一种切削刀具表面多层梯度高温耐磨涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于高速切削用刀具表面真空镀膜改性领域，涉及一种切削刀具表面多层梯度高温耐磨涂层及其制备方法。所述涂层由依次附着在切削刀具基体表面的厚度为5～15nm的Cr轰击植入层、厚度为1～2μm的Cr过渡层、厚度为2～4μm的CrN性能承载层和厚度为5～15μm的AlCrN硬质核心层组成；所述涂层通过HIPIMS和DCMS复合共沉积技术制备得到。所述涂层具有硬度高、与基体附着性能好且高温耐磨的优点。

A Multilayer Gradient High Temperature Wear Resistant Coating on Cutting Tool Surface and Its Preparation Method

The invention belongs to the field of vacuum coating modification on the surface of cutting tools for high speed cutting, and relates to a multi-layer gradient high temperature wear resistant coating on the surface of cutting tools and a preparation method thereof. The coatings consist of a chromium bombardment implant layer with thickness of 5-15 nm, a chromium transition layer with thickness of 1-2 micron, a chromium performance bearing layer with thickness of 2-4 micron and an AlCrN hard core layer with thickness of 5-15 micron. The coatings are prepared by HIPIMS and DCMS co-deposition technology. The coating has the advantages of high hardness, good adhesion to the matrix and high temperature and wear resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种切削刀具表面多层梯度高温耐磨涂层及其制备方法
本专利技术属于高速切削用刀具表面真空镀膜改性领域，涉及一种切削刀具表面多层梯度高温耐磨涂层及其制备方法。具体是采用高功率脉冲磁控溅射技术，利用其金属靶材离化率高的特点，于基体叠加适当脉冲偏压，在高速切削用刀具表面制备多层Cr/CrN/AlCrN梯度高温耐磨涂层。
技术介绍
目前，高速切削加工技术的发展对Cr基涂层的硬度、界面结合强度、耐磨性、耐高温氧化性提出了更加严苛的要求，单层Cr基涂层难以满足性能要求，而CrN涂层硬度较低，抗磨粒磨损能力较弱，为进一步提高其性能，采用多元技术添加Al、Ti、Ta、W等，其中最具代表性的是Cr-Al-N系列涂层。面心立方的CrN晶胞与TiN晶胞相比能固溶更多的Al(70～80at.％，立方TiAlN相中Al含量最高66at.％)；涂层中Al和N以共价键结合，热稳定性增加，晶粒更加均匀细小，使涂层具有足够硬度；但AlCrN涂层在高速干式切削工况下的使用寿命仍有待提高。高功率脉冲磁控溅射技术(HIPIMS)以其高的溅射离化率在近些年来广受关注；该项技术的峰值功率可达传统磁控溅射技术的100倍以上，可产生密度高达1018/m3量级的等离子体，并且在离化率较高的沉积粒子束流中不含“金属液滴”等大颗粒杂质。因此在控制涂层微结构的同时可获得优异的膜基结合性能，在提高涂层致密性、均匀性等方面具有较为显著的技术优势。但相对于传统的直流磁控溅射技术(DCMS)来说，HIPIMS仍有明显的缺点，其沉积速度一般比较低，放电稳定性和可控性有待改善。