一种高速干式切削用AlCrBSiN涂层、制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及高速干式切削加工技术领域，具体涉及一种高速干式切削用AlCrBSiN涂层、制备方法及其应用，所述的AlCrBSiN复合涂层中B和Si元素可以细化晶粒，提高涂层硬度，同时，B元素的加入可以抑制复合涂层在高温条件下的分解，提高其高温稳定性；同时B元素在高速干式切削过程中可以优先产生摩擦氧化膜，降低摩擦系数和摩擦力，减少涂层刀具的前刀面和后刀面的磨损，提高其高速干式切削性能；一种高速干式切削用AlCrBSiN涂层高速干式切削寿命最长(12.5min)，相较于不含B和Si的AlCrN涂层(9.5min)，提高了31％，切削力减少23％，在刀具及表面防护领域具有重大的应用前景。及表面防护领域具有重大的应用前景。及表面防护领域具有重大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高速干式切削用AlCrBSiN涂层、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及高速干式切削加工
，具体涉及一种高速干式切削用AlCrBSiN涂层、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]机械制造行业中，虽然有许多不同的工艺成型方法，但90％以上的机械零件仍然是通过切割工艺制造的。现代制造业的高度智能化、集成化、高效化发展，对工具模具的性能提出了更高的要求，绿色环保、高效节能的理念不断被提及。传统切削技术在加工过程中需要大量的切削油或切削液，这不仅对人体的健康和资源的合理利用产生了一定的负面影响。而且严重破坏了生态环境。高速干式切削技术无需(或者少量)使用切削油或切削液，具有高效、低能耗的特点，是一种绿色环保的制造工艺。但是，高速干式切削削技术存在切削力大、温度高、粘结和刀具磨损严重等问题。因此，如何降低刀具磨损和热冲击，延长刀具的使用寿命，已成为高速干式切削技术发展的重要研究课题。
[0003]近几十年来，涂层刀具的出现，使高速干式切削性能有了重大突破。刀具基体与硬质涂层的结合，在保持基体良好韧性和高强度的同时，硬质涂层具有硬度高、耐磨、减摩、耐高温氧化等优点。使得刀具的性能得到极大提升。得益于物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)技术的发展，已有多种氮化物涂层被成功沉积到硬质合金刀具表面用于提高其高速干式切削性能。但是，在高速干式切削强热力耦合作用下，涂层刀具刃口处温度急剧升高，涂层发生相转变，硬度急剧下降，切削力和摩擦系数增加，导致涂层刀具磨损加剧，进而导致刀具高速干式切削式寿命降低。
[0004]鉴于上述缺陷，本专利技术创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种在高速干式切削时涂层硬度低、切削力和摩擦系数高、磨损严重的问题，现有的AlCrN复合涂层韧性差、高温硬度低、切削力和高温摩擦系数高，易造成涂层高速干式切削磨损过大，进而导致刀具切削时寿命降低的问题，提供了一种高速干式切削用AlCrBSiN涂层、制备方法及其应用。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术公开了一种高速干式切削用AlCrBSiN涂层，所述AlCrBSiN涂层包括34％～36％的Al、15％～17％的Cr、0％～3％的B、1％～6％的Si、44％～46％的N。
[0007]所述B以非晶BN相存在，所述Si以非晶SiN相存在。
[0008]所述AlCrBSiN涂层的厚度为4μm。
[0009]本专利技术还公开了上述高速干式切削用AlCrBSiN涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1，将研磨抛光后的硬质合金试样进行超声清晰，用去离子水冲洗，烘干备用；
[0011]S2，将步骤S1中烘干后的硬质合金试样加热，抽真空，通入Ar气，开启Ti靶，在炉腔内离化大量的Ti
+
和电子，撞击Ar，形成高能量高密度的Ar+对基材表面进行离子轰击，离子
刻蚀清洗；
[0012]S3，待步骤S2中的离子刻蚀结束后，保持沉积温度和炉腔的压强不变，开启Cr靶，沉积Cr第一粘结层；
[0013]S4，待步骤S3中Cr第一粘结层沉积完成后，保持沉积温度不变，关闭Ar气，通入N2气，沉积CrN第二粘结层；
[0014]S5，待步骤S4中CrN第二粘结层完成后，保持沉积温度不变，开启AlCr靶，进一步增加N2气通入量，沉积AlCrN过渡层；
[0015]S6，待步骤S5中AlCrN过渡层沉积完成后，保持沉积温度不变，同时开启AlCrSi靶和AlCrB靶，进一步增加N2气通入量，沉积AlCrBSiN功能层。
[0016]所述步骤S2中加热温度为480℃，抽真空后真空度为10
