一种纳米复合梯度多层切削刀具涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米复合梯度多层切削刀具涂层，以硬质合金或高速钢为基底的材料，所述基底上沉积打底连接层后呈梯度沉积厚度均匀过渡的梯度沉积层，其中，所述打底连接层为Ti层，所述梯度沉积层由TiN层和TiSiN层交替沉积而成。本发明专利技术还公开了一种纳米复合梯度多层切削刀具涂层的制备方法。本发明专利技术的一种纳米复合梯度多层切削刀具涂层及其制备方法通过设计TiN层和TiSiN层交替沉积、调制周期梯度变化的多层结构，并采用多弧离子镀沉积技术进行制备，涂层中的层间界面的增加可以阻碍位错的生长和蔓延，梯度结构设计可以缓解涂层中的应力，减少脆性断裂。减少脆性断裂。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米复合梯度多层切削刀具涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于薄膜材料
，具体地说，涉及一种纳米复合梯度多层切削刀具涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，我国制造业得到飞速发展，在航空航天、通讯交通、装备制造等领域的加工制造对切削工具的性能有更高要求，其中硬质合金作为一种硬质材料，具有较高的硬度、强度和韧性，在现代工业生产领域有重要作用。但随着切削加工的发展，硬质合金等传统刀具的硬度和抗磨损能力已难以满足现代化制造业的需求。在硬质合金材料表面制备涂层，可以高效改善材料的表面性能，显著提高刀具的机械性能、抗氧化性、抗磨损等性能，增强材料在极端服役工况下的使用和高精度加工领域的应用，这种表面改性的方法可以在保证刀具加工效率的同时，最大程度满足加工需求，并且对环境绿色友好。
[0003]使用物理气相沉积的方法在刀具表面制备氮化物涂层的技术已经非常成熟。其中多弧离子镀是把真空弧光放电用于蒸发源的一种真空离子镀膜技术，因其沉积温度低、沉积速率快、溅射离子能量高等优势得到广泛应用。最早投入产业化的刀具涂层之一——TiN 涂层具有柱状晶结构，硬度在20 GPa~23 GPa，并且抗氧化温度只有500 ℃左右。在TiN涂层中添加Si元素，形成非晶态Si3N4包裹晶态TiN的纳米复合结构，可以将涂层硬度提高到40 GPa左右，并且改善涂层的抗氧化性。但是这种结构会产生较大的内应力，导致涂层在载荷作用下容易发生破坏性失效，并且涂层和基底结合强度差。此外，随着涂层中Si含量的增加，涂层的摩擦系数和磨损率随之增加。
[0004]综上所述，要在保证涂层高硬度、抗氧化性好的前提下改善涂层的韧性、摩擦学性能，防止涂层发生破坏性失效至关重要，制备一种高硬度、耐摩擦的涂层对现代刀具行业的发展具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的所要解决的技术问题在于提供一种具有高硬度、耐摩擦特性，具备TiN/TiSiN结构的纳米复合梯度多层切削刀具涂层的制备方法。
[0006]本专利技术解决上述技术问题的技术方案为：
[0007]一种纳米复合梯度多层切削刀具涂层，以硬质合金或高速钢为基底的材料，所述基底上沉积打底连接层后呈梯度沉积厚度均匀过渡的梯度沉积层，其中，所述打底连接层为Ti层，所述梯度沉积层由TiN层和TiSiN层交替沉积而成。
[0008]制备上述纳米复合梯度多层切削刀具涂层的制备方法，包括如下步骤：
[0009]基底处理，对基底材料进行清洗，使其表面保持洁净；
[0010]沉积设备安装，在沉积腔室内的两个相对位置的靶座上安装规格相同的Ti靶和TiSi靶，调节两个靶到基底的距离，使两个靶与基底的距离相同，将清洗洁净的基底放到样品台中心处，关闭腔门；
[0011]预工作环境配置，启动粗抽阀将沉积腔室内真空抽至8 Pa后，切换分子泵，继续将沉积腔室内抽至加热真空5x10
‑
2 Pa，设置加热温度350℃、设置转架转速为3 r/min，并将沉积腔室抽至本底真空2.5x10
‑
2 Pa，架设预工作环境；
[0012]辉光清洗，通入氩气，并调节氩气流量，设置清洗气压与清洗负偏压，对基底表面进行辉光清洗，清洗时间为2 min；
[0013]基底刻蚀，调节氩气流量，并设置刻蚀气压，设置刻蚀电流参数，对基底表面逐级进行离子刻蚀；
[0014]沉积打底连接层，完成基底刻蚀后，设置Ti靶的电流与沉积负偏压，对基底表面依次进行Ti离子轰击与沉积打底连接层；
[0015]沉积梯度沉积层，分别设置Ti靶与TiSi靶的工艺参数，并往沉积腔室同时通入氩气与氮气，开始沉积，沉积过程中，转架的转速在1 r/min至6 r/min的范围内逐步增加和/或递减，每个转速沉积时间240~480 s，总沉积时间为48 min，完成梯度沉积层的沉积；
[0016]结束，沉积完成后，逐步关闭设备，停止氩气与氮气的通入，取出样品台上的产品，获得表面附着纳米复合梯度多层切削刀具涂层的产品。
