，延長了刀具的壽命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和進給速度，從而提高了切削效率。目前使用較多的工業化生產塗層主要有TiN、TiC、TiCN、CrN和TiAlN等塗層，TiN 潤溼性好，摩擦係數小，抗月牙窪磨損的能力優於TiC塗層，韌性也較好。但它抗氧化溫度較低，硬度也不是太高。TiCN對鋼的磨擦係數小，而且韌性比TiN好，塗層刀具耐用度可達 TiN塗層刀具的2倍，但其耐熱性比TiN更低。TiC塗層硬度高，耐磨性好，與基體粘結力強， 抗機械磨損的性能強，但其性脆、膜層內部的內聚力相對較低，塗層刀片的韌性與抗彎強度較低。CrN硬度高、耐磨性好，但脆性比較大。TiAlN在高速切削中性能優異，它比TiN更能有效地用於連續高速車削，也適合於加工鈦合金、鎳合金不鏽鋼等工件。這種塗層因固溶硬化而有較好的硬度保持性，其抗氧化性能也比TiN和TiCN好。實際生產中加工對象涉及到黑色金屬、有色金屬和各種複合材料、新材料，對切削刀具提出了越來越高的要求，因此，開發新型的、性能更優越、針對性更強的超硬納米複合塗層材料，成為行業發展的必然趨勢，也是亟待解決的問題。目前工業發達國家塗層硬質合金刀具已佔80%，其中CVD(化學塗層)又佔了 60 % 65 %，其餘為PVD (物理塗層)，隨著人們對環境保護意識的增強，清潔環保的PVD塗層越來越受到人們的青睞，近幾年來PVD正處於高速發展階段，究其原因可歸納為以下幾方面高速切削加工時代的到來為其發展帶來了良好的契機；複合型材料不僅可大幅度提高資源的利用率，並且可使部件的功能有極大的拓展，因此也更為人們所接受。國產塗層刀具大致只佔全部刀具的20%，進入新世紀以來，國產數控工具機開始大量進入製造領域。然而先進的數控工具機，配不到先進的國產刀具，不得不配進口刀具。中國刀具工業單一化的產品結構，已不能滿足製造業發展的需要，阻礙了製造業發展的步伐。

發明內容
本發明的目的在於彌補當前塗層刀具技術不足與局限，為加工行業提供一種PVD多層納米晶-超晶格複合的氮化鉻鋁鈦複合塗層、沉積有該塗層的刀具及製備方法。實現本發明目的所採用的技術方案是一種氮化鉻鋁鈦複合塗層，至少包括粘結層、支撐層和主耐磨層，支撐層附著在粘結層上面，主耐磨層附著在支撐層上面，粘結層為 Cr，支撐層為CrN，主耐磨層是由TiAlN層與CrTiAlN層交替構成的多層複合塗層。一種沉積有上述氮化鉻鋁鈦複合塗層的刀具，至少包括刀具基體，氮化鉻鋁鈦複合塗層的粘結層沉積在刀具基體上。本發明還提供了沉積有氮化鉻鋁鈦複合塗層的刀具的製備方法，該方法具體包括以下步驟將表面潔淨的刀具基體裝夾在工件架上進行輝光清洗；輝光清洗結束後，在 Ar氣環境、真空度1. 5Χ1(Γ2 2. 5X10_2Pa、200 400°C、-600 -900V偏壓條件下，打開多弧Cr靶在刀具基體上沉積Cr粘結層；然後在氮氣環境、真空度1. 5 3. OPa,300 400-100 -400V偏壓條件下，在Cr粘結層上沉積CrN支撐層；在氮氣環境下，真空度 3. 0 5. OPa,300 400°C、偏壓-50 -200V條件下，打開TiAl靶，在CrN支撐層上沉積主耐磨層，主耐磨層為TiAlN層與CrTiAlN層交替構成的多層複合塗層；沉積結束後，自然冷卻，得到沉積有氮化鉻鋁鈦複合塗層的刀具。所述刀具基體為硬質合金刀具，工件架的公轉速度為1 12轉/分。粘結層厚度為50 100納米，支撐層厚度為100 500納米，主耐磨層厚度為3 10微米。所述TiAlN層為納米晶結構，每層TiAlN厚度為0. 5 1. 5微米，晶粒尺寸為5 30納米；所述CrTiAlN層為CrN和TiAlN交替構成的超晶格結構，每層CrTiAlN厚度為1 3微米，調製周期為4 25納米。