專利名稱：納米復(fù)合鈦硅氮化物刀具涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種利用物理氣相沉積技術(shù)涂覆的納米復(fù)合鈦硅氮化物刀具涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)刀具涂層是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金、高速鋼刀具基體表面上，通過物 理或化學(xué)的氣相沉積方法，在基體表面涂覆一層幾個微米的高硬度，高耐磨性的金屬或非 金屬的化合物，以減少刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，保護(hù)刀具基體材料，提高刀具的耐 磨性和切削硬度。早期利用物理氣相沉積技術(shù)制備的硬質(zhì)涂層材料，通常是簡單的TiN、TiC涂層， 其顯微硬度約為HV 2300，應(yīng)用溫度為500 600°C，相對高速鋼或硬質(zhì)合金材料，具有較高 的抗機(jī)械磨損、抗磨料磨損性能和較低的摩擦系數(shù)。為了進(jìn)一步提高刀具的耐磨性和切削硬度，目前有在TiN涂層中添加C、A1等元素 形成多組元的多元涂層，如TiCN、TiAIN涂層，顯微硬度達(dá)到HV 3000，具有比TiN，TiCN涂 層更高的抗機(jī)械磨損、抗磨料磨損性能。TiAIN涂層的應(yīng)用溫也提高到800°C以上。隨著汽車、航空、航天、重機(jī)等工業(yè)的發(fā)展，以及數(shù)控機(jī)床的迅速普及，機(jī)械加工技 術(shù)正朝著提高加工效率，降低加工成本及減少環(huán)境污染的方向發(fā)展。高速加工、干式切削和 微潤滑切削成為目前切削加工的發(fā)展趨勢。以前的硬質(zhì)合金、高速鋼刀具和目前廣為應(yīng)用 的TiCN、TiAIN涂層刀具，雖然有效地提高了刀具的抗機(jī)械磨損、抗磨料磨損性能，仍不能 滿足現(xiàn)代化工業(yè)對刀具更好性能的要求

發(fā)明內(nèi)容
具有更高機(jī)械性能和高溫穩(wěn)定性的納米結(jié)構(gòu)涂層材料，可以滿足現(xiàn)代化工業(yè)對刀 具更好性能的要求。本發(fā)明的目的在于提供一種在硬質(zhì)合金刀具表面涂覆納米復(fù)合鈦硅氮化物涂層 的配方和制備方法，使使用本發(fā)明制備的刀具，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高切削刀具 的技術(shù)指標(biāo)，以滿足現(xiàn)代化工業(yè)對更好刀具的需求。本發(fā)明使用的刀具基體為WC/Co硬質(zhì)合金，刀具基體表面涂層為鈦硅氮化物硬質(zhì) 涂層材料。本發(fā)明的硬質(zhì)合金刀具基體為高韌性K類硬質(zhì)合金，WC的平均晶粒度為0. 3-1微 米；本發(fā)明是在WC/Co硬質(zhì)合金刀具基體表面采用物理氣相沉積技術(shù)涂鍍一層鈦/氮 化鈦過渡層，然后再涂鍍一層鈦硅氮化物涂層材料，其中過渡層的厚度0. 1-0. 5微米，鈦硅 氧化物涂層的厚度為1-4微米。其涂層配方如下鈦30-68at. %硅 2-20at.%氮 30_50at.%用本配方制成的鈦硅氮化物涂層，其各成分總和應(yīng)為100%。
本發(fā)明可以通過改變涂層中的硅含量調(diào)節(jié)涂層的顯微結(jié)構(gòu)、顯微硬度和抗高溫氧 化的性能，以適應(yīng)不同的加工對象和切削條件。本發(fā)明涉及的刀具基體預(yù)處理工藝為未涂層刀具經(jīng)過金屬清洗液超聲波清洗、 去離子水漂洗、酒精超聲清洗，丙酮脫水。本發(fā)明的鍍膜步驟為將經(jīng)預(yù)處理后的未涂層刀具均勻固定在支架上，間距 大于等于10mm，裝入鍍膜機(jī)中，調(diào)節(jié)工件支架轉(zhuǎn)速為10-20印!11，抽至本底真空2.5 3.0X10_3Pa，同時打開加熱器，升溫至300-500°C ；打開Ar氣流量閥，調(diào)節(jié)真空室約為 0. 3-0. 4Pa,基體加負(fù)偏電壓290-310V，進(jìn)行輝光濺射清洗9-llmin，濺射功率7kw ；隨后 開啟極離子槍，以Ti離子高能轟擊基體3-5分鐘以活化基體表面；然后降低基體偏電 壓至200-260V，同時打開N2氣流量閥，在流量200-300sccm、溫度400-500 °C、工作壓力 0. 7-0. 9Pa條件下，沉積TiN過渡層9-llmin ；根據(jù)通入反應(yīng)氣體N2，沉積涂層，沉積時間保 持在100-120min ；完成鍍膜后，刀具隨爐降溫至170°C后取出常溫冷卻即可。使用本發(fā)明制成的刀具，其抗機(jī)械磨損性能和抗磨料磨損性能均有大幅度提高， 可以滿足現(xiàn)代化工業(yè)對合金刀具更好性能的需求，有巨大的市場潛力和切實的使用價值。