[0017]具体的，所述基底处理步骤中，所述基底由硬质合金或高速钢材料构成，基底表面预先抛光至镜面状态后，放入丙酮、酒精中超声清洗两次，每次20 min，然后用去离子水冲洗，最后使用氮气吹干。
[0018]具体的，所述沉积设备安装步骤中，所采用的Ti靶为纯度为99.9%的纯钛靶，所述TiSi靶为Ti：Si=75：25的质量百分比构成的混合靶。
[0019]具体的，所述辉光清洗步骤中，氩气流量为270 sccm，清洗气压为1.9 Pa，清洗负偏压为600~1000 V；所述基底刻蚀步骤中，氩气流量为80sccm，刻蚀气压为0.46 Pa，刻蚀电流参数为离子清洗40 A、阳极20~30 A。
[0020]具体的，所述沉积打底层步骤中，设置Ti靶电流150 A，沉积负偏压1000 V，对基底表面进行Ti离子轰击；设置Ti靶电流150 A，沉积负偏压150 V，转架转速3 r/min，沉积打底层，沉积时间2 min。
[0021]具体的，所述沉积梯度沉积层步骤中，Ti靶的电流为110 A，TiSi靶的电流为120 A，沉积负偏压为150 V，通入的氩气流量为80 sccm，氮气流量为210 sccm，沉积气压为1.1 Pa。
[0022]优选的，所通入的氩气与氮气的纯度均为99.999%体积比。
[0023]本专利技术具有以下有益效果：通过设计TiN层和TiSiN层交替沉积、调制周期梯度变化的多层结构，并采用多弧离子镀沉积技术进行制备，涂层中的层间界面的增加可以阻碍位错的生长和蔓延，梯度结构设计可以缓解涂层中的应力，减少脆性断裂；本专利技术操作简单，采用多弧离子镀技术沉积涂层，仅通过两种靶材交替沉积就可以得到具有更加优异性能的TiN/TiSiN纳米复合梯度多层涂层，方法重复性好，对于后续制备和开发应用梯度TiN/TiSiN纳米复合多层涂层具有重要意义。
具体实施方式
[0024]下面结合实施例对本专利技术做详细说明。
[0025]本专利技术所制备的一种纳米复合梯度多层切削刀具涂层，以硬质合金或高速钢为基
底的材料，所述基底上沉积打底连接层后呈梯度沉积厚度均匀过渡的梯度沉积层，其中，所述打底连接层为Ti层，所述梯度沉积层由TiN层和TiSiN层交替沉积而成。通过设计TiN层和TiSiN层交替沉积、调制周期梯度变化的多层结构，并采用多弧离子镀沉积技术进行制备，随着涂层厚度增加，转速从1 rpm增加到6 rpm或者从6 rpm减小到1 rpm，调制周期随之逐渐增加或者减小，具体调制周期在6~46 nm范围内梯度变化，涂层中的层间界面的增加可以阻碍位错的生长和蔓延仅通过两种靶材交替沉积就可以得到具有更加优异性能的TiN/TiSiN纳米复合梯度多层涂层，重复性好，对于后续制备和开发应用梯度TiN/TiSiN纳米复合多层涂层具有重要意义，涂层中的层间界面的增加可以阻碍位错的生长和蔓延，梯度结构设计可以缓解涂层中的应力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米复合梯度多层切削刀具涂层，以硬质合金或高速钢为基底的材料，其特征在于：所述基底上沉积打底连接层后呈梯度沉积厚度均匀过渡的梯度沉积层，其中，所述打底连接层为Ti层，所述梯度沉积层由TiN层和TiSiN层交替沉积而成。2.一种纳米复合梯度多层切削刀具涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：基底处理，对基底材料进行清洗，使其表面保持洁净；沉积设备安装，在沉积腔室内的两个相对位置的靶座上安装规格相同的Ti靶和TiSi靶，调节两个靶到基底的距离，使两个靶与基底的距离相同，将清洗洁净的基底放到样品台中心处，关闭腔门；预工作环境配置，启动粗抽阀将沉积腔室内真空抽至8 Pa后，切换分子泵，继续将沉积腔室内抽至加热真空5x10
‑
2 Pa，设置加热温度350 ℃、设置转架转速为3 r/min，并将沉积腔室抽至本底真空2.5x10
‑
2 Pa，架设预工作环境；辉光清洗，通入氩气，并调节氩气流量，设置清洗气压与清洗负偏压，对基底表面进行辉光清洗，清洗时间为2 min；基底刻蚀，调节氩气流量，并设置刻蚀气压，设置刻蚀电流参数，对基底表面逐级进行离子刻蚀；沉积打底连接层，完成基底刻蚀后，设置Ti靶的电流与沉积负偏压，对基底表面依次进行Ti离子轰击与沉积打底连接层；沉积梯度沉积层，分别设置Ti靶与TiSi靶的工艺参数，并往沉积腔室同时通入氩气与氮气，开始沉积，沉积过程中，转架的转速在1 r/min至6 r/min的范围内逐步增加和/或递减，每个转速沉积时间240~480 s，总沉积时间为48 min，完成梯度沉积层的沉积；结束，沉积完成后，逐步关闭设备，停止氩气与氮气的通入，取出样品台上的产品，获得表面附着纳米复合梯度多层切削刀具涂层...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂溶，章嵩，张联盟，
申请(专利权)人：化学与精细化工广东省实验室潮州分中心，
类型：发明
国别省市：