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种切削刀具表面多层梯度高温耐磨涂层及其制备方法，有效改善了该类刀具在高速干式切削工况下的使用寿命，从而满足该类材料在高速切削刀具表面改性方面的应用。本专利技术首先采用化学清洗、等离子体清洗增加基体表面洁净度，增强基体表面化学活性；然后通过向基体叠加适当脉冲负偏压，形成基体表面的Cr轰击植入层和Cr过渡层，显著提高了膜层与基底之间的附着力；然后通过CrN性能承载层调节AlCrN硬质核心层与基体力学和物理性质过渡，改善涂层附着力和疲劳性能；通过AlCrN硬质核心层实现了高硬度、高韧性及抗氧化性能的统一，从而提高涂层整体的高温耐磨性能。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下。一种切削刀具表面多层高温耐磨涂层，所述涂层由依次附着在切削刀具基体表面的Cr轰击植入层、Cr过渡层、CrN性能承载层和AlCrN硬质核心层组成；其中，Cr轰击植入层的厚度为5nm～15nm，Cr过渡层的厚度为1μm～2μm，CrN性能承载层的厚度为2μm～4μm，成分为：Cr的原子百分比为45％～55％，N的原子百分比为45％～55％，AlCrN硬质核心层的厚度为5μm～15μm，成分为：Al的原子百分比为20％～30％，Cr的原子百分比为15％～25％，N的原子百分比为50％～55％。一种切削刀具表面多层高温耐磨涂层的制备方法，采用复合高功率脉冲磁控溅射技术，在高速切削用刀具材料表面制备Cr/CrN/AlCrN高温耐磨涂层，所述方法步骤如下：(1)化学擦洗基体：切削刀具基体先用棉签蘸石油醚擦洗待镀样品表面，去除表面明显的油脂及粉尘颗粒；(2)化学清洗基体：依次采用石油醚、丙酮和无水乙醇对切削用刀具基体各进行25～30min超声波清洗，对工件表面进行去油及清洗处理，得到清洁的切削刀具基体；(3)加热及抽真空：将清洁的切削刀具基体安装在高功率脉冲磁控溅射设备镀膜真空室的工件架上，保证薄膜沉积时处于一定的温度和真空范围内，镀膜真空室内温度加热至150℃～200℃，真空度小于等于2×10-3Pa；(4)离子束清洗基体：镀膜真空室内通入Ar气，至真空度为1.5×10-2Pa～5.0×10-2Pa，基体上叠加150V～200V的脉冲偏压，打开离子源，离子源的工作电压为800V～1000V，用离子束对基体表面进行清洗，时间为15min～30min；(5)沉积Cr轰击植入层：镀膜真空室通入Ar气，将真空度控制在0.3Pa～0.9Pa之间，基体上叠加800V～1000V的脉冲偏压，打开Cr高功率脉冲磁控溅射源(Cr靶)，调节Cr高功率脉冲磁控溅射源的功率为2kW～4kW，在基体表面沉积Cr轰击植入层，沉积时间15min～30min；(6)沉积Cr过渡层：镀膜真空室通入Ar气，将真空度控制在0.3Pa～0.9Pa之间，基体上叠加150V～250V的脉冲偏压，打开Cr高功率脉冲磁控溅射源(Cr靶)，调节Cr高功率脉冲磁控溅射源的功率为4kW～6kW，在Cr轰击植入层上沉积Cr过渡层，沉积时间50min～90min；(7)沉积CrN性能承载层：镀膜真空室通入Ar气及N2气，Ar气流量为250sccm～350sccm，N2气流量为250sccm～350sccm，真空度控制在0.3Pa～0.9Pa之间，基体上叠加50V～100V的脉冲偏压，打开Cr高功率脉冲磁控溅射源(Cr靶)，调节Cr高功率脉冲磁控溅射源的功率为4kW～6kW，在Cr过渡层上沉积CrN性能承载层，沉积时间为2h～4h；(8)沉积AlCrN硬质核心层：镀膜真空室通入Ar气及N2气，Ar气流量为250sccm～350sccm，N2气流量为200sccm～350sccm，将真空室真空度控制在0.3Pa～0.9Pa之间，基体上叠加50V～100V的脉冲偏压，打开AlCr高功率脉冲磁控溅射源(AlCr靶)，其中，Al原子百分数为60％，Cr原子百分数为40％，调节AlCr高功率脉冲磁控溅射源的功率为8kW～10kW，打开Al靶磁控溅射源，调节Al靶磁控溅射源功率为2kW～4kW，在CrN性能承载层上沉积AlCrN硬质核心层，沉积时间6h～12h，在切削刀具基体上得到一种多层高温耐磨涂层。