一种刀具表面CrN-CrAlSiN阶梯状多元复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种刀具表面CrN‑CrAlSiN阶梯状多元复合涂层及其制备方法，包括如下步骤：1)对刀具的表面进行清洁；2)在刀具的表面溅射CrN涂层，靶材为CrN合金；3)在溅射有CrN涂层的刀具表面溅射CrAlSiN涂层，靶材为CrAlSiN合金，溅射环境为氩气环境。本发明专利技术通过在硬质合金刀具表面溅射CrN‑CrAlSiN阶梯状多元复合涂层，使刀具材料与CrN过渡层和CrAlSiN涂层材料紧密的结合在一起，有效地防止了涂层刀具使用过程中的脱落问题，延长了涂层刀具的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化工材料
，具体涉及一种刀具表面CrN-CrAlSiN阶梯状多元复合涂层及其制备方法。
技术介绍
切削刀具大部分采用涂层工艺来提高它们的使用性能。涂层作为化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了刀具的磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性。涂层采用的材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化以及与基体附着牢固等要求。CrAlSiN涂层具有硬度高的特点，但是其容易从刀具基片表面剥落，造成刀具的使用寿命降低。虽然已经有专利指出采用CrAlSi复合靶材由射频阴极控制，用Ar与N2的混合气体进行溅射，溅射出来Cr、Al、Si离子与混合气体中的N离子发生复杂的化学反应，形成CrAlN基体相和Si3N4界面相的混合体，但是涂层内部形成Si3N4界面相包裹CrAlN纳米等轴晶粒的复杂结构，导致CrAlSiN的组织成分不均匀，涂层的性能难以保证。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的一个目的是提供一种刀具表面CrN-CrAlSiN阶梯状多元复合涂层的制备方法，该方法可以将CrAlSiN涂层牢牢地结合在刀具基片表面，有效防止CrAlSiN涂层从刀具基片表面剥落。本专利技术的另一个目的是提供一种刀具表面CrN-CrAlSiN阶梯状多元复合涂层，该复合涂层由上述制备方法制备而来，从内到外依次为CrN涂层和CrAlSiN涂层，CrN涂层作为CrAlSiN涂层与基体之间的过渡层，主要目的是增加CrAlSiN涂层与基体间的结合强度。得到的CrAlSiN涂层厚度和组织成分均匀，晶体颗粒小。为了解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：一种刀具表面CrN-CrAlSiN阶梯状多元复合涂层的制备方法，包括如下步骤：1)对刀具的表面进行清洁；2)在刀具的表面溅射CrN涂层，靶材为CrN合金；3)在溅射有CrN涂层的刀具表面溅射CrAlSiN涂层，靶材为CrAlSiN合金，溅射环境为氩气环境。采用组织成分均匀的CrAlSiN合金靶材，用氩气进行溅射，最终在CrN涂层表面形成组织成分均匀的CrAlSiN涂层，可以提高CrAlSiN涂层与DLC涂层之间结合强度的均匀性，进而整体提高了CrAlSiN涂层与CrN涂层之间的结合力，成功解决了主耐磨层-CrAlSiN涂层的整体抗磨能力不均衡、易脱落的问题。同时，制备得到的CrAlSiN涂层质地均匀、表面光滑，减小了摩擦系数，减小了在使用过程中的磨损，延长了刀具的使用寿命。优选的，步骤1)中，首先对刀具基片表面进行抛光处理，使其达到设定的粗糙度，清洗、干燥后在磁控溅射室中被氩离子清洁，直至达标。进一步优选的，抛光后的刀具基片表面粗糙度为0.02-0.04μm，进一步的粗糙度为0.03μm。有利于提高基体和涂层的结合强度。进一步优选的，采用超声清洗机对抛光后的刀具基片进行清洗，干燥的温度为120-200℃。有利于清洗液的干燥挥发。进一步优选的，刀具在磁控溅射室中被氩离子清洁时，氩气的压力为1.5-2.5Pa，施加200-220V偏压，清洁的时间为20-35min。可提高基体表面的洁净度。优选的，步骤2)中，溅射CrN涂层时，氩气的压力为2.0-3.0Pa，施加200-220V偏压，溅射的时间为35-45min。在这种条件下，CrN涂层和基体有好的结合强度。优选的，步骤3)中，溅射CrAlSiN涂层时，靶材为CrAlSiN合金，氩气的压力为2.0-3.0Pa，施加35-45V偏压，溅射的时间为55-65min。这种条件下形成的CrAlSiN涂层厚度均匀，晶体颗粒小，涂层硬度、强度和耐磨损性能好。利用上述制备方法制备得到的多元复合涂层，从刀具基片表面到外依次包括CrN涂层和CrAlSiN涂层。优选的，CrN涂层的厚度为150-200nm，CrAlSiN涂层的厚度为1700-2300nm。这样的厚度可以保证涂层刀具表层既有足够的强度，又有一定的摩擦磨损性能。一种涂覆有上述多元复合涂层的刀具。