本發(fā)明屬于機械制造金屬切削刀具領域，特別是涉及一種timoc/timocn疊層涂層刀具及其制備方法。

背景技術：

近10年來，涂層技術在刀具行業(yè)的應用得到了快速普及，涂層刀具已成為切削加工不可缺少的主流刀具。與此同時，隨著切削加工向高速切削、強力切削和干式切削的迅速發(fā)展，對涂層刀具的性能提出了更高的要求。ticn是目前最廣泛使用的三元碳氮化合物涂層，ticn涂層由于兼具tic的高硬度和tin的良好韌性，顯著提高了其摩擦磨損性能(jinlongli,shihongzhang，mingxili.influenceofthec2h2flowrateongradientticnfilmsdepositedbymulti-arcionplating[j].appliedsurfacescience,2013(283):134-144.)，已廣泛應用于銑削、攻牙、沖壓、成型及滾齒的加工，在高速切削時比普通硬質合金刀具的耐磨性高5-8倍。中國專利“汽輪機轉子輪槽銑刀表面ticn多層復合涂層制備方法”(專利號201510564738.5)利用ti、氮氣(n2)與乙炔氣體(c2h2)在450℃沉積溫度下合成了ticn涂層銑刀，解決了26nicrmov145材料轉子加工難題。

ticn涂層雖然具有高硬度、低摩擦系數(shù)的優(yōu)點，但同時因其熱穩(wěn)定性和紅硬性較差，僅適合應用于低速切削或具有良好冷卻條件的場合，需要對傳統(tǒng)ticn涂層結構和制備方法進行改進。目前，多元化是材料改善力學性能、耐蝕性和耐磨性的有效途徑，通過制備多元復合涂層，既可提高涂層與基體的結合強度，又兼顧多種單涂層的綜合性能，顯著提高涂層刀具的性能。

目前ticn等碳氮化合物主要通過化學氣相沉積技術(cvd)等技術制備，即通過ticl4(或ti靶)、ch4(或c2h2)以及n2等氣體反應生成，沉積溫度通常超過400℃，對基體產(chǎn)生不利影響，同時氣體碳源容易對涂層設備造成污染，制約了其廣泛應用。

層狀復合材料是近幾年發(fā)展起來的材料增強增韌新技術，這種結構是通過模仿貝殼而來，因此又叫仿生疊層復合材料。自然界中貝殼的珍珠層是一種天然的層狀結構材料，其斷裂韌性卻比普通單一均質結構高出3000倍以上。因此，通過模仿生物材料結構形式的層間設計，制備出的疊層復合涂層可以提高目前碳氮化合物涂層的韌性、穩(wěn)定性及減摩耐磨性等綜合性能。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有碳氮化合物涂層刀具性能及制備方法的不足，結合層狀復合材料結構的優(yōu)點本發(fā)明目的在于提供一種timoc/timocn疊層涂層刀具及其制備方法。

本發(fā)明所述的timoc/timocn疊層涂層刀具，刀具基體最外層為timocn涂層，刀具基體與timocn涂層間有ti過渡層，timocn涂層與ti過渡層之間為timoc涂層與timocn涂層交替的復合疊層結構。

所述刀具基體材料為高速鋼、工具鋼、模具鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石或立方氮化硼中的一種。

本發(fā)明所述的timoc/timocn疊層涂層刀具的制備方法，沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復合鍍膜方法，沉積時使用2個復合timoc非平衡磁控濺射靶，2個電弧ti靶：首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積timoc涂層與timocn涂層，最外層為timocn涂層；其中，timoc非平衡磁控濺射靶包含重量分數(shù)為50％-70％的ti、20％-40％的mo和10％-15％的c。

具體包括以下步驟：

(1)刀具基體表面前處理；

(2)刀具基體表面離子清洗；

(3)采用電弧鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層；

(4)采用非平衡磁控濺射在ti過渡層上沉積timoc涂層；

(5)采用非平衡磁控濺射在timoc涂層上沉積timocn涂層；

(6)采用非平衡磁控濺射在timocn涂層上沉積timoc涂層；

(7)重復(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積timocn涂層、timoc涂層、timocn涂層……timocn涂層共80min；