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明提供的氮化鉻鋁鈦複合塗層具有粘結層和支撐層，因而有較強的附著力； 工件架的轉速決定塗層中TiAlN和CrTiAlN的結構，根據工件架公轉速度的不同，形成的主耐磨層中的超晶格CrTiAlN層具有不同的CrN/TiAIN調製周期，調製周期(即單層CrN 加上單層TiAlN的厚度)為4 25納米；主耐磨層中的TiAlN層為納米晶結構，晶粒尺寸為5 30納米。根據理論計算，在納米尺度上複合的超晶格塗層和納米晶塗層都有超高的硬度，本發明提供的氮化鉻鋁鈦複合塗層的主耐磨層是由超晶格CrTiAlN塗層和納米晶 TiAlN塗層交替構成的多層納米晶-超晶格複合塗層，綜合了超晶格和納米晶結構的優點， 使得主耐磨層具有接近4000Hv的硬度。綜上所述，本發明所得氮化鉻鋁鈦複合塗層具有高硬度(3750HV)、低摩擦係數 (0. 4)、良好的附著力(大於70N)、耐高溫性能好(超過1000°C )的特點，以本發明製備的硬質合金刀具在表面耐磨潤滑及抗高溫方面表現出很大的優勢，可有效解決硬質合金刀具表面的摩擦磨損問題，帶來巨大的經濟和社會效益。


圖1為本發明製備的沉積在硬質合金刀具上的氮化鉻鋁鈦複合塗層的掃描電鏡圖，其中主耐磨層為2層TiAlN層和2層CrTiAlN層交替構成；圖2為本發明製備的氮化鉻鋁鈦複合塗層中CrN/TiAIN超晶格結構的透射電鏡圖3為本發明製備的氮化鉻鋁鈦複合塗層中TiAlN納米晶結構的透射電鏡圖；圖4為本發明製備的氮化鉻鋁鈦複合塗層的附著力曲線圖；圖5為本發明製備的氮化鉻鋁鈦複合塗層的硬度隨空氣中退火溫度的變化曲線圖，a 無退火處理；b :600°C退火；c :800°C退火；d :900°C退火；e :1100°C退火；圖6為本發明製備的氮化鉻鋁鈦複合塗層的硬度隨主耐磨層中TiAlN層和 CrTiAlN層的層數變化的曲線圖；圖7為本發明製備的氮化鉻鋁鈦複合塗層的摩擦係數隨主耐磨層中TiAlN層和 CrTiAlN層的層數變化的曲線圖；圖 6 和圖 7 中，A 單層 CrTiAlN ；B :1 層 TiAlN層和 1 層 CrTiAlN層；C :2 層 TiAlN 層和 2 層 CrTiAlN 層；D :3 層 TiAlN 層和 3 層 CrTiAlN 層；E :4 層 TiAlN 層和 4 層 CrTiAlN層。
具體實施例方式下面通過附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護內容不局限於以下實施例。實施例1首先，將硬質合金刀具清洗乾淨，裝夾在工件架上，開始抽真空，當真空度高於 5X 10 時，開始加熱除氣，溫度控制在200°C，工件架公轉速度3轉/分。當真空度為 5X IO^3Pa時，通入Ar氣，溫度控制在200°C，開偏壓電源，偏壓控制在-800V，對刀具基體進行輝光清洗。輝光清洗結束後，真空度調節為2X 10_2Pa，偏壓保持在-800V，溫度控制在 200°C，打開Cr靶，對刀具基體轟擊，得到厚度為70納米的Cr粘結層；轟擊完畢後，將偏壓調節為-200V，關閉Ar氣通道，通入隊氣將真空度調節到2. OPa，溫度300°C，在Cr粘結層上沉積厚度為100納米的CrN支撐層。CrN支撐層沉積結束後，通過調節隊流量將真空度控制在3. 3Pa,保持偏壓-200V，溫度300°C，打開TiAl靶，在CrN支撐層上沉積厚度為7微米的主耐磨層，該主耐磨層是由2層CrTiAlN層和2層TiAlN層交替構成的多層複合塗層， CrTiAlN層為CrN和TiAlN交替構成的超晶格結構，厚度為2. 5微米，調製周期為17納米； TiAlN層為納米晶結構，厚度為1微米，晶粒尺寸為13納米。