專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種切削不銹鋼用的pvd納米多層涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層，該涂層可用于切削刀具
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別適用于不銹鋼類(lèi)材料的切削加工，本發(fā)明還涉及切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
：高速切削及干式切削由于其機(jī)械加工效率高，環(huán)境污染少，正日益成為切削技術(shù)發(fā)展的主流。這種加工技術(shù)對(duì)刀具涂層的性能提出了更高的要求，不僅要求刀具涂層硬度高，摩擦系數(shù)小，而且還需具有較高的抗氧化能力。常用的TiN等單一涂層由于硬度不高(室溫硬度低于25GPa)，不能滿(mǎn)足切削加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在TiN涂層基礎(chǔ)上加入金屬元素(如A1、Cr、Zr等)可以進(jìn)一步提高其硬度和抗氧化性，其中(Ti,A1)N涂層的硬度(約33GPa)和高溫抗氧化能力，均較TiN涂層有很大提高，成為目前最常用的刀具涂層材料。同普通鋼材相比，不銹鋼屬于難加工材料，其加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重、切削阻力大、切削溫度高。普通的TiAlN涂層HV硬度為30士5GPa，抗氧化溫度為800°C，已經(jīng)不能很好地滿(mǎn)足不銹鋼在高速切削和干式切削苛刻服役條件下的需要。提高TiAlN涂層中的Al含量可以提高涂層的硬度和抗氧化性能，但過(guò)高的A1含量會(huì)導(dǎo)致涂層的晶體結(jié)構(gòu)由面心立方結(jié)構(gòu)向密排六方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而使涂層的力學(xué)性能急劇下降。兩種材料以納米量級(jí)交替沉積形成的納米多層涂層中，存在著硬度異常升高的超硬效應(yīng)。此類(lèi)涂層由兩種剪切模量不同的材料組成，借助于界面對(duì)位借移動(dòng)及裂紋擴(kuò)展的阻滯作用，可使涂層的硬度、彈性模量和斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能顯著提高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高溫抗氧化性能、韌性、硬度、彈性模量和斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能較高的切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層。本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種工藝簡(jiǎn)單、操作方便的切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層的制備方法。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是提供切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層，納米多層涂層由TiN層、(Tix，Al1-x)N層、(Tiy，Al1-y)N和(Tix，Al1-x)N交替沉積在硬質(zhì)合金基體上組成，涂層總的厚度控制在26um，其中TiN單層厚度控制在28nm，(Tix，Alh)N單層厚度控制在l5nm，(Tiy，Al卜》N單層厚度控制在15nm。所述的TixAln和TiyAl卜y靶材的成分為O.5〈x<l，0.3〈y<0.5。在沉積納米多層涂層前依次預(yù)先沉積厚度分別為2030nm的Ti和2040nm的TiN過(guò)渡層。本發(fā)明提供的切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層的制備方法，具體制作工藝如下(A)、將硬質(zhì)合金基體做表面清潔處理；(B)、接著在真空條件下，采用多靶磁控濺射方法在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的硬質(zhì)合金基體上交替沉積以TiN/(TL，Alh)N/(Ti"Al卜y)N/(Ti"Alh)N為調(diào)制周期的納米多層涂層，采用Ar為濺射氣體，Ar2的流量為180300cm7s，Ar的分壓為1.79.0'10—'Pa，反應(yīng)氣體為Ns，并通過(guò)控制N2的分壓來(lái)控制總壓。在步驟(A)之后、步驟(B)之前增加步驟(A'):在處理后的硬質(zhì)合金基體上沉積厚度為2030nm的金屬Ti和2040nmTiN的過(guò)渡層。采用l塊Ti靶，2塊TixAlh靶和l塊TiyAl卜y靶。多耙反應(yīng)磁控濺射時(shí)，四塊工作耙材的擺放位置為T(mén)i耙和TiyAl卜y靶分別置于真空室的8、IO號(hào)位置，兩塊TLAlh耙分別置于真空室的9、ll號(hào)位置。多靶反應(yīng)磁控濺射過(guò)程中，通過(guò)載物基座的旋轉(zhuǎn)獲得具有成分調(diào)制結(jié)構(gòu)的納米多層涂層，每一層的厚度由基座的旋轉(zhuǎn)速度以及濺射靶的功率來(lái)控制?；男D(zhuǎn)速度控制在O.52圈/分鐘，靶材的功率控制在900011000W。真空條件為真空度高于3X10—3Pa。本發(fā)明將具有優(yōu)良高溫抗氧化性能的高Al含量TiAlN引入到多層涂層材料體系中，提高了涂層的高溫抗氧化性能和硬度，通過(guò)顯微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了涂層的韌性，使該種涂層在具有高溫抗氧化性能的同時(shí)，還獲得了優(yōu)異的力學(xué)性能。