本发明专利技术一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层，由Cr、Al、Ti、Si和N元素组成，其中Cr、Al、Ti、Si、N的原子比为12‑16%、20‑24%、4‑8%、6‑10%和48‑52%。还提供了上述刀具保护性涂层的制备方法，先对基体进行超声清洗和离子清洗；将经过清洗处理后的基体送到溅射室，沉积CrN过渡层；将沉积了CrN过渡层的基体再沉积CrAlN过渡层；将沉积了CrAlN过渡层的基材，利用射频阴极控制的CrAlTiSi复合靶材，沉积CrAlTiSi纳米复合涂层。本发明专利技术的CrAlTiSiN涂层不但具有高于40GPa的硬度，而且具有优良的高温服役性能，可满足1000℃下进行服役的高速切削刀具。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料学领域，涉及一致表面改性技术，具体是一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层及其制备方法。
技术介绍
随着现代机械加工工业的发展，人们对切削刀具提出了越来越高的要求。在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定的影响。刀具性能的两个关键指标—硬度和强度，它们之间总存在着矛盾，硬度高的材料强度低，而提高强度往往是以硬度的降低为代价。为了解决硬质合金材料中存在的这种矛盾，更好地提高刀具的切削性能，比较有效的一种方法是采用各种涂层技术，在刀具基体上涂覆上一层高硬度、高耐磨损性能的涂层材料，将刀具基体与硬质涂层相结合，从而使刀具的性能大大提高。刀具表面上的涂层作为一个化学屏障和热屏障， 减少了刀具的月牙洼磨损， 可以显著地提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。然而，随着高精度、高速切削、干式切削等技术的发展，刀具服役环境的恶化，对涂覆在其表面的涂层性能也提出了更高的要求，不仅要具备高硬度、高弹性模量、耐磨性和韧性等机械性能，还要具备抗高温氧化性能、耐蚀性以及优异的高温力学性能。传统的涂层，如TiN、CrN甚至TiAlN涂层已逐渐不能满足苛刻的性能要求。近年来，基于Cr、Al、Ti、Si、N五种主要元素形成的CrAlTiSiN保护性涂层由于具有纳米复合结构，使其具有超高的硬度、优异的耐磨性、耐蚀性以及高温稳定性，CrAlTiSi涂层不但具有高于40GPa的硬度，而且具有优良的高温服役性能，可满足1000℃下进行服役的高速切削刀具，该涂层材料已成为新一代高性能保护性涂层的代表，可作为高速切削、干式切削的刀具涂层和其他领域的保护涂层。目前，通过查询文献可知CrAlTiSiN涂层在专利文献中报道不多，通过查新检索，与CrAlTiSiN涂层成分相近的涂层及其制备方法有以下相关专利：申请号为201310132567.X的专利涉及一种具有CrAlTiN超晶格涂层的数控刀具及其制备方法，包括超细晶硬质合金刀具本体，刀具本体外表面沉积有包括有Ti金属粘附层、TiN支持层、CrAlN层与TiN层交替构成的多层耐磨层，本专利技术能解决现有技术中的数控刀具耐磨性能差，摩擦系数较高的问题，具有硬度较高并且耐磨性能好、摩擦系数较低的优点，可以显著提高刀具的寿命，改善加工部件的表面质量。申请号为201410152265.3 的专利公开了一种具有超高硬度的基体保护涂层及制备方法。所述具有超高硬度的基体保护涂层为二层的层状结构，靠近基体的涂层为TiAlN过渡层，TiAlN过渡层的表面是致密的CrAlTiN四元陶瓷涂层。其制备方法即首先将表面清洗后的基体在其表面依次采用多弧离子镀反应沉积TiAlN过渡层、CrAlTiN四元陶瓷涂层。本专利技术的具有超高硬度的基体保护涂层的制备方法具有制备工艺稳定、沉积速度快、制备成本低，且最终CrAlTiN涂层与基体的结合强度高等优点。申请号为201510253841.8的专利公开了一种高硬度CrAlSiN纳米复合结构保护性涂层及其制备方法，制备包括如下步骤：(1)基体清洗，然后进行离子清洗；(2)CrN过渡层制备：将步骤(1)处理后的基体送到溅射室进行沉积CrN过渡层，Cr靶材由直流阴极控制，沉积200－300nm的CrN过渡层；(3)CrAlSiN层制备：CrAlSi复合靶材由射频阴极控制，在CrN过渡层表面沉积2～4μm的CrAlSiN纳米复合涂层。本专利技术所述涂层不但具有高硬度43.6GPa，而且具有优良的抗高温氧化性和耐腐蚀能力。申请号为201410436236.X的专利公开了一种含CrAlVN层和CrAlSiN层的复合涂层刀具及其制备方法。该复合涂层刀具包括刀具基体和沉积于刀具基体上的复合涂层，复合涂层包含有一交替沉积所述CrAlVN层和CrAlSiN层的周期性涂层，CrAlVN层和CrAlSiN层共格外延生长成超点阵结构。制备方法包括将刀具基体进行预处理，然后选择性沉积过渡层，再沉积CrAlVN层和CrAlSiN层的周期性涂层，得到复合涂层刀具。本专利技术的复合涂层刀具具有自润滑性、高硬度、高热性能及低摩擦系数等优点。申请号为201110344681.X的专利公开了一种抗高温氧化腐蚀性能与优异力学性能的CrAlSiN梯度涂层新工艺。采用多靶反应磁控溅射法在基材表面沉积CrAlSiN梯度涂层，其制备过程分成连续四个阶段进行：第一阶段制备Cr梯度涂层；第二阶段制备CrAl梯度涂层；第三阶段制备CrAlN梯度涂层；第四阶段制备CrAlSiN梯度涂层，再经退火处理即可。