TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层复合刀具涂层及制备方法技术

本发明专利技术公开了TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层复合刀具涂层及制备方法。该涂层采用涂层自生成技术和高功率磁控溅射技术方法制备，所述涂层包括：TiAlCrN过渡层、交替沉积的耐高温、富氧的TiAlCrVSiON单层和高硬度、富氮TiAlCrVSiN单层。本发明专利技术通过自生成涂层技术，同时结合高功率脉冲磁控溅射沉积技术，可以获得兼具高硬度、强韧性、热稳定性好和高温耐摩性能优异的纳米多层复合刀具涂层；同时通过调节调制周期，可以降低涂层内部的残余应力，改善涂层致密性；进一步提高涂层的综合力学性能，并且本工艺制备过程简单，无需额外成本。无需额外成本。无需额外成本。

【技术实现步骤摘要】
TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层复合刀具涂层及制备方法


[0001]本专利技术属于材料表面处理
，具体公开了自生成TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层复合刀具涂层及制备方法。

技术介绍

[0002]随着现代制造业的快速发展，难加工材料的应用越来越广泛，因而对刀具性能提出了更加严峻的挑战。涂层刀具因结合了硬质涂层高耐磨性、良好的抗氧化性以及基体强韧性等优点，显著的提高了刀具的切削性能，降低了加工成本。但随着绿色加工技术的发展，特别是干切削技术的广泛应用，需要刀具涂层即要有高硬度，又需要有优异的抗高温氧化性、耐磨性能等。目前刀具涂层主要以单涂层为主，形成以某一特定功能为主的刀具涂层，难以满足加工需求。通过涂层自生成技术优化涂层结构设计，结合高功率脉冲磁控溅射技术，可以制备兼具优异抗高温、耐磨损的刀具涂层。同时通过多层结构优化设计，还可以降低涂层内部残余应力、提高热稳定性以及改善涂层结构的致密性能等，是目前提高硬质刀具涂层性能的重要发展方向之一。已有一些氮氧化物刀具涂层出现，如CN107190229A公开了一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的制备方法，形成交替富氧CrAl(Si)ON/富氮CrA(Si)ON涂层，在切削高温合金比传统的涂层刀具有一定的优越性，但涂层硬度性能不是特别突出，耐磨性能还需提高；同时，涂层也没有润滑功能，不能有效降低涂层磨损的缺陷。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本专利技术公开了一种兼具优异的高温氧化性能、高耐磨性和高热稳定性的TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层复合刀具涂层及制备方法。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层氮氧化物刀具涂层，采用涂层自生成技术和高功率磁控溅射技术方法制备，包括：TiAlCrN过渡层、交替沉积的TiAlCrVSiON单层和TiAlCrVSiN单层。
[0006]优选地，所述交替沉积的TiAlCrVSiON单层和TiAlCrVSiN单层总厚度为2～3μm，交替沉积的调制周期为8.0～11.0nm。
[0007]优选地，所述交替循环沉积的TiAlCrVSiON层和TiAlCrVSiN单层厚度分别为2～3nm和5～6nm。
[0008]优选地，所述TiAl CrVSiON单层中氧含量为5.0
‑
48at.％。更为优选地，氧含量为5.0
‑
20at.％。
[0009]优选地，所述过渡层的厚度为200～300nm。
[0010]上述TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层氮氧化物刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)硬质合金基体沉积前处理；(2)真空炉预热处理；(3)高能离子轰击基体表面去除杂质；(4)沉积TiAlCrN过渡层；(5)交替沉积耐高温的TiAlCrVSiON单层和高硬度的TiAlCrVSiN单层，形成纳米多层氮氧化物涂层。
[0011]进一步的，所述硬质合金基体为YT15硬质合金基体。
[0012]进一步的，步骤(1)中，所述硬质合金YT15基体沉积前处理包括以下步骤：基体经过丙酮、酒精、离子水超声波清洗各15～45min，然后压缩空气吹干净后放置在真空炉中的旋转平台上固定，旋转速度为1～3rpm。
[0013]进一步的，步骤(2)中，所述真空炉预热包括以下步骤：在涂层沉积之前，加热真空炉至400℃～500℃，并预抽真空炉本底真空为1
×
10
‑
4Pa。
[0014]进一步的，步骤(3)中，所述高能离子轰击表面去除表面杂质包括以下步骤：通入Ar气，使炉内气压升至1.0～3.0Pa,调节基体偏压至
‑
600～
‑
400V，然后高能Ar离子轰击清洗硬质合金基体10～20min，清除基体表面杂质和氧化产物；开启TiAlCr靶，然后调节离子源功率至1.5～3.0kw，基体偏压至
‑
600～
‑
1000V，进行高能离子溅射，再次去除硬质合金基体上残留的杂质。
[0015]进一步的，步骤(4)中，所述TiAlCrN过渡层沉积包括以下步骤：按照步骤(3)的其它参数不变，把基体偏压降至