沉積結束後，自然冷卻至室溫後取出刀具，即得到沉積有氮化鉻鋁鈦複合塗層的硬質合金刀具。實施例2將硬質合金刀具清洗乾淨，裝夾在工件架上，開始抽真空，當真空度高於5 X IO-3Pa 時，開始加熱除氣，溫度控制在300°C，保持工件架公轉速度為9轉/分，當真空度為 5 X 10 時，通入Ar氣，溫度控制在300°C，開偏壓電源，偏壓控制在-800V，對刀具基體進行輝光清洗。輝光清洗結束後，在真空度1. 5 X 10 ,溫度300 V、-800V偏壓下，打開Cr靶， 對刀具基體轟擊得到100納米厚的Cr粘結層；轟擊完畢後，關閉Ar氣通道，通入隊氣將真空度調節到2. OPa,調節偏壓為-150V，溫度控制在300°C，在Cr粘結層上沉積得到100納米厚的CrN支撐層。CrN支撐層沉積結束後，調節隊將真空度控制在3Pa，溫度控制在300°C， 保持偏壓為-150V，打開TiAl靶，在CrN支撐層上沉積得到厚度為9微米的主耐磨層，該主耐磨層是3層CrTiAlN層和3層TiAlN層交替構成的多層複合塗層，CrTiAlN層為CrN和 TiAlN交替構成的超晶格結構，厚度為2微米，調製周期為6納米；TiAlN層為納米晶結構，
5厚度為1微米，晶粒尺寸為20納米。沉積結束後，自然冷卻至室溫後取出刀具，即得到沉積有氮化鉻鋁鈦複合塗層的硬質合金刀具。實施例3將硬質合金刀具清洗乾淨，裝夾在工件架上，開始抽真空，當真空度高於5 X IO-3Pa 時，開始加熱除氣，溫度控制在350°C，保持工件架公轉速度為12轉/分，當真空度為 5 X 10 時，通入Ar氣，溫度控制在350 V，開偏壓電源，偏壓控制在-800V，對刀具進行輝光清洗。輝光清洗結束後，真空度調節為2.2X10_2Pa，溫度控制在350°C、偏壓保持在-900V，打開Cr靶，對刀具基體轟擊得到50納米厚的Cr粘結層；轟擊完畢後，偏壓降到-200V，斷掉Ar氣，通入N2氣將真空度調節到2. OPa，溫度控制在350°C，在Cr粘結層上沉積200納米厚的CrN支撐層。CrN支撐層沉積結束後，調節隊將真空度控制在3Pa，偏壓-150V，溫度控制在350°C，打開TiAl靶，在CrN支撐層上沉積厚度為8微米的主耐磨層， 該主耐磨層是由4層CrTiAlN層和4層TiAlN層交替構成的多層複合塗層，CrTiAlN層為 CrN和TiAlN交替構成的超晶格結構，厚度為1. 2微米，調製周期為4納米；TiAlN層為納米晶結構，厚度為0.8微米，晶粒尺寸為15納米。沉積結束後，自然冷卻至室溫後取出刀具， 即得到沉積有氮化鉻鋁鈦複合塗層的硬質合金刀具。以上製備過程使用的裝置可以採用本領域所用設備的常規方法來進行設計。圖1為本發明製備的沉積在硬質合金刀具上氮化鉻鋁鈦複合塗層的掃描電鏡圖， 其中主耐磨層包括2層TiAlN層和2層CrTiAlN層，從圖中可以明顯看出主耐磨層是交替構成結構。圖2為本發明在工件架公轉速度為3轉/分下製備的CrTiAlN層的透射電鏡圖， 從圖中可以明顯看出，CrTiAlN層是由超晶格構成的納米多層結構。圖3為本發明在工件架公轉速度3轉/分下製備的TiAlN層的透射電鏡圖，從圖中可以明顯看出其為納米晶結構。圖4為本發明製備的氮化鉻鋁鈦複合塗層的附著力曲線圖，從圖中可以看出當加載力增加到70N以上時，才出現連續震蕩，發出聲音信號，表明氮化鉻鋁鈦複合塗層的附著力接近75N。圖5為本發明製備的氮化鉻鋁鈦複合塗層的硬度隨空氣中退火溫度的變化曲線圖，當溫度超過1000°c時，塗層表面硬度才出現明顯減小，表明該氮化鉻鋁鈦複合塗層耐高溫性能好，可達到1000°C以上。圖6為本發明製備的氮化鉻鋁鈦複合塗層的硬度隨TiAlN層和CrTiAlN層的層數變化曲線圖，從圖中可以看出，隨著TiAlN層和CrTiAlN層的層數增加，氮化鉻鋁鈦複合塗層的硬度可達到3750Hv。圖7為本發明製備的氮化鉻鋁鈦複合塗層的摩擦係數隨TiAlN層和CrTiAlN層的層數變化曲線圖，從圖中可以看出，氮化鉻鋁鈦複合塗層的摩擦係數可以低至0.4以下。
