本发明专利技术公开了CrxAlyY1‑x‑yN纳米复合刀具镀层制备方法，具体为：首先对刀具进行清洗和离子清洗，然后依次在刀具表面沉积Cr打底层、Cr‑N梯度过镀层、Cr‑Al‑Y‑N梯度过渡层和CrxAlyY1‑x‑yN纳米复合工作层，即完成铣刀镀层的制备。本发明专利技术所制备的氮化物复合镀层，厚度均匀，微观组织为纳米复合硬质镀层，稀土Y元素的存在可控制室温的晶粒尺度，维持高的硬度和韧性，而Y的优先氧化，降低了温升过程中维持高硬度的Cr的氮化物的氧化程度，保证随温度升高，镀层的硬度及韧性均具有良好的稳定性。因此该镀层适用于高速运转切削工具，作为镀层沉积刀具表面后可以明显提高其使用寿命。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属材料表面改性
，涉及一种CrjlyYixyN纳米复合刀具镀 层制备方法。
技术介绍
刀具切削磨损对材料的要求更高，这是因为切削环境的特殊性，失效机制更为复 杂。首先，刀具受切削热的影响不可避免，因为除摩擦热之外，超过70%的热量是由于工 件材料在切削过程中的塑性变形产生的，特别是在干切削的情况下，温升速率更快，温度更 高，对刀具的影响也更大；其次，刀具与工件的接触面积较小，刀具的切削刃往往受极高的 载荷和剪切力，而力的存在极大的影响甚至改变了材料的基本性能，提高了材料的化学活 性，从而加速了材料热氧化和热扩散的程度；最后，切削磨损过程中除了高温和高压不可避 免外，刀具始终承受着力和热的冲击作用，对镀层的断裂韧性和高温韧性有较高的要求，特 别是断续切削的状态下，更要求刀具具有一定的抗疲劳和热疲劳的性能。因此，刀具镀层的 热稳定性不仅强调红硬性，更应该要求高温韧性的稳定性。 镀层刀具由于良好的切削性能已成为刀具技术的一个重要发展方向。PVD制备的 纳米复合硬质薄膜在强度、硬度和摩擦系数上都优于块体材料，可有效改善刀具的磨损性 能。但是，纳米硬质镀层的PVD制备技术往往都是非平衡状态下沉积的，处于高能状态。镀 层的内应力远远超过其他材料，一般为1〇 7~l〇9Pa数量级。这样大的内应力镀层极易易 失稳。其次，由于晶粒尺寸、缺陷密度的有效控制正是纳米多层膜可提高材料性能的设计思 想，而这种结构也属于热力学不稳定状态。因此，加热过程中，特别是高温时镀层氧化和相 变极易引起热失稳，而内应力的变化必然较大，从而引起镀层开裂、剥落等。现有研究大多 更关注镀层的抗氧化性能和红硬性上，对解决韧性稳定性的研究较少，而良好的韧性对镀 层抵抗切削过程中的冲击载荷是非常重要的。 尽管纳米复合结构的镀层可以维持一定的细晶，但微纳米晶在受热条件下也更容 易长大，要保持镀层晶粒的细小更为不易。目前，在TiSiN、TiBN体系中有报道表明由于调 幅分解可以维持一定的热稳定性，在其他体系中尚未见报道，但TiN系的抗氧化性能较CrN 差，如果在抗氧化性能较好的CrAIN系的镀层中可存在相同原理的体系，使得镀层不仅保 持良好的抗氧化性能，而且还能维持第二相的稳定，在温升中仍然能够钉扎住晶界，那么， 该镀层理论上即可具有良好的高温硬度和韧性。 稀土元素可细化晶粒，提高镀层的室温力学性能，同时，随着温度升高，由于反应 元素的效应，生成的氧化物能够钉扎在晶界处，阻碍晶界的移动，有效抑制镀层的回复与再 结晶过程、可以阻止温升过程中的晶粒长大，维持镀层组织的稳定性，提高镀层各成分的分 解温度，能够很好的维持镀层的硬度和韧性。但由于反应元素的活性，稀土元素很少以纯金 属存在，同时由于制备设备的限制，很少有用纯金属靶材制备的报道，现有的报道中，PVD制 膜时往往采用含有稀土元素的合金靶，但合金靶存在不同元素溅射额不同，镀层结构和成 分不能精确控制，因此，镀层性能的优势也并不能很好的体现。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供C^AlyYi x y，所制备得到的镀 层硬度及韧性均具有良好的稳定性，适用于高速运转切削工具，并且能够明显提高刀具的 使用寿命。 本专利技术所采用的技术方案是，C^AlyYi x y，具体按以 下步骤实施： 步骤1，清洗刀具： 对刀具依次进行超声波丙酮清洗、酒精清洗，烘干，确保刀具表面的洁净程度； 步骤2,刀具离子清洗； 步骤3,制备打底层： 在刀具表面沉积Cr金属层； 步骤4,制备过渡层1 : 在打底层上沉积Cr-N梯度镀层；步骤5，制备过渡层2 : 在过渡层1上沉积Cr-Al-Y-N梯度镀层； 步骤6,制备工作层： 在过渡层2上沉积ChAlyYi x yN纳米复合镀层。 