具體實施例方式本發(fā)明是在WC/Co硬質(zhì)合金刀具體表面采用物理氣相沉積技術(shù)涂鍍一層鈦/氮化 鈦過渡層，然后再涂鍍一層鈦硅氮化物涂層材料，其中過渡層的厚度0. 1-0. 5微米，鈦硅氧 化物涂層的厚度為1-4微米。其涂層配方如下鈦50at. %硅 6at.%氮 44at. %本發(fā)明涉及的刀具基體預(yù)處理工藝為未涂層刀具經(jīng)過金屬清洗液超聲波清洗、 去離子水漂洗、酒精超聲清洗，丙酮脫水。本發(fā)明的鍍膜步驟為將經(jīng)預(yù)處理后的未涂層刀具均勻固定在支架上，間距為 10mm,裝入鍍膜機(jī)中，調(diào)節(jié)工件支架轉(zhuǎn)速為lOrpm，抽至本底真空3. 0 X 10_3Pa，同時打開加 熱器，升溫至400°C，打開Ar氣流量閥，調(diào)節(jié)真空室約為0. 3Pa,基體加負(fù)偏電壓300V，進(jìn)行 輝光濺射清洗lOmin，濺射功率7kw ；隨后開啟極離子槍，以Ti離子高能轟擊基體4分鐘； 然后降低基體偏電壓至200V，同時打開N2氣流量閥，在流量200SCCm、溫度400°C、工作壓 力0. 7Pa條件下，沉積TiN過渡層lOmin ；根據(jù)通入反應(yīng)氣體N2，沉積涂層，沉積時間保持在 lOOmin ；完成鍍膜后，刀具隨爐降溫至170°C后取出常溫冷卻即可。在K30硬質(zhì)合金立銑刀表面，制備的鈦硅氮化物涂層立銑刀，刀具表面涂層厚度 為2-3微米，含有鈦/氮化鈦的過渡層0. 1-0. 5微米，與在相同硬質(zhì)合金立銑刀表面沉積的 氮化鈦涂層立銑刀和無涂層的硬質(zhì)合金立銑刀在高速切削淬硬鋼的壽命對比實驗，每種刀 具各取5支，平均壽命分別為無涂層刀具切削9. 2m，氮化鈦涂層刀具切削23. lm，納米復(fù) 合鈦硅氮化物涂層刀具切削40. 3m。其切削條件為工件材料DIN 1.2311(HRC 52)，切削速 度200m/min，進(jìn)給率0. 02mm/tooth，切深0. 1mm，切寬2mm，干銑，順銑。
權(quán)利要求
一種納米復(fù)合鈦硅氮化物刀具涂層，其特征是涂層配方如下鈦30-68at.％硅2-20at.％氮30-50at.％用本配方制成的鈦硅氮化物涂層，其各成分總和應(yīng)為100％；涂層刀具的鍍膜步驟為將經(jīng)預(yù)處理后的未涂層刀具均勻固定在支架上，間距大于等于10mm，裝入鍍膜機(jī)中，調(diào)節(jié)工件支架轉(zhuǎn)速為10-20rpm，抽至本底真空2.5～3.0×10-3Pa，同時打開加熱器，升溫至300-500℃；打開Ar氣流量閥，調(diào)節(jié)真空室約為0.3-0.4Pa，基體加負(fù)偏電壓290-310V，進(jìn)行輝光濺射清洗9-11min，濺射功率7kw；隨后開啟極離子槍，以Ti離子高能轟擊基體3-5分鐘以活化基體表面；然后降低基體偏電壓至200-260V，同時打開N2氣流量閥，在流量200-300sccm、溫度400-500℃、工作壓力0.7-0.9Pa條件下，沉積TiN過渡層9-11min；根據(jù)通入反應(yīng)氣體N2，沉積涂層，沉積時間保持在100-120min；完成鍍膜后，刀具隨爐降溫至170℃后取出常溫冷卻即可。
全文摘要
一種納米復(fù)合鈦硅氮化物刀具涂層，涂層配方如下鈦30-68at.％、硅2-20at.％、氮30-50at.％。用本配方制成的鈦硅氮化物涂層，其各成分總和應(yīng)為100％。使用本發(fā)明制成的刀具，其抗機(jī)械磨損性能和抗磨料磨損性能均有大幅度提高，可以滿足現(xiàn)代化工業(yè)對合金刀具更好性能的需求，有巨大的市場潛力和切實的使用價值。
文檔編號C23C14/06GK101851738SQ20091003828
公開日2010年10月6日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者余東海, 王成勇, 袁安素 申請人:東莞瀚晶納米材料有限公司