本發(fā)明所制備的納米多層涂層在不銹鋼切削加工中具有很大的應(yīng)用價(jià)值。圖1是在硬質(zhì)合金基體上沉積以TiN/(Tix，Alh)N/(Tiy,Al卜y)N/(TL，Alh)N為調(diào)制周期的納米多層涂層結(jié)構(gòu)示意圖2是納米多層涂層沉積時(shí)靶材的位置示意圖靶和TiyAl卜y靶分別置于真空室的8、10號(hào)位置，兩塊TixAlh靶分別置于真空室的9、11號(hào)位置)。圖中1-TiN;2-TixAlhN;3-TiyAl卜yN;4-TLA1卜XN;5-TiN過(guò)渡層；6-Ti過(guò)渡；7-基體；8,9,10,11分別表示涂層爐的四個(gè)靶材位置。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例l:用牌號(hào)為YG8、型號(hào)為CNMG120408的硬質(zhì)合金刀片做基體分別沉積普通的TiAlN涂層和本發(fā)明的納米多層涂層之后切削不銹鋼(1Crl8Ni9Ti)。參見(jiàn)圖l，具體制作工藝如下(A)、將硬質(zhì)合金基體7做表面清潔處理；(A'):在處理后的硬質(zhì)合金基體7上沉積厚度為2030nm的金屬Ti層6和2040nmTiN的過(guò)渡層5;(B)、采用l塊Ti靶，2塊TixAlh靶和l塊TiyAl,—y耙。多耙反應(yīng)磁控濺射時(shí)，四塊工作靶材的擺放位置為T(mén)i靶和TiyAl,—y靶分別置于真空室的8、IO號(hào)位置，兩塊TLAlh靶分別置于真空室的9、ll號(hào)位置，真空室的真空度高于3X10—3Pa，硬質(zhì)合金基體旋轉(zhuǎn)速度控制為2圈/分鐘，靶材的功率控制在11000W，采用多耙磁控濺射方法交替沉積以TiN/(Tix，Alh)N/(Tiy，Al卜y)N/(Tix，Al卜JN為調(diào)制周期的納米多層涂層，采用Ar為濺射氣體，Ar的流量為300cm7s，Ar的分壓為1.7'l(TPa，反應(yīng)氣體為N"并通過(guò)控制N2的分壓來(lái)控制總壓。參見(jiàn)圖1，l-TiN;2-TixAl卜XN;3-TiyAl卜yN;4-TixAl卜XN;5-TiN過(guò)渡層；6-Ti過(guò)渡；7-基體；本發(fā)明沉積的TiN/(Ti。.7，A1Q.3)N/(Ti。.4，AlQ.6)N/(TiQ.7，A1。.3)N涂層厚度為3pm。加工參數(shù)為切削線(xiàn)速度Vc二200m/min，進(jìn)給量為f=0.2醒/r，切削深度aP=l.Omm。加工狀況干式切削。切削結(jié)果見(jiàn)表1。表l在CNM120408硬質(zhì)合金刀片基體沉積TiAlN涂層和納米多層涂層之后切削不銹鋼(1Crl8Ni9Ti)的使用壽命<table><row><column>產(chǎn)品編號(hào)</column><column>使用壽命</column><column>備注</column></row><row><column></column><column>TiAlN涂層(工業(yè)界現(xiàn)在使用的涂層)</column><column>8min</column><column>切削線(xiàn)速度200m/min，進(jìn)給量0.2mm/r，切削深度lmm，干式切削</column></row><row><column></column><column>納米多層涂層(本工作制備的涂層)</column><column>15min</column><column>切削線(xiàn)速度200m/min，進(jìn)給量0.2mm/r，切削深度lmm，干式切削</column></row><table>實(shí)施例2用牌號(hào)為YGIO、型號(hào)為SEET12T3的硬質(zhì)合金刀片做基體分別沉積普通的TiAlN涂層和本發(fā)明的納米多層涂層之后銑削不銹鋼(1Crl8Ni9Ti)。參見(jiàn)圖l，具體制作工藝如下(A)、將硬質(zhì)合金基體7做表面清潔處理；(A'):在處理后的硬質(zhì)合金基體7上沉積厚度為2030nm的金屬Ti層6和2040nmTiN的過(guò)渡層5;(B)、采用l塊Ti靶，2塊TixAlh靶和l塊Ti,Al卜y靶。多革E反應(yīng)磁控濺射時(shí)，四塊工作靶材的擺放位置為T(mén)i耙和TiyAl卜y耙分別置于真空室的8、IO號(hào)位置，兩塊TixAlh靶分別置于真空室的9、ll號(hào)位置，真空室的真空度高于3X10，a，硬質(zhì)合金基體旋轉(zhuǎn)速度控制為O.5圈/分鐘，靶材的功率控制在9000W，采用多耙磁控濺射方法交替沉積以TiN/(Tix，Alh)N/(Tiy，AL-y)N/(TL，AlN為調(diào)制周期的納米多層涂層，采用Ar為濺射氣體，Ar2的流量為180cm7s，Ar的分壓為9.0'10—'Pa，反應(yīng)氣體為N"并通過(guò)控制N2的分壓來(lái)控制總壓。參見(jiàn)圖l，1-TiN;2-TixAl1-xN;3-TiyAl1-yN;4-TLAL—XN;5-TiN過(guò)渡層；6-Ti過(guò)渡；7-基體；本發(fā)明沉積的TiN/(Ti。.6，Al。.4)N/(Ti。.35，Al。.65)N/(Ti。.6,A1。」)N涂層，涂層厚度為3ym。加工參數(shù)切削線(xiàn)速度VC。m/min，進(jìn)給量為f=0.2mm/r，切削深度ap爿.Omm。加工狀況干式切削。切削結(jié)果見(jiàn)表2。