本专利技术的特点还在于， 步骤2具体为：将清洗后的刀具装入镀膜机内，抽真空，当背底真空度达到 5. 0 X 10 5Pa以下，通入氩气Ar，流量控制为15~25sccm，设置工件偏压为-300~-250V，N2 气流量控制开关OEM关闭，开启4个靶材，4个靶材分别为A1靶、Y靶和两个Cr靶，靶电流设 置为1&= 0? 6A，I A1= 0? 2A，I Y= 0? 2A，脉冲频率设置为250KHz，脉冲宽度设置为1400ns， 进行离子清洗，清洗时间为600~1200s。 步骤3具体为：设置氩气流量为15~25sccm，靶电流IA1= 0. 2A，I Y= 0. 2A，脉冲 频率为250KHz，将OEM打开，设定值为100%，脉冲宽度降为500ns，同时设置靶电流1&和 工件偏压，进行Cr金属层沉积。 靶电流1&和工件偏压的设置具体为：在60~120s内，I &由0. 6A升至2A、工件 偏压从-300~-250V降至-70~-50V ;Cr金属层的沉积时间为240~360s。 步骤4具体为：设置氩气流量为15~25sccm，工件偏压为-70~-50V，靶电流1 & =2A，IA1= 0. 2A，I Y= 0. 2A，脉冲频率为250KHz，脉冲宽度为500ns，同时设置心通入流 量，开始通入N2，进行Cr-N梯度镀层沉积。 N2通入流量设置具体为：在60~120s内，OEM由100%逐步降到80% ;Cr-N梯度 镀层沉积时间为360~480s。 步骤5具体为：设置氩气流量为15~25sccm，工件偏压为-70~-50V，靶电流1 & =2A，保持脉冲频率为250KHz，脉冲宽度为500ns不变，同时设置靶电流IA1、1￥和N 2通入 流量，进行Cr-Al-Y-N梯度镀层沉积。 靶电流IA1、1￥和N 2通入流量的设置具体为：在60~120s内，I虹从0? 2A逐步上 升到24，1￥从0.24逐步上升到1~34，(^11由80%逐步降到45%;〇4144梯度镀层沉 积时间为800~1200s。 步骤6具体为：设置氩气流量为15~25sccm，工件偏压为-70~-50V，靶电流 I &= 2A，IA1= 2A，IY= 1~3A，0EM为45%，脉冲频率为250KHz，脉冲宽度为500ns，进行 C^AlyYi x yN纳米复合镀层沉积。 Cr^lyYi x yN纳米复合镀层沉积时间为4000~6000s。 本专利技术的有益效果是，本专利技术所制备的氮化物复合镀层，选择抗氧化性能良好的 CrAIN镀层为基，制备镀层晶粒为纳米级别的层状复合镀层。利用稀土 Y元素的优先氧化， 降低了温升过程中Cr氮化物的氧化程度，且生成的Y203氧化物能继续钉扎在晶界，维持晶 粒的细小，保证随温度升高，镀层的硬度及韧性均具有良好的热稳定性。 此外，本专利技术中所有靶材均为纯金属，通过单独控制各个靶材电流，精确控制镀层 的结构和成分，使镀层沿垂直基体方向为成分渐变的梯度结构，其梯度依次为：高速钢基体 -Cr金属过渡层一N含量逐渐增加的Cr-N梯度层一金属成分逐渐增加的Cr-Al-Y-N梯度 层一成分稳定的纳米复合硬质工作层。该结构可很好的防止沉积结构变化带来的应力集 中，镀层具有更好的韧性和膜基结合。 基于此，该镀层具有良好的切削磨损性能，作为镀层沉积刀具表面后可以明显提 高其使用寿命，不仅可适用于高速本文档来自技高网...
【技术保护点】
CrxAlyY1‑x‑yN纳米复合刀具镀层制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：步骤1，清洗刀具：对刀具依次进行超声波丙酮清洗、酒精清洗，烘干，确保刀具表面的洁净程度；步骤2，刀具离子清洗；步骤3，制备打底层：在刀具表面沉积Cr金属层；步骤4，制备过渡层1：在打底层上沉积Cr‑N梯度镀层；步骤5，制备过渡层2：在过渡层1上沉积Cr‑Al‑Y‑N梯度镀层；步骤6，制备工作层：在过渡层2上沉积CrxAlyY1‑x‑yN纳米复合镀层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：白力静，常克书，黄米红，李艳，高峰，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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