專利名稱：氮化鉻鋁鈦復合涂層、沉積有該涂層的刀具及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化鉻鋁鈦涂層硬質(zhì)合金刀具及其制備方法，屬于薄膜材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著切削不斷向高速、高效、高精加工方向的發(fā)展，和越來越多的高強度、高韌性、 難切削的高性能材料的涌現(xiàn)，以及硬加工、干切削等切削要求的日新月異，使得切削刀具材料難以滿足日趨復雜的綜合切削性能要求。若在材料的整體性能上去滿足要求，不僅在資源的利用上極不經(jīng)濟，同時在材料技術(shù)方面也是高難度，甚至是難以達到的?？紤]到切削刀具的失效是從表面開始的，就可通過材料表面改性技術(shù)來提高切削刀具的綜合切削性能。涂層材料硬度高，化學穩(wěn)定性好，不易產(chǎn)生擴散磨損，摩擦系數(shù)小，因而切削力、切削溫度較低，是提升刀具切削性能的有效手段。通過涂層提高了切削刀具抗各種磨損的能力，延長了刀具的壽命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和進給速度，從而提高了切削效率。目前使用較多的工業(yè)化生產(chǎn)涂層主要有TiN、TiC、TiCN、CrN和TiAlN等涂層，TiN 潤濕性好，摩擦系數(shù)小，抗月牙洼磨損的能力優(yōu)于TiC涂層，韌性也較好。但它抗氧化溫度較低，硬度也不是太高。TiCN對鋼的磨擦系數(shù)小，而且韌性比TiN好，涂層刀具耐用度可達 TiN涂層刀具的2倍，但其耐熱性比TiN更低。TiC涂層硬度高，耐磨性好，與基體粘結(jié)力強， 抗機械磨損的性能強，但其性脆、膜層內(nèi)部的內(nèi)聚力相對較低，涂層刀片的韌性與抗彎強度較低。CrN硬度高、耐磨性好，但脆性比較大。TiAlN在高速切削中性能優(yōu)異，它比TiN更能有效地用于連續(xù)高速車削，也適合于加工鈦合金、鎳合金不銹鋼等工件。這種涂層因固溶硬化而有較好的硬度保持性，其抗氧化性能也比TiN和TiCN好。實際生產(chǎn)中加工對象涉及到黑色金屬、有色金屬和各種復合材料、新材料，對切削刀具提出了越來越高的要求，因此，開發(fā)新型的、性能更優(yōu)越、針對性更強的超硬納米復合涂層材料，成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是亟待解決的問題。目前工業(yè)發(fā)達國家涂層硬質(zhì)合金刀具已占80%，其中CVD(化學涂層)又占了 60 % 65 %，其余為PVD (物理涂層)，隨著人們對環(huán)境保護意識的增強，清潔環(huán)保的PVD涂層越來越受到人們的青睞，近幾年來PVD正處于高速發(fā)展階段，究其原因可歸納為以下幾方面高速切削加工時代的到來為其發(fā)展帶來了良好的契機；復合型材料不僅可大幅度提高資源的利用率，并且可使部件的功能有極大的拓展，因此也更為人們所接受。國產(chǎn)涂層刀具大致只占全部刀具的20%，進入新世紀以來，國產(chǎn)數(shù)控機床開始大量進入制造領(lǐng)域。然而先進的數(shù)控機床，配不到先進的國產(chǎn)刀具，不得不配進口刀具。中國刀具工業(yè)單一化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，已不能滿足制造業(yè)發(fā)展的需要，阻礙了制造業(yè)發(fā)展的步伐。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于彌補當前涂層刀具技術(shù)不足與局限，為加工行業(yè)提供一種PVD多層納米晶-超晶格復合的氮化鉻鋁鈦復合涂層、沉積有該涂層的刀具及制備方法。