一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法。该刀具包括刀具基体和沉积于刀具基体上的CrAlVN涂层，在刀具基体与CrAlVN涂层之间依次沉积着Cr过渡层、CrN过渡层。该方法包括：对靶材与刀具基体进行预处理；依次在预处理后的刀具基体上沉积Cr过渡层、CrN过渡层及CrAlVN涂层，得到具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具。本发明专利技术提供的制备方法，所制备的涂层具备较高硬度(2201HV)；在摩擦磨损过程中，磨痕上的粘着点均匀分布，且粘着点的氧化可降低涂层平均摩擦系数和磨损率，分别为0.423和6.57

【技术实现步骤摘要】
一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法


[0001]本专利技术涉及硬质防护涂层领域，具体涉及一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂 层的刀具及其制备方法。

技术介绍

[0002]硬质涂层的发展如今已有几十年的历史。CrN涂层因具有高耐磨性、耐腐 蚀性和高温稳定性等优点被广泛应用于机械零部件以及刀具上。但随着刀具和 机械零件的工作条件愈发严苛，传统二元CrN涂层因较差的高温性能已不能满 足人们的使用需求。许多研究人员通过掺杂元素的方式，以求涂层性能得到改 善。近年来，将Al元素引入CrN涂层中制备CrAlN涂层成为人们的关注点， 因其能够在表面形成Al2O3氧化膜，阻碍涂层的氧化进程，从而大大改善了CrN 二元涂层的涂层抗氧化能力和高温性能。
[0003]目前，将V掺入CrAlN涂层中的研究数量较少。Wolfgang Tillmann等人 通过磁控溅射技术，在AISI
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H11基底上制备了AlCrVN涂层。磁控溅射方法 因腔体所需气压较高，且离化率低，因此形成的涂层较难达到硬质耐磨的性质。 当涂层内V含量在3.4％左右时，涂层结合强度仅为32N左右，且并未提出通 过改进工艺设计的方式改善涂层结合强度的方案，这样就无法保证涂层的使用 寿命。此外，其磨损率高达9
×
10
‑5mm3/Nm，耐磨性相对较差(Investigation ofthe influence of the vanadium content on the high temperature tribo
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mechanicalproperties of DC magnetron sputtered AlCrVN thin films)。中国专利文献 CN104385751A提出一种含CrAlVN层和CrAlSiN层的复合涂层刀具及其制备 方法，但其多层涂层的生产工艺较为复杂，且需要对涂层的厚度作出严格把控。 在多层涂层体系中，这间接提高了涂层生产的难度，且不利于保证涂层的性能。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种具有减摩抗磨的 CrAlVN涂层的刀具及其制备方法。
[0005]本专利技术提供一种减摩抗磨的CrAlVN涂层制备方法，主要用于刀具表面硬 质耐磨防护涂层。下文所述方法和装置可制备出减摩抗磨的CrAlVN涂层，具 备减摩抗磨的特性。
[0006]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0007]本专利技术提供的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具，包括刀具基体和沉积 于刀具基体上的CrAlVN涂层，在所述刀具基体与CrAlVN涂层之间依次沉积 着Cr过渡层、CrN过渡层。所述CrAlVN涂层为带有过渡层的分层结构设计， Cr层因沉积时间短而在SEM下不清晰，SEM下涂层可见明显的CrN过渡层 和CrAlVN层。
[0008]进一步地，所述CrAlVN涂层的厚度为0.7μm
‑
0.9μm；在所述Cr原子百分 含量为16％
‑
18％，Al原子百分含量为21％
‑
24％，V原子百分含量为2.8％
‑
3.2％， N原子百分含量为55％
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59％；所述Cr过渡层的厚度为12nm
‑
20nm；Cr过渡层 中，Cr原子百分含量为98％
‑
100％；所述CrN过渡层的厚度为0.52μm
‑
0.72μm； CrN过渡层中，Cr原子百分含量为33％
‑
36％，N原子百分含量为64％
‑
67％。
[0009]进一步地，所述刀具基体的材质为YT5硬质合金、YT15硬质合金、YT30 硬质合金中的一种以上；所述CrAlVN涂层、Cr过渡层及CrN过渡层的总厚 度为1.3μm
‑
1.5μm。
[0010]优选地，所述CrAlVN涂层、Cr过渡层及CrN过渡层的总厚度为1.39μm。
[0011]本专利技术提供的制备上述具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的方法，包括 如下步骤：
[0012](1)对靶材与刀具基体进行预处理；
[0013](2)在多弧离子镀的腔体内，依次在预处理后的刀具基体上沉积Cr过渡 层、CrN过渡层及CrAlVN涂层，得到所述具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀 具。
[0014]进一步地，步骤(1)中，对靶材的预处理包括：
[0015]将靶材于喷砂机中喷砂清洗后用酒精擦洗；所述靶材包括Cr靶、CrAlV靶。 预处理后，将靶材安装入多弧离子镀的腔体中。所述Cr靶纯度大于99.9％， CrAlV靶材为粉末冶金方法制备而成的合金靶，Cr、Al、V的原子比为 0.29:0.6:0.11
‑
0.31:0.6:0.09，以此为元素掺杂的方式进行膜层沉积。
[0016]进一步地，步骤(1)中，对刀具基体的预处理包括：
[0017]将刀具基体分别在600#
‑
2000#的砂轮下打磨，然后进行抛光至镜面，接着 将抛光后的刀具基体浸泡在丙酮中进行第一次超声清洗处理，取出，最后浸泡 在无水乙醇中进行第二次超声清洗处理，以除去表面水分，冷风吹干，得到预 处理后的刀具基体；所述第一次超声清洗处理的时间为10min
