一种多元纳米叠层涂层刀具及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多元纳米叠层涂层刀具及其制备方法，刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，刀具基体材料表面具有TiBCrC+AlVCN交替分布的多元纳米叠层涂层，该叠层涂层至少含有两个TiBCrC和两个AlVCN单个层，且TiBCrC与AlVCN单个层的厚度小于等于50nm；该涂层的制备方法采用多弧离子镀+中频磁控溅射方式。该刀具表面叠层涂层综合了碳化物涂层、碳氮化物涂层及叠层结构的优点，使得刀具涂层内部残余应力明显较低，涂层与基体及涂层间结合强度较高；同时，涂层具有较高的硬度、良好的物理机械性能、热稳定性、抗氧化性和抗磨损性等。该刀具弥补了单一涂层加工对象的局限性，可广泛应用于不锈钢、钛合金、铝合金等材料的切削加工。

A multicomponent nano-laminated coated tool and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种多元纳米叠层涂层刀具及其制备方法
本专利技术属于机械切削刀具制造
，特别涉及了一种TiBCrC+AlVCN多元纳米叠层涂层刀具及其制备方法。
技术介绍
刀具涂层技术是一种优质的表面改性技术，涂层刀具具有高硬度、良好的耐热性、抗氧化性和抗腐蚀性等优点，对刀具表面进行涂层处理是提高刀具寿命的重要方法之一。近年来，为进一步提高刀具性能，涂层刀具已由单层向多元化和复合化发展；同时，单一涂层在使用过程中受到很大局限性，通过制备叠层复合涂层，既能兼顾单一涂层的优良性能，又能弥补其局限性，从而显著提高涂层刀具性能。中国专利技术专利“申请号：201710533151.7”报道了一种AlNbN/AlNbCN叠层涂层刀具及其制备工艺，该刀具综合了AlNbN和AlNbCN涂层刀具优点，具有良好的物理机械性能，可广泛用于钛合金、不锈钢等材料的切削加工。中国专利技术专利“申请号：2011102143939.2”报道了一种梯度叠层涂层刀具及其制备方法，该叠层涂层刀具综合了ZrN、ZrTiN及梯度叠层结构的特点，具有高的硬度和耐磨性能。中国专利技术专利“申请号：201810077086.6”报道了一种氮化硅-硬质合金梯度涂层刀具及其制备方法，该梯度叠层涂层采用激光熔覆方法制备，兼顾氮化硅基陶瓷和硬质合金的特点，既具有良好的韧性又具有较高的硬度和耐磨性能。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种多元纳米叠层涂层刀具及其制备方法。该刀具表面叠层涂层综合了碳化物涂层、碳氮化物涂层及叠层结构的优点，使得刀具涂层内部残余应力明显较低，涂层与基体及涂层间结合强度较高，同时，涂层具有较高的硬度、良好的物理机械性能、热稳定性、抗氧化性和抗磨损性等。该刀具弥补了单一涂层加工对象的局限性，可广泛应用于不锈钢、钛合金、铝合金等材料的切削加工。技术方案：本专利技术的一种多元纳米叠层涂层刀具，刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，基体材料表面具有TiBCrC+AlVCN交替分布的多元纳米叠层涂层。该叠层涂层至少含有两层TiBCrC和两层AlVCN单个层，且TiBCrC与AlVCN单个层的厚度小于等于50nm。TiBCrC涂层中Ti元素原子百分比在30-40％，B元素原子百分比在5-20％，Cr元素原子百分比在10-40％，C元素原子百分比在20-40％，所述Ti、B、Cr、C元素原子百分比之和为1；AlVCN涂层中Al元素原子百分比在30-40％，V元素原子百分比在5-15％，C元素原子百分比在20-40％，N元素原子百分比在20-40％，所述Al、V、C、N元素原子百分比之和为1。本专利技术的一种多元纳米叠层涂层刀具的制备方法，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备TiBCrC与AlVCN交替分布的多元纳米叠层涂层。其具体制备方法，包括以下步骤：(1)前处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10-3-8.0×10-3Pa，加热至200-300℃，保温时间30-40min；(2)离子清洗：通入Ar2，其压力为0.5-2.0Pa，开启偏压电源，电压700-1200V，占空比0.3，辉光放电清洗20-30min；偏压降低至300-800V，开启离子源离子清洗20-30min，开启电弧源Ti靶，偏压400-600V，靶电流40-80A，离子轰击Ti靶0.5-1min；(3)沉积TiBCrC层：调整工作气压为0.5-2.0Pa，偏压100-200V，调整Ti靶电流60-120A；开启BCrC复合靶电弧电源，靶电流调至60-80A，沉积TiBCrC涂层5-10min；(4)沉积AlVCN层：关闭Ti靶和BCrC复合靶，开启N2，调整N2流量为100-300sccm，调整工作气压为0.5-1.0Pa，偏压100-150V，开启AlVC复合靶电弧电源，靶电流调至60-80A，沉积AlVCN涂层5-10min；(5)沉积TiBCrC+AlVCN交替叠层涂层：重复以上步骤(3)和(4)，交替沉积TiBCrC+AlVCN叠层涂层；(6)后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温30-60min，涂层结束。