本發(fā)明屬于化工材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種刀具表面CrN-CrAlSiN階梯狀多元復(fù)合涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
切削刀具大部分采用涂層工藝來提高它們的使用性能。涂層作為化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少了刀具的磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦系數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性。涂層采用的材料須具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、耐熱耐氧化以及與基體附著牢固等要求。CrAlSiN涂層具有硬度高的特點(diǎn)，但是其容易從刀具基片表面剝落，造成刀具的使用壽命降低。雖然已經(jīng)有專利指出采用CrAlSi復(fù)合靶材由射頻陰極控制，用Ar與N2的混合氣體進(jìn)行濺射，濺射出來Cr、Al、Si離子與混合氣體中的N離子發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成CrAlN基體相和Si3N4界面相的混合體，但是涂層內(nèi)部形成Si3N4界面相包裹CrAlN納米等軸晶粒的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致CrAlSiN的組織成分不均勻，涂層的性能難以保證。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種刀具表面CrN-CrAlSiN階梯狀多元復(fù)合涂層的制備方法，該方法可以將CrAlSiN涂層牢牢地結(jié)合在刀具基片表面，有效防止CrAlSiN涂層從刀具基片表面剝落。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種刀具表面CrN-CrAlSiN階梯狀多元復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層由上述制備方法制備而來，從內(nèi)到外依次為CrN涂層和CrAlSiN涂層，CrN涂層作為CrAlSiN涂層與基體之間的過渡層，主要目的是增加CrAlSiN涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度。得到的CrAlSiN涂層厚度和組織成分均勻，晶體顆粒小。
為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
一種刀具表面CrN-CrAlSiN階梯狀多元復(fù)合涂層的制備方法，包括如下步驟：
1)對刀具的表面進(jìn)行清潔；
2)在刀具的表面濺射CrN涂層，靶材為CrN合金；
3)在濺射有CrN涂層的刀具表面濺射CrAlSiN涂層，靶材為CrAlSiN合金，濺射環(huán)境為氬氣環(huán)境。
采用組織成分均勻的CrAlSiN合金靶材，用氬氣進(jìn)行濺射，最終在CrN涂層表面形成組織成分均勻的CrAlSiN涂層，可以提高CrAlSiN涂層與DLC涂層之間結(jié)合強(qiáng)度的均勻性，進(jìn)而整體提高了CrAlSiN涂層與CrN涂層之間的結(jié)合力，成功解決了主耐磨層-CrAlSiN涂層的整體抗磨能力不均衡、易脫落的問題。同時，制備得到的CrAlSiN涂層質(zhì)地均勻、表面光滑，減小了摩擦系數(shù)，減小了在使用過程中的磨損，延長了刀具的使用壽命。
優(yōu)選的，步驟1)中，首先對刀具基片表面進(jìn)行拋光處理，使其達(dá)到設(shè)定的粗糙度，清洗、干燥后在磁控濺射室中被氬離子清潔，直至達(dá)標(biāo)。
進(jìn)一步優(yōu)選的，拋光后的刀具基片表面粗糙度為0.02-0.04μm，進(jìn)一步的粗糙度為0.03μm。有利于提高基體和涂層的結(jié)合強(qiáng)度。
進(jìn)一步優(yōu)選的，采用超聲清洗機(jī)對拋光后的刀具基片進(jìn)行清洗，干燥的溫度為120-200℃。有利于清洗液的干燥揮發(fā)。
進(jìn)一步優(yōu)選的，刀具在磁控濺射室中被氬離子清潔時，氬氣的壓力為1.5-2.5Pa，施加200-220V偏壓，清潔的時間為20-35min?？商岣呋w表面的潔凈度。
優(yōu)選的，步驟2)中，濺射CrN涂層時，氬氣的壓力為2.0-3.0Pa，施加200-220V偏壓，濺射的時間為35-45min。在這種條件下，CrN涂層和基體有好的結(jié)合強(qiáng)度。
優(yōu)選的，步驟3)中，濺射CrAlSiN涂層時，靶材為CrAlSiN合金，氬氣的壓力為2.0-3.0Pa，施加35-45V偏壓，濺射的時間為55-65min。
這種條件下形成的CrAlSiN涂層厚度均勻，晶體顆粒小，涂層硬度、強(qiáng)度和耐磨損性能好。
利用上述制備方法制備得到的多元復(fù)合涂層，從刀具基片表面到外依次包括CrN涂層和CrAlSiN涂層。
優(yōu)選的，CrN涂層的厚度為150-200nm，CrAlSiN涂層的厚度為1700-2300nm。
這樣的厚度可以保證涂層刀具表層既有足夠的強(qiáng)度，又有一定的摩擦磨損性能。
一種涂覆有上述多元復(fù)合涂層的刀具。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果為：
本發(fā)明通過在硬質(zhì)合金刀具表面濺射CrN-CrAlSiN階梯狀多元復(fù)合涂層，使刀具材料與CrN過渡層形成物理化學(xué)結(jié)合層，CrN過渡層和CrAlSiN涂層形成化學(xué)結(jié)合層，如果硬質(zhì)合金刀具表面直接濺射CrAlSiN，則刀具材料與CrAlSiN涂層較難形成化學(xué)結(jié)合層，通過濺射CrN過渡層，可以有效地防止涂層刀具使用過程中的脫落問題，延長了涂層刀具的使用壽命。