本专利技术的有益技术效果为：本专利技术通过在硬质合金刀具表面溅射CrN-CrAlSiN阶梯状多元复合涂层，使刀具材料与CrN过渡层形成物理化学结合层，CrN过渡层和CrAlSiN涂层形成化学结合层，如果硬质合金刀具表面直接溅射CrAlSiN，则刀具材料与CrAlSiN涂层较难形成化学结合层，通过溅射CrN过渡层，可以有效地防止涂层刀具使用过程中的脱落问题，延长了涂层刀具的使用寿命。本专利技术将CrAlSiN合金作为靶材，采用磁控离子溅射工艺，真空室气压低，得到的涂层厚度均匀、组织成分均匀，晶粒颗粒小，涂层的硬度、强度以及耐磨损性能好。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1一种刀具表面CrN-CrAlSiN阶梯状多元复合涂层的制备方法。该方法包括如下步骤：1.硬质合金刀具基片的清洁和干燥刀具基片表面进行抛光处理，粗糙度值为Ra＝0.03μm，然后经超声波清洗机清洗，再放入恒温干燥箱中干燥，温度120℃。2.硬质合金刀具基片的清洁刀具基片放入磁控溅射室中，气压抽至5×10-5Pa之下后，基片被加热到合适的温度，然后通入氩气，在2Pa压力下，施加200V偏压，刀具基片被氩离子清理30分钟。3.溅射CrN过渡涂层在磁控溅射室中通入氩气，压力为2.5Pa，施加200V偏压，靶材采用CrN合金，溅射时间为40分钟。4.溅射CrAlSiN涂层在磁控溅射室中通入氩气，压力为2.5Pa，施加40V偏压，靶材采用CrAlSiN合金，溅射时间为60分钟。得到的CrN涂层的厚度为150nm，CrAlSiN涂层的厚度为2000nm。在CA6140型车床上进行刀片寿命试验测试：材料为45钢，平均硬度为HB188。刀具前角-6°，后角6°，刃斜角-6°，主偏角75°，刀尖角90°，刀片边长12.7mm，刀片厚度4.76mm。走刀量0.41mm/r，切削深度2mm，切削速度200m/min，刀片连续切削50-200s后，测量后刀面磨损值VB，当VB达到0.3mm时，累计切削时间作为刀片寿命。涂层的硬度为50GPa，表面粗糙度为2.3纳米，摩擦系数为0.12，采用划痕试验测得涂层与基体间的结合力为78N，刀片寿命为27min。对比例1与实施例1的区别为CrAlSiN涂层的制备方法：利用CrAlSi复合靶材在真空室内进行沉积CrAlSiN层，复合靶材由射频阴极控制，溅射气氛采用Ar与N2的混合气体，其余的参数与实施例1相同，得到2μm的CrAlSiN涂层。制备得到的涂层的硬度为36GPa，表面粗糙度为3.9纳米，摩擦系数为0.27，涂层与基体间的结合力为63N，刀片寿命为17min。对比例2与实施例1的区别为：没有CrN涂层的制备，直接将CrAlSiN涂层溅射到刀片的基体上，其他参数与实施例1相同。制备得到的涂层的硬度为42GPa，表面粗糙度为3.3纳米，摩擦系数为0.25，涂层与基体间的结合力为62N，刀片寿命为13min。实施例2一种刀具表面CrN-CrAlSiN阶梯状多元复合涂层的制备方法。该方法包括如下步骤：2.硬质合金刀具基片的清洁和干燥刀具基片表面进行抛光处理，粗糙度值为Ra＝0.04本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种刀具表面CrN‑CrAlSiN阶梯状多元复合涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1)对刀具的表面进行清洁；2)在刀具的表面溅射CrN涂层，靶材为CrN合金；3)在溅射有CrN涂层的刀具表面溅射CrAlSiN涂层，靶材为CrAlSiN合金，溅射环境为氩气环境。

【技术特征摘要】
1.一种刀具表面CrN-CrAlSiN阶梯状多元复合涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1)对刀具的表面进行清洁；2)在刀具的表面溅射CrN涂层，靶材为CrN合金；3)在溅射有CrN涂层的刀具表面溅射CrAlSiN涂层，靶材为CrAlSiN合金，溅射环境为氩气环境。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，首先对刀具基片表面进行抛光处理，使其达到设定的粗糙度，清洗、干燥后在磁控溅射室中被氩离子清洁，直至达标。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：抛光后的刀具基片表面粗糙度为0.02-0.04μm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：采用超声清洗机对抛光后的刀具基片进行清洗，干燥的温度为120-200℃。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：刀具在磁控溅射室中被氩离子清洁时，氩气的压力为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，周洋，张锡健，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37