‑
70～
‑
100V，沉积温度降至300～400℃；然后调节N2气流量使工作气压降至1.0～1.5Pa，涂层沉积时间为10～20min，TiAlCrN过渡层厚度为200～300nm。
[0016]进一步的，步骤(5)中，所述交替沉积耐高温TiAlCrVSiON单层和高硬度TiAlCrVSiN单层包括以下步骤：关闭TiAlCr靶，同时开启Ti
20
Al
50
Cr
20
V5Si5靶沉积，调节离子源功率至1.5～2.0kw，通入氮气和氧气，通入氮气流量为550sccm，氧气流量为50sccm，总流量为600sccm，基体偏压曾加至
‑
90～
‑
70V,沉积时间为100～150min，沉积总厚度为2～3μm,交替沉积的调制周期为8.0～11.0nm。
[0017]进一步的，所述步骤(5)中，交替循环沉积富氧的TiAlCrVSiON层和富氮的TiAlCrVSiN单层厚度分别为2～3nm和5～6nm。
[0018]基于此，本专利技术还提供了一种切削刀具，包含上述的涂层。
[0019]本专利技术设计机理如下：
[0020]本专利技术通过自生成技术在TiAlCrVSiN涂层中添入O元素，利用TiAlCrVSiON层优异的高温热稳定性和高热阻能力来提高多层涂层的耐热性能；将TiAlCrVSiN层和TiAlCrVSiON层相互交叠形成纳米多层复合涂层，能使TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层复合涂层具有明显优异单层涂层的特性，形成高温热稳定性好，耐磨性高的刀具涂层；采用高功率磁控溅射技术，提高涂层组织结构的致密性，减少涂层内部缺陷，增加涂层抗高温氧化和耐磨性能。从而，满足高速切削和干切削等加工环境需求。另外，添加V元素，增加涂层润滑性，降低涂层磨损；通过多层结构设计降低涂层内部的残余应力，改善涂层致密性，从而进一步改善涂层与硬质合金基体的结合强度。同时本专利技术的工艺制备过程简单，无需额外成本。
[0021]本专利技术的优点如下：
[0022]1、本专利技术制备的TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层复合涂层具有高硬度，低摩擦系数，耐磨性好，涂层间润滑的特点。
[0023]2、本专利技术制备的TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层复合涂层具有优异的耐高温磨损，适合于高速切削加工领域。
附图说明
[0024]图1为本专利技术TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON涂层工艺制备过程原理示意图及刀具结构；
[0025]其中，0
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层氮氧化物刀具涂层，其特征在于，采用涂层自生成技术和高功率磁控溅射技术方法制备，所述涂层包括：TiAlCrN过渡层、交替沉积的TiAlCrVSiON单层和TiAlCrVSiN单层。2.根据权利要求1所述的TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层氮氧化物刀具涂层，其特征在于，所述交替沉积的TiAlCrVSiON单层和TiAlCrVSiN单层总厚度为2～3μm，交替沉积的调制周期为8.0～11.0nm。3.根据权利要求2所述的TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层氮氧化物刀具涂层，其特征在于，所述交替循环沉积的TiAlCrVSiON层和TiAlCrVSiN单层厚度分别为2～3nm和5～6nm。4.根据权利要求1所述的TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层氮氧化物刀具涂层，其特征在于，所述过渡层的厚度为200～300nm。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的TiAlCrVSiN/TiAlCrVSiON纳米多层氮氧化物刀具涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)硬质合金基体沉积前处理；(2)真空炉预热处理；(3)高能离子轰击基体表面去除杂质；(4)沉积TiAlCrN过渡层；(5)交替沉积耐高温的TiAlCrVSiON单层和高硬度的TiAlCrVSiN单层，形成纳米多层氮氧化物涂层。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述硬质合金基体沉积前处理包括以下步骤：基体经过丙酮、酒精、离子水超声波清洗各15～45min，然后压缩空气吹干净后放置在真空炉中的旋转平台上固定，旋转速度为1～3rpm。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述真空炉预热处理包括以下步骤：在涂层沉积之前，加热真空炉至400℃～500℃，并预抽真空炉本底真空为1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖白军，朱国，董婷，陈敢新，倪莎，郭高峰，
申请(专利权)人：湖南城市学院，
类型：发明
国别省市：