本發(fā)明將CrAlSiN合金作為靶材，采用磁控離子濺射工藝，真空室氣壓低，得到的涂層厚度均勻、組織成分均勻，晶粒顆粒小，涂層的硬度、強(qiáng)度以及耐磨損性能好。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1
一種刀具表面CrN-CrAlSiN階梯狀多元復(fù)合涂層的制備方法。
該方法包括如下步驟：
1.硬質(zhì)合金刀具基片的清潔和干燥
刀具基片表面進(jìn)行拋光處理，粗糙度值為Ra＝0.03μm，然后經(jīng)超聲波清洗機(jī)清洗，再放入恒溫干燥箱中干燥，溫度120℃。
2.硬質(zhì)合金刀具基片的清潔
刀具基片放入磁控濺射室中，氣壓抽至5×10-5Pa之下后，基片被加熱到合適的溫度，然后通入氬氣，在2Pa壓力下，施加200V偏壓，刀具基片被氬離子清理30分鐘。
3.濺射CrN過渡涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為2.5Pa，施加200V偏壓，靶材采用CrN合金，濺射時間為40分鐘。
4.濺射CrAlSiN涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為2.5Pa，施加40V偏壓，靶材采用CrAlSiN合金，濺射時間為60分鐘。
得到的CrN涂層的厚度為150nm，CrAlSiN涂層的厚度為2000nm。
在CA6140型車床上進(jìn)行刀片壽命試驗(yàn)測試：
材料為45鋼，平均硬度為HB188。刀具前角-6°，后角6°，刃斜角-6°，主偏角75°，刀尖角90°，刀片邊長12.7mm，刀片厚度4.76mm。走刀量0.41mm/r，切削深度2mm，切削速度200m/min，刀片連續(xù)切削50-200s后，測量后刀面磨損值VB，當(dāng)VB達(dá)到0.3mm時，累計切削時間作為刀片壽命。
涂層的硬度為50GPa，表面粗糙度為2.3納米，摩擦系數(shù)為0.12，采用劃痕試驗(yàn)測得涂層與基體間的結(jié)合力為78N，刀片壽命為27min。
對比例1
與實(shí)施例1的區(qū)別為CrAlSiN涂層的制備方法：利用CrAlSi復(fù)合靶材在真空室內(nèi)進(jìn)行沉積CrAlSiN層，復(fù)合靶材由射頻陰極控制，濺射氣氛采用Ar與N2的混合氣體，其余的參數(shù)與實(shí)施例1相同，得到2μm的CrAlSiN涂層。
制備得到的涂層的硬度為36GPa，表面粗糙度為3.9納米，摩擦系數(shù)為0.27，涂層與基體間的結(jié)合力為63N，刀片壽命為17min。
對比例2
與實(shí)施例1的區(qū)別為：沒有CrN涂層的制備，直接將CrAlSiN涂層濺射到刀片的基體上，其他參數(shù)與實(shí)施例1相同。
制備得到的涂層的硬度為42GPa，表面粗糙度為3.3納米，摩擦系數(shù)為0.25，涂層與基體間的結(jié)合力為62N，刀片壽命為13min。
實(shí)施例2
一種刀具表面CrN-CrAlSiN階梯狀多元復(fù)合涂層的制備方法。
該方法包括如下步驟：
2.硬質(zhì)合金刀具基片的清潔和干燥
刀具基片表面進(jìn)行拋光處理，粗糙度值為Ra＝0.04μm，然后經(jīng)超聲波清洗機(jī)清洗，再放入恒溫干燥箱中干燥，溫度180℃。
3.硬質(zhì)合金刀具基片的清潔
刀具基片放入磁控濺射室中，氣壓抽至5×10-5Pa之下后，基片被加熱到合適的溫度，然后通入氬氣，在2.5Pa壓力下，施加220V偏壓，刀具基片被氬離子清理35分鐘。
3.濺射CrN過渡涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為2.5Pa，施加220V偏壓，靶材采用CrN合金，濺射時間為45分鐘。
5.濺射CrAlSiN涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為2.5Pa，施加40V偏壓，靶材采用CrAlSiN合金，濺射時間為60分鐘。
得到的CrN涂層的厚度為200nm，CrAlSiN涂層的厚度為2300nm。
涂層的硬度為49GPa，表面粗糙度為2.5納米，摩擦系數(shù)為0.14，采用劃痕試驗(yàn)測得涂層與基體間的結(jié)合力為74N，刀片壽命為22min。
實(shí)施例3
一種刀具表面CrN-CrAlSiN階梯狀多元復(fù)合涂層的制備方法。
該方法包括如下步驟：
3.硬質(zhì)合金刀具基片的清潔和干燥
刀具基片表面進(jìn)行拋光處理，粗糙度值為Ra＝0.04μm，然后經(jīng)超聲波清洗機(jī)清洗，再放入恒溫干燥箱中干燥，溫度200℃。
4.硬質(zhì)合金刀具基片的清潔
刀具基片放入磁控濺射室中，氣壓抽至5×10-5Pa之下后，基片被加熱到合適的溫度，然后通入氬氣，在2Pa壓力下，施加200V偏壓，刀具基片被氬離子清理30分鐘。
3.濺射CrN過渡涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為2.5Pa，施加200V偏壓，靶材采用CrN合金，濺射時間為45分鐘。
6.濺射CrAlSiN涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為2.5Pa，施加40V偏壓，靶材采用CrAlSiN合金，濺射時間為55分鐘。
得到的CrN涂層的厚度為170nm，CrAlSiN涂層的厚度為1900nm。
涂層的硬度為46GPa，表面粗糙度為2.5納米，摩擦系數(shù)為0.14，采用劃痕試驗(yàn)測得涂層與基體間的結(jié)合力為75N，刀片壽命為25min。
上述雖然對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。