其中，TiBCrC+AlVCN交替叠层涂层总层数为4-100层。有益效果：1.本专利技术的叠层涂层刀具具有较高的硬度、良好的热稳定性、抗氧化性等，可显著提高提出刀具的切削性能；2.TiBCrC+AlVCN叠层涂层克服了单一涂层的局限性，增加了涂层刀具适用范围，纳米涂层能够显著提高涂层与基体及涂层间结合强度，减少涂层内应力；3.该刀具可广泛应用于不锈钢、钛合金、铝合金等材料的切削加工。附图说明图1为本专利技术的多元纳米叠层涂层刀具结构示意图，其中：1为刀具基体材料，2为TiBCrC层，3为AlVCN层，4为TiBCrC+AlVCN交替叠层硬涂层。具体实施方式实例1：本专利技术的一种多元纳米叠层涂层刀具，刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，其特征在于：刀具基体材料表面具有TiBCrC+AlVCN交替分布的多元纳米叠层涂层。该叠层涂层至少含有两层TiBCrC和两层AlVCN单个层，且TiBCrC与AlVCN单个层的厚度小于等于50nm。TiBCrC涂层中Ti元素原子百分比在30％，B元素原子百分比在20％，Cr元素原子百分比在30％，C元素原子百分比在20％，所述Ti、B、Cr、C元素原子百分比之和为1；AlVCN涂层中Al元素原子百分比在30％，V元素原子百分比在10％，C元素原子百分比在30％，N元素原子百分比在30％，所述Al、V、C、N元素原子百分比之和为1。本专利技术的一种多元纳米叠层涂层刀具的制备方法，其特征在于采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备TiBCrC与AlVCN交替分布的多元纳米叠层涂层。其具体制备方法，包括以下步骤：(1)前处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入酒精和丙酮中超声清洗各30min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为8.0×10-3Pa，加热至300℃，保温时间30min；(2)离子清洗：通入Ar2，其压力为2.0Pa，开启偏压电源，电压1000V，占空比0.3，辉光放电清洗30min；偏压降低至600V，开启离子源离子清洗25min，开启电弧源Ti靶，偏压500V，靶电流60A，离子轰击Ti靶1min；(3)沉积TiBCrC层：调整工作气压为1.5Pa，偏压200V，调整Ti靶电流100A；开启BCrC复合靶电弧电源，靶电流调至80A，沉积TiBCrC涂层8min；(4)沉积AlVCN层：关闭Ti靶和BCrC复合靶，开启N2，调整N2流量为300sccm，调整工作气压为1.0Pa，偏压150V，开启AlVC复合靶电弧电源，靶电流调至80A，沉积AlVCN涂层8min；(5)沉积TiBCrC+AlVCN交替叠层涂层：重复以上步骤(3)和(4)，交替沉积TiBCrC+AlVCN叠层涂层，使得总层数为20层；(6)后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温60min，涂层结束。实例2：本专利技术的一种多元纳米叠层涂层刀具，刀具基体材料为高速钢、硬质合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多元纳米叠层涂层刀具，刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，其特征在于：刀具基体材料表面具有TiBCrC+AlVCN交替分布的多元纳米叠层涂层。该叠层涂层至少含有两层TiBCrC和两层AlVCN单个层，且TiBCrC与AlVCN单个层的厚度小于等于50nm。

【技术特征摘要】
1.一种多元纳米叠层涂层刀具，刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，其特征在于：刀具基体材料表面具有TiBCrC+AlVCN交替分布的多元纳米叠层涂层。该叠层涂层至少含有两层TiBCrC和两层AlVCN单个层，且TiBCrC与AlVCN单个层的厚度小于等于50nm。2.根据权利要求1所述的多元纳米叠层涂层刀具，其特征在于：所述TiBCrC涂层中Ti元素原子百分比在30-40％，B元素原子百分比在5-20％，Cr元素原子百分比在10-40％，C元素原子百分比在20-40％，所述Ti、B、Cr、C元素原子百分比之和为1；AlVCN涂层中Al元素原子百分比在30-40％，V元素原子百分比在5-15％，C元素原子百分比在20-40％，N元素原子百分比在20-40％，所述Al、V、C、N元素原子百分比之和为1。3.如权利要求1或2所述的多元纳米叠层涂层刀具的制备方法，其特征在于：采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备TiBCrC与AlVCN交替分布的多元纳米叠层涂层。4.根据权利要求3所述的多元纳米叠层涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)前处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10-3-...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢佑强，刘磊，吴泽，贾源，黄鹏，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32