‑
20min，第二次 超声清洗处理的时间为10min
‑
20min。
[0018]优选地，所述将刀具基体抛光至镜面，使用的是2.5μm粒度金刚石抛光剂 在1500rpm转速下抛光至镜面。所述刀具基体完成预处理后，装入镀膜机内转 架上。
[0019]优选地，在步骤(2)进行沉积前，先对多弧离子镀的腔体进行预热处理， 具体包括：将基底装入腔体，TVP置于200，开启机械泵，将真空抽至9Pa以 下后开启高阀，开启加热器将腔体升温至450℃，以有效排出腔体内的空气。 保持转架转速为1.0rpm，同时开启水冷系统以保证靶材和偏压系统正常运转。
[0020]进一步地，步骤(2)中，在预处理后的刀具基体上沉积Cr过渡层前，对 预处理后的刀具基体进行表面清理处理，所述表面清理处理，包括：
[0021]将预处理后的刀具基体置于多弧离子镀的腔体内，抽真空处理，同时将墙 体温度升至440℃
‑
460℃，当温度满足要求且腔体真空达到4
×
10
‑3Pa
‑6×
10
‑3Pa 后，将偏压设置为280V
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320V，挡板置于Cr靶处并开启Cr靶，靶流设置为 50A
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70A烧蚀1min
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2min，随后对CrAlV靶作同样处理；通入Ar气并保持流 量90sccm
‑
110sccm，以维持腔室气压在0.4Pa
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0.6Pa，偏压设置为180V
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具，包括刀具基体和沉积于刀具基体上的CrAlVN涂层，其特征在于，在所述刀具基体与CrAlVN涂层之间依次沉积着Cr过渡层、CrN过渡层。2.根据权利要求1所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具，其特征在于，所述CrAlVN涂层的厚度为0.7μm
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0.9μm；在所述Cr原子百分含量为16％
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18％，Al原子百分含量为21％
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24％，V原子百分含量为2.8％
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3.2％，N原子百分含量为55％
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59％；所述Cr过渡层的厚度为12nm
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20nm；Cr过渡层中，Cr原子百分含量为98％
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100％；所述CrN过渡层的厚度为0.52μm
‑
0.72μm；CrN过渡层中，Cr原子百分含量为33％
‑
36％，N原子百分含量为64％
‑
67％。3.根据权利要求1所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具，其特征在于，所述刀具基体的材质为YT5硬质合金、YT15硬质合金、YT30硬质合金中的一种以上；所述CrAlVN涂层、Cr过渡层及CrN过渡层的总厚度为1.3μm
‑
1.5μm。4.一种制备权利要求1
‑
3任一项所述具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对靶材与刀具基体进行预处理；(2)依次在预处理后的刀具基体上沉积Cr过渡层、CrN过渡层及CrAlVN涂层，得到所述具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具。5.根据权利要求4所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，对靶材的预处理包括：将靶材于喷砂机中喷砂清洗后用酒精擦洗；所述靶材包括Cr靶、CrAlV靶。6.根据权利要求4所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，对刀具基体的预处理包括：将刀具基体分别在600#
‑
2000#的砂轮下打磨，然后进行抛光至镜面，接着将抛光后的刀具基体浸泡在丙酮中进行第一次超声清洗处理，取出，最后浸泡在无水乙醇中进行第二次超声清洗处理，吹干，得到预处理后的刀具基体；所述第一次超声清洗处理的时间为10min
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20min，第二次超声清洗处理的时间为10min
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20min。7.根据权利要求4所述的具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在预处理后的刀具基体上沉积Cr过渡层前，对预处理后的刀具基体进行表面清理处理，所述表面清理处理，包括：将预处理后的刀具基体置于多弧离子镀的腔体内，抽真空处理，TVP置于200，同时将腔体温度升至440℃
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460℃，当温度满足要求且腔体真空达到4
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【专利技术属性】
技术研发人员：张大童，王成业，邱诚，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：