實現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是一種氮化鉻鋁鈦復合涂層，至少包括粘結(jié)層、支撐層和主耐磨層，支撐層附著在粘結(jié)層上面，主耐磨層附著在支撐層上面，粘結(jié)層為 Cr，支撐層為CrN，主耐磨層是由TiAlN層與CrTiAlN層交替構(gòu)成的多層復合涂層。一種沉積有上述氮化鉻鋁鈦復合涂層的刀具，至少包括刀具基體，氮化鉻鋁鈦復合涂層的粘結(jié)層沉積在刀具基體上。本發(fā)明還提供了沉積有氮化鉻鋁鈦復合涂層的刀具的制備方法，該方法具體包括以下步驟將表面潔凈的刀具基體裝夾在工件架上進行輝光清洗；輝光清洗結(jié)束后，在 Ar氣環(huán)境、真空度1. 5Χ1(Γ2 2. 5X10_2Pa、200 400°C、-600 -900V偏壓條件下，打開多弧Cr靶在刀具基體上沉積Cr粘結(jié)層；然后在氮氣環(huán)境、真空度1. 5 3. OPa,300 400-100 -400V偏壓條件下，在Cr粘結(jié)層上沉積CrN支撐層；在氮氣環(huán)境下，真空度 3. 0 5. OPa,300 400°C、偏壓-50 -200V條件下，打開TiAl靶，在CrN支撐層上沉積主耐磨層，主耐磨層為TiAlN層與CrTiAlN層交替構(gòu)成的多層復合涂層；沉積結(jié)束后，自然冷卻，得到沉積有氮化鉻鋁鈦復合涂層的刀具。所述刀具基體為硬質(zhì)合金刀具，工件架的公轉(zhuǎn)速度為1 12轉(zhuǎn)/分。粘結(jié)層厚度為50 100納米，支撐層厚度為100 500納米，主耐磨層厚度為3 10微米。所述TiAlN層為納米晶結(jié)構(gòu)，每層TiAlN厚度為0. 5 1. 5微米，晶粒尺寸為5 30納米；所述CrTiAlN層為CrN和TiAlN交替構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，每層CrTiAlN厚度為1 3微米，調(diào)制周期為4 25納米。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明提供的氮化鉻鋁鈦復合涂層具有粘結(jié)層和支撐層，因而有較強的附著力； 工件架的轉(zhuǎn)速決定涂層中TiAlN和CrTiAlN的結(jié)構(gòu)，根據(jù)工件架公轉(zhuǎn)速度的不同，形成的主耐磨層中的超晶格CrTiAlN層具有不同的CrN/TiAIN調(diào)制周期，調(diào)制周期(即單層CrN 加上單層TiAlN的厚度)為4 25納米；主耐磨層中的TiAlN層為納米晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸為5 30納米。根據(jù)理論計算，在納米尺度上復合的超晶格涂層和納米晶涂層都有超高的硬度，本發(fā)明提供的氮化鉻鋁鈦復合涂層的主耐磨層是由超晶格CrTiAlN涂層和納米晶 TiAlN涂層交替構(gòu)成的多層納米晶-超晶格復合涂層，綜合了超晶格和納米晶結(jié)構(gòu)的優(yōu)點， 使得主耐磨層具有接近4000Hv的硬度。綜上所述，本發(fā)明所得氮化鉻鋁鈦復合涂層具有高硬度(3750HV)、低摩擦系數(shù) (0. 4)、良好的附著力(大于70N)、耐高溫性能好(超過1000°C )的特點，以本發(fā)明制備的硬質(zhì)合金刀具在表面耐磨潤滑及抗高溫方面表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，可有效解決硬質(zhì)合金刀具表面的摩擦磨損問題，帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。