權利要求
1.一種氮化鉻鋁鈦複合塗層，至少包括粘結層、支撐層和主耐磨層，支撐層附著在粘結層上面，主耐磨層附著在支撐層上面，粘結層為Cr，支撐層為CrN，其特徵在於主耐磨層是由TiAlN層與CrTiAlN層交替構成的多層複合塗層。
2.根據權利要求1所述的氮化鉻鋁鈦複合塗層，其特徵在於粘結層厚度為50 100 納米，支撐層厚度為100 500納米，主耐磨層厚度為3 10微米。
3.根據權利要求1所述的氮化鉻鋁鈦複合塗層，其特徵在於所述TiAlN層為納米晶結構，每層TiAlN厚度為0. 5 1. 5微米，晶粒尺寸為5 30納米；所述CrTiAlN層為CrN 和TiAlN交替構成的超晶格結構，每層CrTiAlN厚度為1 3微米，調製周期為4 25納米。
4.一種沉積有如權利要求1所述複合塗層的刀具，至少包括刀具基體，其特徵在於氮化鉻鋁鈦複合塗層的粘結層沉積在刀具基體上。
5.根據權利要求4所述的刀具，其特徵在於刀具基體為硬質合金刀具。
6.一種權利要求4所述刀具的製備方法，其特徵在於包括以下步驟將表面潔淨的刀具基體裝夾在工件架上進行輝光清洗；輝光清洗結束後，在Ar氣環境、真空度1. 5X ΙΟ"2 2. 5X IO^2Pa,200 400°C、-600 -900V偏壓條件下，打開多弧Cr靶在刀具基體上沉積 Cr粘結層；然後在氮氣環境、真空度1. 5 3. OPa,300 400°C、-100 -400V偏壓條件下，在Cr粘結層上沉積CrN支撐層；在氮氣環境下，真空度3. 0 5. OPa,300 40(TC、偏壓-50 -200V條件下，打開TiAl靶，在CrN支撐層上沉積主耐磨層，主耐磨層為TiAlN層與CrTiAlN層交替構成的多層複合塗層；沉積結束後，自然冷卻，得到沉積有氮化鉻鋁鈦複合塗層的刀具。
7.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於所述刀具基體為硬質合金刀具，工件架的公轉速度為1 12轉/分。
8.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於粘結層厚度為50 100納米，支撐層厚度為100 500納米，主耐磨層厚度為3 10微米。
9.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於所述TiAlN層為納米晶結構，每層 TiAlN厚度為0. 5 1. 5微米，晶粒尺寸為5 30納米；所述CrTiAlN層為CrN和TiAlN交替構成的超晶格結構，每層CrTiAlN厚度為1 3微米，調製周期為4 25納米。
全文摘要
本發明公開了一種氮化鉻鋁鈦複合塗層、沉積有該塗層的刀具及製備方法。在刀具基體上依次沉積Cr粘結層、CrN支撐層和主耐磨層，其中，主耐磨層是由納米晶結構的TiAlN層與超晶格結構的CrTiAlN層交替構成的多層複合塗層，即得到上述具有氮化鉻鋁鈦複合塗層的刀具。本發明提供的氮化鉻鋁鈦複合塗層結合了超晶格結構和納米晶結構的優點，硬度高、摩擦係數低、附著力強、抗氧化溫度高，所得刀具具有高的表面硬度、較強的膜-基附著力、良好的耐磨性能和耐高溫性能。
文檔編號B32B15/04GK102166849SQ201010596
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者付德君, 楊兵, 田燦鑫, 閆少健 申請人:武漢新鉻塗層設備有限公司