‑4Pa，Ar气流量为200～600sccm，离子刻蚀的负偏压为
‑
200V，刻蚀时间40min。
[0017]所述步骤S3中基体偏压为
‑
60～
‑
80V，金属Cr靶的靶材电流为100～130A，沉积时间为5～10min。
[0018]所述步骤S4中通入N2气后压强为1～2Pa，N2流量为100～300sccm，沉积时间为5～10min。
[0019]所述步骤S5中AlCr靶的Al：Cr原子比为67：33，增加N2气通入量的压强为2～5Pa，N2流量为400～800sccm，沉积时间为10～15min。
[0020]所述步骤S6中AlCrSi靶的Al：Cr：Si原子比为60：30：10，AlCrB靶的Al：Cr：B原子比为65：30：5或60:：30：10，增加N2气通入量后的压强为3～6Pa，N2流量为500～800sccm，沉积时间为50～60min。
[0021]本专利技术还公开了上述高速干式切削用AlCrBSiN涂层在提高刀具切削寿命中的应用。
[0022]与现有技术比较本专利技术的有益效果在于：
[0023]1、本专利技术的AlCrBSiN复合涂层与现有的涂层相比，可同时形成具有非晶BN和SiN相结构，涂层晶粒细化效果更好，兼具硬度高、韧性好、高温结构和高温硬度稳定等优点；
[0024]2、利用本专利技术的AlCrBSiN涂层在高速干式切削时，在宽的温度区间(600℃～1000℃)内在刀具表面可原位形成具有低摩擦系数的含B、含Al和含Si的摩擦氧化膜，降低复合涂层的摩擦系数和切削力，可显著改善涂层刀具的高速干式切削性能。
附图说明
[0025]图1为B10涂层的XPS图谱；
[0026]图2为涂层截面形貌：(a)B0涂层，(b)B5涂层，(c)B10涂层；
[0027]图3为真空退火后涂层的XRD图谱：(a)B0涂层，(b)B5涂层，(c)B10涂层；
[0028]图4为涂层车削寿命曲线、切削力F
x
曲线以及摩擦系数μ：(a)切削寿命，(b)切削力变化曲线F
x
，(c)切削摩擦系数μ；
[0029]图5为涂层刀具车削3.5min和8min时后刀面磨损形貌图。
具体实施方式
[0030]以下结合附图，对本专利技术上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
[0031]实施例1
[0032]第一步，将研磨抛光后的硬质合金进行一定时间的超声清洗，用去离子水冲洗，烘干式样备用；
[0033]第二步，将处理好的硬质合金式样放置在基片转架上，加热至480℃，抽真空至10
‑4Pa，通入Ar气，Ar气流量为300sccm，开启Ti靶，控制负偏压为
‑
200V，在炉腔内离化大量的Ti+和电子，撞击Ar，形成高能量高密度的Ar+对基材表面进行离子轰击，离子刻蚀清洗，清洗表面的同时活化基体，提高了涂层的膜基结合力，刻蚀时间40min；
[0034]第三步，保持沉积温度和炉腔的压强不变，开启Cr靶，沉积Cr第一粘结层；基体偏压为
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速干式切削用AlCrBSiN涂层，其特征在于，所述AlCrBSiN涂层包括34％～36％的Al、15％～17％的Cr、0％～3％的B、1％～6％的Si、44％～46％的N。2.如权利要求1所述的一种高速干式切削用AlCrBSiN涂层，其特征在于，所述B以非晶BN相存在，所述Si以非晶SiN相存在。3.如权利要求1所述的一种高速干式切削用AlCrBSiN涂层，其特征在于，所述AlCrBSiN涂层的厚度为4μm。4.一种如权利要求1～3任一项所述的高速干式切削用AlCrBSiN涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，将研磨抛光后的硬质合金试样进行超声清晰，用去离子水冲洗，烘干备用；S2，将步骤S1中烘干后的硬质合金试样加热，抽真空，通入Ar气，开启Ti靶，在炉腔内离化大量的Ti
+
和电子，撞击Ar，形成高能量高密度的Ar+对基材表面进行离子轰击，离子刻蚀清洗；S3，待步骤S2中的离子刻蚀结束后，保持沉积温度和炉腔的压强不变，开启Cr靶，沉积Cr第一粘结层；S4，待步骤S3中Cr第一粘结层沉积完成后，保持沉积温度不变，关闭Ar气，通入N2气，沉积CrN第二粘结层；S5，待步骤S4中CrN第二粘结层完成后，保持沉积温度不变，开启AlCr靶，进一步增加N2气通入量，沉积AlCrN过渡层；S6，待步骤S5中AlCrN过渡层沉积完成后，保持沉积温度不变，同时开启AlCrSi靶和AlCrB靶，进一步增加N2气通入量，沉积AlCrBSiN功能层。5.如权利要求4所述的一种高速干式切削用AlCrB...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡飞，周祺，张世宏，方炜，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：