圖1為本發(fā)明制備的沉積在硬質(zhì)合金刀具上的氮化鉻鋁鈦復合涂層的掃描電鏡圖，其中主耐磨層為2層TiAlN層和2層CrTiAlN層交替構(gòu)成；圖2為本發(fā)明制備的氮化鉻鋁鈦復合涂層中CrN/TiAIN超晶格結(jié)構(gòu)的透射電鏡圖3為本發(fā)明制備的氮化鉻鋁鈦復合涂層中TiAlN納米晶結(jié)構(gòu)的透射電鏡圖；圖4為本發(fā)明制備的氮化鉻鋁鈦復合涂層的附著力曲線圖；圖5為本發(fā)明制備的氮化鉻鋁鈦復合涂層的硬度隨空氣中退火溫度的變化曲線圖，a 無退火處理；b :600°C退火；c :800°C退火；d :900°C退火；e :1100°C退火；圖6為本發(fā)明制備的氮化鉻鋁鈦復合涂層的硬度隨主耐磨層中TiAlN層和 CrTiAlN層的層數(shù)變化的曲線圖；圖7為本發(fā)明制備的氮化鉻鋁鈦復合涂層的摩擦系數(shù)隨主耐磨層中TiAlN層和 CrTiAlN層的層數(shù)變化的曲線圖；圖 6 和圖 7 中，A 單層 CrTiAlN ；B :1 層 TiAlN層和 1 層 CrTiAlN層；C :2 層 TiAlN 層和 2 層 CrTiAlN 層；D :3 層 TiAlN 層和 3 層 CrTiAlN 層；E :4 層 TiAlN 層和 4 層 CrTiAlN層。
具體實施例方式下面通過附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護內(nèi)容不局限于以下實施例。實施例1首先，將硬質(zhì)合金刀具清洗干凈，裝夾在工件架上，開始抽真空，當真空度高于 5X 10 時，開始加熱除氣，溫度控制在200°C，工件架公轉(zhuǎn)速度3轉(zhuǎn)/分。當真空度為 5X IO^3Pa時，通入Ar氣，溫度控制在200°C，開偏壓電源，偏壓控制在-800V，對刀具基體進行輝光清洗。輝光清洗結(jié)束后，真空度調(diào)節(jié)為2X 10_2Pa，偏壓保持在-800V，溫度控制在 200°C，打開Cr靶，對刀具基體轟擊，得到厚度為70納米的Cr粘結(jié)層；轟擊完畢后，將偏壓調(diào)節(jié)為-200V，關(guān)閉Ar氣通道，通入隊氣將真空度調(diào)節(jié)到2. OPa，溫度300°C，在Cr粘結(jié)層上沉積厚度為100納米的CrN支撐層。CrN支撐層沉積結(jié)束后，通過調(diào)節(jié)隊流量將真空度控制在3. 3Pa,保持偏壓-200V，溫度300°C，打開TiAl靶，在CrN支撐層上沉積厚度為7微米的主耐磨層，該主耐磨層是由2層CrTiAlN層和2層TiAlN層交替構(gòu)成的多層復合涂層， CrTiAlN層為CrN和TiAlN交替構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，厚度為2. 5微米，調(diào)制周期為17納米； TiAlN層為納米晶結(jié)構(gòu)，厚度為1微米，晶粒尺寸為13納米。沉積結(jié)束后，自然冷卻至室溫后取出刀具，即得到沉積有氮化鉻鋁鈦復合涂層的硬質(zhì)合金刀具。實施例2將硬質(zhì)合金刀具清洗干凈，裝夾在工件架上，開始抽真空，當真空度高于5 X IO-3Pa 時，開始加熱除氣，溫度控制在300°C，保持工件架公轉(zhuǎn)速度為9轉(zhuǎn)/分，當真空度為 5 X 10 時，通入Ar氣，溫度控制在300°C，開偏壓電源，偏壓控制在-800V，對刀具基體進行輝光清洗。輝光清洗結(jié)束后，在真空度1. 5 X 10 ,溫度300 V、-800V偏壓下，打開Cr靶， 對刀具基體轟擊得到100納米厚的Cr粘結(jié)層；轟擊完畢后，關(guān)閉Ar氣通道，通入隊氣將真空度調(diào)節(jié)到2. OPa,調(diào)節(jié)偏壓為-150V，溫度控制在300°C，在Cr粘結(jié)層上沉積得到100納米厚的CrN支撐層。CrN支撐層沉積結(jié)束后，調(diào)節(jié)隊將真空度控制在3Pa，溫度控制在300°C， 保持偏壓為-150V，打開TiAl靶，在CrN支撐層上沉積得到厚度為9微米的主耐磨層，該主耐磨層是3層CrTiAlN層和3層TiAlN層交替構(gòu)成的多層復合涂層，CrTiAlN層為CrN和 TiAlN交替構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，厚度為2微米，調(diào)制周期為6納米；TiAlN層為納米晶結(jié)構(gòu)，