表2在SEET12T3硬質(zhì)合金刀片基體沉積TiAlN涂層和納米多層涂層之后切削不銹鋼(1Crl8Ni9Ti)的使用壽命<table><row><column>產(chǎn)品編號(hào)</column><column>使用壽命</column><column>備注</column></row><row><column>普通TiAlN涂層(工業(yè)界現(xiàn)在使用的涂層)</column><column>25min</column><column>切削線(xiàn)速度120m/min,進(jìn)給量為0.2mm/r，切削深度lmm，干式切削</column></row><row><column>納米多層涂層(本工作制備的涂層)</column><column>40min</column><column>切削線(xiàn)速度120m/min，進(jìn)給量為0.2mm/r，切削深度lmm，干式切削</column></row><table>權(quán)利要求1、一種切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層，其特征是納米多層涂層由TiN層、(Tix，Al1-x)N層、(Tiy，Al1-y)N和(Tix，Al1-y)N交替沉積在硬質(zhì)合金基體上組成，涂層總的厚度控制在2～6μm，其中TiN單層厚度控制在2～8nm，(Tix，Al1-y)N單層厚度控制在1～5nm，(Tiy，Al1-y)N單層厚度控制在1～5nm。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層，其特征是所述的TLAlh和TiyAl卜y靶材的成分為O.5<x〈l，0.3〈y〈0.5。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層，其特征是在沉積納米多層涂層前依次預(yù)先沉積厚度分別為2030nm的Ti和2040nm的TiN過(guò)渡層。4、制備權(quán)利要求1所述的切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層的方法，其特征是具體制作工藝如下(A)、將硬質(zhì)合金基體做表面清潔處理；(B)、接著在真空條件下，采用多靶磁控濺射方法在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的硬質(zhì)合金基體上交替沉積以TiN/(Ti"Alh)N/(Tiy，Al卜y)N/(TL，Alh)N為調(diào)制周期的納米多層涂層，采用Ar2為濺射氣體，An的流量為180300cm7s，An的分壓為1.79.0'10—Pa，反應(yīng)氣體為N2，并通過(guò)控制N2的分壓來(lái)控制總壓。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層的制備方法，其特征是在步驟(A)之后、步驟(B)之前增加步驟(A'):在處理后的硬質(zhì)合金基體上沉積厚度為2030nm的金屬Ti和2040nmTiN的過(guò)渡層。6、根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層的制備方法，其特征是采用l塊Ti靶，2塊TixAlh靶和l塊TiyAl卜y靶。7、根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層的制備方法，其特征是多靶反應(yīng)磁控濺射時(shí)，四塊工作靶材的擺放位置為T(mén)i耙和TiyAl卜y靶分別置于真空室的(8、IO)號(hào)位置，兩塊TLAlh靶分別置于真空室的(9、ll)號(hào)位置。8、根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層的制備方法，其特征是所述的硬質(zhì)合金基體的旋轉(zhuǎn)速度控制在O.52圈/分鐘，靶材的功率控制在900011000W。9、根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層的制備方法，其特征是所述的真空條件為真空度高于3X10—3pa。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種切削不銹鋼用的PVD納米多層涂層及其制備方法，具體制作工藝如下(A)將硬質(zhì)合金基體做表面清潔處理；(B)接著在真空條件下，采用多靶磁控濺射方法在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的硬質(zhì)合金基體上交替沉積以TiN/(Ti<sub>x</sub>，Al<sub>1-x</sub>)N/(Ti<sub>y</sub>，Al<sub>1-y</sub>)N/(Ti<sub>x</sub>，Al<sub>1-x</sub>)N為調(diào)制周期的納米多層涂層，采用Ar<sub>2</sub>為濺射氣體，Ar的流量為180～300cm<sup>3</sup>/s，Ar的分壓為1.7～9.0′10<sup>-1</sup>Pa，反應(yīng)氣體為N<sub>2</sub>，并通過(guò)控制N<sub>2</sub>的分壓來(lái)控制總壓。本發(fā)明將具有優(yōu)良高溫抗氧化性能的高Al含量TiAlN引入到多層涂層材料體系中，提高了涂層的高溫抗氧化性能和硬度，通過(guò)顯微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了涂層的韌性，使該種涂層在具有高溫抗氧化性能的同時(shí)，還獲得了優(yōu)異的力學(xué)性能。本發(fā)明所制備的納米多層涂層在不銹鋼切削加工中具有很大的應(yīng)用價(jià)值。文檔編號(hào)C23C14/35GK101200797SQ20071003618公開(kāi)日2008年6月18日申請(qǐng)日期2007年11月21日優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日發(fā)明者佳李,勇杜,王社權(quán),利陳,黃伯云申請(qǐng)人:中南大學(xué)