本专利技术通过合理设计各元素成分呈梯度变化微结构，使涂层抗氧化温度达950℃，硬度值达37GPa以上，与基材附着力高于34N，且涂层还具有优异的抗热震、耐磨损等性能。申请号为201410044737.3的专利公开了一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及制备方法。所述TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层由纳米复合结构的CrAlSiN层和TiN层交替沉积在基体上形成，靠近基体的一层为TiN层，最上层为纳米复合结构的CrAlSiN层；所述TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层厚度为2.0-3.2μm，所述纳米复合结构的CrAlSiN层厚度为1.2nm，所述的TiN层厚度为6.0nm。其制备方法包括清洗基体和交替溅射CrAlSiN层和TiN层等2个步骤。该TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层硬度较高，当Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为5:20时，其硬度高达39.7GPa。由以上专利文献分析可知，在现有技术中，并没有公开适用于高速切削的高硬度、高抗氧化性能的CrAlTiSiN保护性涂层以及制备方法，并且现有技术的制备方法在制备过程中能耗较大，成本高和效率较低等缺点。
技术实现思路
针对现有技术中的上述技术问题，本专利技术提供了一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层及其制备方法，所述的这种CrAlTiSiN刀具保护性涂层及其制备方法要解决现有技术中的刀具保护性涂层不合适高温高速切削、干式切削的技术问题，而且制备过程中能耗较大，成本高和效率较低的技术问题。本专利技术提供了一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层，所述涂层由Cr、Al、Ti、Si和N元素组成，其中Cr、Al、Ti、Si、N的原子比为12-16%、20-24%、4-8%、6-10%和48-52%。本专利技术还提供了上述的一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层的制备方法，包括如下步骤：1）一个清洗基体的步骤，将经打磨镜面抛光处理后的基体在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗5-10min；然后进行离子清洗：将样品装好后装入进样室，抽真空后开Ar气，维持真空度在2-4Pa，对所述基体进行20~40min的离子轰击，功率为100-120W；2）一个制备CrN过渡层的步骤，将步骤1）处理后的基体送到溅射室，通过直流电源控制Cr靶，真空室的本底真空度小于510-3Pa，溅射气氛采用Ar和N2的混合气体，溅射功率为80-120W，溅射时间为5-10min，进行沉积100-200nm的CrN过渡层；3）一个制备CrAlN过渡层的步骤，将步骤2）处理后的基体通过直流电源控制CrAl靶，其中Cr:Al的原子比为50%:50%，真空室的本底真空度小于510-3Pa，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层，其特征在于：所述涂层由Cr、Al、Ti、Si和N元素组成，其中Cr、Al、Ti、Si、N的原子比为12‑16%、20‑24%、4‑8%、6‑10%和48‑52%。
【技术特征摘要】
1.一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层，其特征在于：所述涂层由Cr、Al、Ti、Si和N元素组成，其中Cr、Al、Ti、Si、N的原子比为12-16%、20-24%、4-8%、6-10%和48-52%。2.权利要求1所述的一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）一个清洗基体的步骤，将经打磨镜面抛光处理后的基体在无水乙醇和丙酮中利用超声波清洗5-10min；然后进行离子清洗：将样品装好后装入进样室，抽真空后开Ar气，维持真空度在2-4Pa，对所述基体进行20~40min的离子轰击，功率为100-120W；2）一个制备CrN过渡层的步骤，将步骤1）处理后的基体送到溅射室，通过直流电源控制Cr靶，真空室的本底真空度小于510-3Pa，溅射气氛采用Ar和N2的混合气体，溅射功率为80-120W，溅射时间为5-10min，进行沉积100-200nm的CrN过渡层；3）一个制备CrAlN过渡层的步骤，将步骤2）处理后的基体通过直流电源控制CrAl靶，其中Cr:Al的原子比为50%:50%，真空室的本底真空度小于510-3Pa，溅射气氛采用Ar和N2的混合气体，溅射功率为80-120W，溅射时间为5-10min，进行沉积100-200nm的CrAlN过渡层；4）一个制备CrAlTiSiN主体涂层的步骤，将步骤3）处理后的基体进行沉积，射频阴极控制CrAlTiSi复合靶材，其中Cr、Al、Ti和Si的原子比为28%:44%:12%:16%，真空室的本底真空度小于...
【专利技术属性】
技术研发人员：张亚樑，李伟，
申请(专利权)人：上海都浩真空镀膜技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31
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