5厚度為1微米，晶粒尺寸為20納米。沉積結(jié)束后，自然冷卻至室溫后取出刀具，即得到沉積有氮化鉻鋁鈦復合涂層的硬質(zhì)合金刀具。實施例3將硬質(zhì)合金刀具清洗干凈，裝夾在工件架上，開始抽真空，當真空度高于5 X IO-3Pa 時，開始加熱除氣，溫度控制在350°C，保持工件架公轉(zhuǎn)速度為12轉(zhuǎn)/分，當真空度為 5 X 10 時，通入Ar氣，溫度控制在350 V，開偏壓電源，偏壓控制在-800V，對刀具進行輝光清洗。輝光清洗結(jié)束后，真空度調(diào)節(jié)為2.2X10_2Pa，溫度控制在350°C、偏壓保持在-900V，打開Cr靶，對刀具基體轟擊得到50納米厚的Cr粘結(jié)層；轟擊完畢后，偏壓降到-200V，斷掉Ar氣，通入N2氣將真空度調(diào)節(jié)到2. OPa，溫度控制在350°C，在Cr粘結(jié)層上沉積200納米厚的CrN支撐層。CrN支撐層沉積結(jié)束后，調(diào)節(jié)隊將真空度控制在3Pa，偏壓-150V，溫度控制在350°C，打開TiAl靶，在CrN支撐層上沉積厚度為8微米的主耐磨層， 該主耐磨層是由4層CrTiAlN層和4層TiAlN層交替構(gòu)成的多層復合涂層，CrTiAlN層為 CrN和TiAlN交替構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，厚度為1. 2微米，調(diào)制周期為4納米；TiAlN層為納米晶結(jié)構(gòu)，厚度為0.8微米，晶粒尺寸為15納米。沉積結(jié)束后，自然冷卻至室溫后取出刀具， 即得到沉積有氮化鉻鋁鈦復合涂層的硬質(zhì)合金刀具。以上制備過程使用的裝置可以采用本領(lǐng)域所用設(shè)備的常規(guī)方法來進行設(shè)計。圖1為本發(fā)明制備的沉積在硬質(zhì)合金刀具上氮化鉻鋁鈦復合涂層的掃描電鏡圖， 其中主耐磨層包括2層TiAlN層和2層CrTiAlN層，從圖中可以明顯看出主耐磨層是交替構(gòu)成結(jié)構(gòu)。圖2為本發(fā)明在工件架公轉(zhuǎn)速度為3轉(zhuǎn)/分下制備的CrTiAlN層的透射電鏡圖， 從圖中可以明顯看出，CrTiAlN層是由超晶格構(gòu)成的納米多層結(jié)構(gòu)。圖3為本發(fā)明在工件架公轉(zhuǎn)速度3轉(zhuǎn)/分下制備的TiAlN層的透射電鏡圖，從圖中可以明顯看出其為納米晶結(jié)構(gòu)。圖4為本發(fā)明制備的氮化鉻鋁鈦復合涂層的附著力曲線圖，從圖中可以看出當加載力增加到70N以上時，才出現(xiàn)連續(xù)震蕩，發(fā)出聲音信號，表明氮化鉻鋁鈦復合涂層的附著力接近75N。圖5為本發(fā)明制備的氮化鉻鋁鈦復合涂層的硬度隨空氣中退火溫度的變化曲線圖，當溫度超過1000°c時，涂層表面硬度才出現(xiàn)明顯減小，表明該氮化鉻鋁鈦復合涂層耐高溫性能好，可達到1000°C以上。圖6為本發(fā)明制備的氮化鉻鋁鈦復合涂層的硬度隨TiAlN層和CrTiAlN層的層數(shù)變化曲線圖，從圖中可以看出，隨著TiAlN層和CrTiAlN層的層數(shù)增加，氮化鉻鋁鈦復合涂層的硬度可達到3750Hv。圖7為本發(fā)明制備的氮化鉻鋁鈦復合涂層的摩擦系數(shù)隨TiAlN層和CrTiAlN層的層數(shù)變化曲線圖，從圖中可以看出，氮化鉻鋁鈦復合涂層的摩擦系數(shù)可以低至0.4以下。
權(quán)利要求