有益效果：本专利技术采用HIPIMS/DCMS复合共沉积技术制备涂层，通过直流靶溅射出的靶材原子与HIPIMS产生的高离化率离子束流进行“电荷交换”，进而增加沉积离子束流密度，提高涂层沉积速率。复合沉积技术可以保证整个溅射过程中维持一个较弱的等离子体存在，即对高功率脉冲放电产生一个预离化的作用，使得脉冲放电在一定的基础上开始，从而大大降低起辉电压。此外，复合直流的添加有利于消除靶放电延迟，减少“打弧现象”，增加放电稳定性。采用HIPIMS/DCMS复合共沉积技术制备高性能Cr/CrN/AlCrN多层梯度高温耐磨硬质涂层相对于采用传统技术制备的单层AlCrN涂层，具有硬度高，与基体附着性能好、涂层表面光滑致密，摩擦系数及切削力小的优点。涂层多层梯度化设计可有效地缓冲涂层之间的内应力和提高涂层与基体的结合力，不仅保持了氮化物涂层高硬度、低摩擦，强磨损抗力，还降低了脆性，保证表面力学性能。此外，利用HIPIMS技术高溅射材料离化率的优点，在较高基体偏压作用下，使Cr离子以高能轰击状态注入到基体内部，在基体表面形成大约5～15nm的Cr轰击植入层，并且该层近界面区域Cr元素浓度可达～40％，如此高的浓度将使涂层在基体上实现局部的外延生长，从而大大提高涂层的膜基结合性能。此外，采用复合磁控溅射技术，通过Al靶沉积，将显著提高核心硬质层中Al元素的含量，从而有效克服由于溅射产额及反溅射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种切削刀具表面多层高温耐磨涂层，其特征在于：所述涂层由依次附着在切削刀具基体(1)表面的Cr轰击植入层(2)、Cr过渡层(3)、CrN性能承载层(4)和AlCrN硬质核心层(5)组成；其中，Cr轰击植入层(2)的厚度为5nm～15nm，Cr过渡层(3)的厚度为1μm～2μm，CrN性能承载层(4)的厚度为2μm～4μm，成分为：Cr的原子百分比为45％～55％，N的原子百分比为45％～55％，AlCrN硬质核心层(5)的厚度为5μm～15μm，成分为：Al的原子百分比为20％～30％，Cr的原子百分比为15％～25％，N的原子百分比为50％～55％。

【技术特征摘要】
1.一种切削刀具表面多层高温耐磨涂层，其特征在于：所述涂层由依次附着在切削刀具基体(1)表面的Cr轰击植入层(2)、Cr过渡层(3)、CrN性能承载层(4)和AlCrN硬质核心层(5)组成；其中，Cr轰击植入层(2)的厚度为5nm～15nm，Cr过渡层(3)的厚度为1μm～2μm，CrN性能承载层(4)的厚度为2μm～4μm，成分为：Cr的原子百分比为45％～55％，N的原子百分比为45％～55％，AlCrN硬质核心层(5)的厚度为5μm～15μm，成分为：Al的原子百分比为20％～30％，Cr的原子百分比为15％～25％，N的原子百分比为50％～55％。2.一种如权利要求1所述的切削刀具表面多层高温耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(一)加热及抽真空：将清洁的切削刀具基体(1)安装在高功率脉冲磁控溅射设备镀膜真空室的工件架上，镀膜真空室内温度加热至150℃～200℃，真空度小于等于2×10-3Pa；(二)离子束清洗基体(1)：镀膜真空室内通入Ar气，至真空度为1.5×10-2Pa～5.0×10-2Pa，基体(1)上叠加150V～200V的脉冲偏压，打开离子源，离子源的工作电压为800V～1000V，用离子束对基体(1)表面进行清洗，时间为15min～30min；(三)沉积Cr轰击植入层(2)：镀膜真空室通入Ar气，将真空度控制在0.3Pa～0.9Pa之间，基体(1)上叠加800V～1000V的脉冲偏压，打开Cr高功率脉冲磁控溅射源，调节Cr高功率脉冲磁控溅射源的功率为2kW～4kW，在基体(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晖，郑军，贵宾华，张凯锋，杨拉毛草，张延帅，冯兴国，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62