1.一種氮化鉻鋁鈦復合涂層，至少包括粘結(jié)層、支撐層和主耐磨層，支撐層附著在粘結(jié)層上面，主耐磨層附著在支撐層上面，粘結(jié)層為Cr，支撐層為CrN，其特征在于主耐磨層是由TiAlN層與CrTiAlN層交替構(gòu)成的多層復合涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鉻鋁鈦復合涂層，其特征在于粘結(jié)層厚度為50 100 納米，支撐層厚度為100 500納米，主耐磨層厚度為3 10微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鉻鋁鈦復合涂層，其特征在于所述TiAlN層為納米晶結(jié)構(gòu)，每層TiAlN厚度為0. 5 1. 5微米，晶粒尺寸為5 30納米；所述CrTiAlN層為CrN 和TiAlN交替構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，每層CrTiAlN厚度為1 3微米，調(diào)制周期為4 25納米。
4.一種沉積有如權(quán)利要求1所述復合涂層的刀具，至少包括刀具基體，其特征在于氮化鉻鋁鈦復合涂層的粘結(jié)層沉積在刀具基體上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的刀具，其特征在于刀具基體為硬質(zhì)合金刀具。
6.一種權(quán)利要求4所述刀具的制備方法，其特征在于包括以下步驟將表面潔凈的刀具基體裝夾在工件架上進行輝光清洗；輝光清洗結(jié)束后，在Ar氣環(huán)境、真空度1. 5X ΙΟ"2 2. 5X IO^2Pa,200 400°C、-600 -900V偏壓條件下，打開多弧Cr靶在刀具基體上沉積 Cr粘結(jié)層；然后在氮氣環(huán)境、真空度1. 5 3. OPa,300 400°C、-100 -400V偏壓條件下，在Cr粘結(jié)層上沉積CrN支撐層；在氮氣環(huán)境下，真空度3. 0 5. OPa,300 40(TC、偏壓-50 -200V條件下，打開TiAl靶，在CrN支撐層上沉積主耐磨層，主耐磨層為TiAlN層與CrTiAlN層交替構(gòu)成的多層復合涂層；沉積結(jié)束后，自然冷卻，得到沉積有氮化鉻鋁鈦復合涂層的刀具。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述刀具基體為硬質(zhì)合金刀具，工件架的公轉(zhuǎn)速度為1 12轉(zhuǎn)/分。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于粘結(jié)層厚度為50 100納米，支撐層厚度為100 500納米，主耐磨層厚度為3 10微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述TiAlN層為納米晶結(jié)構(gòu)，每層 TiAlN厚度為0. 5 1. 5微米，晶粒尺寸為5 30納米；所述CrTiAlN層為CrN和TiAlN交替構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，每層CrTiAlN厚度為1 3微米，調(diào)制周期為4 25納米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮化鉻鋁鈦復合涂層、沉積有該涂層的刀具及制備方法。在刀具基體上依次沉積Cr粘結(jié)層、CrN支撐層和主耐磨層，其中，主耐磨層是由納米晶結(jié)構(gòu)的TiAlN層與超晶格結(jié)構(gòu)的CrTiAlN層交替構(gòu)成的多層復合涂層，即得到上述具有氮化鉻鋁鈦復合涂層的刀具。本發(fā)明提供的氮化鉻鋁鈦復合涂層結(jié)合了超晶格結(jié)構(gòu)和納米晶結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，硬度高、摩擦系數(shù)低、附著力強、抗氧化溫度高，所得刀具具有高的表面硬度、較強的膜-基附著力、良好的耐磨性能和耐高溫性能。
文檔編號B32B15/04GK102166849SQ201010596
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者付德君, 楊兵, 田燦鑫, 閆少健 申請人:武漢新鉻涂層設(shè)備有限公司