(8)后處理：關閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結束。

其中：

步驟(1)中首先將刀具基體表面拋光，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，干燥充分后迅速放入鍍膜機，抽真空至6.0×10^-3pa，加熱至250℃，保溫40min。

步驟(2)中通入ar氣，其壓力為1.4pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.3，輝光放電清洗25min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗25min，開啟電弧ti靶電源，ti靶電流40a，偏壓300v，離子轟擊1～2min。

步驟(3)中調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓降至250v，ti靶電流80a，沉積溫度220℃，電弧鍍ti過渡層4～5min。

步驟(4)中調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，關閉電弧ti靶電源，開啟timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc層4～5min。

步驟(5)中開啟n2，n2氣壓為1.5pa，ar氣壓0.8pa，偏壓200v，調timoc非平衡磁控濺射靶電流35a，沉積溫度250℃，復合沉積timocn涂層4～5min，沉積完成關閉n2。

步驟(6)中調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，調timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc涂層4～5min。

本發(fā)明所述timoc非平衡磁控濺射靶，采用真空熱壓法制備，即將裝有ti粉末、mo粉末、c粉末混合粉的模具置入真空熱壓爐，經(jīng)熱壓燒結后的成型所得。

本發(fā)明所制備的timoc/timocn疊層涂層刀具，刀具基體最外層為timocn涂層，刀具基體與涂層間有ti過渡層，timocn涂層與ti過渡層之間是timoc涂層和timocn涂層交替的復合疊層結構。ti過渡層主要作用是減緩因涂層成分突變造成的層間應力，提高了涂層與刀具基體間的結合性能，涂層中的mo元素提高了涂層的硬度和強度，改善了涂層的抗高溫氧化能力，降低了涂層表面的摩擦系數(shù)，同時所述疊層復合結構的層間界面可阻止涂層柱狀晶的生長，阻礙裂紋和缺陷的擴展，提高涂層的硬度、韌性和耐沖擊性。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益效果。

本發(fā)明采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復合鍍膜方法，直接采用timoc非平衡磁控濺射靶作碳源，且沉積溫度控制在300℃以下，可在更為廣泛的刀具或工具基體上制備。本發(fā)明所制備的timoc/timocn疊層涂層刀具綜合了timocn超硬碳氮化合物涂層、timoc超硬碳化物涂層及疊層結構的優(yōu)點，可明顯改善傳統(tǒng)ticn涂層刀具的物理機械性能。所述timoc/timocn疊層復合刀具可降低高速干切削過程中的摩擦，降低切削力和切削溫度20％以上，減少刀具表面的粘結和磨損，比傳統(tǒng)刀具減小刀具磨損20-30％，提高涂層使用壽命40％以上。同時，timoc/timocn疊層復合結構通過疊層之間的界面可減緩涂層裂紋擴展，所述timoc/timocn疊層復合涂層刀具可廣泛應用于各種材料的干切削和高速加工。

附圖說明

圖1、本發(fā)明的timoc/timocn疊層涂層刀具的涂層結構示意圖。

圖中：1、為刀具基體2、ti過渡層3、timoc涂層4、timocn涂層5、timoc涂層與timocn涂層交替的疊層復合結構。

具體實施方式

下面給出本發(fā)明的二個最佳實施例：

實施例1

一種timoc/timocn疊層涂層刀具及其制備方法，該刀具為普通的銑刀片，其刀具基體材料為：硬質合金yt15，刀具基體最外層為timocn涂層，刀具基體與timocn涂層間有ti過渡層，timocn涂層與ti過渡層之間為timoc涂層與timocn涂層交替的復合疊層結構。本發(fā)明沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復合鍍膜方法，沉積時使用2個復合timoc非平衡磁控濺射靶，2個電弧ti靶：首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積timoc涂層與timocn涂層，最后表面為timocn復合涂層；其中，timoc非平衡磁控濺射靶包含重量分數(shù)為70％的ti、20％的mo和10％的c。

具體制備步驟如下：

(1)刀具基體表面前處理：將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風干燥充分后迅速放入鍍膜機，抽真空至6.0×10-3pa，加熱至250℃，保溫40min；

(2)刀具基體表面離子清洗：通ar氣，其壓力為1.4pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.3，輝光放電清洗25min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗25min，開啟電弧ti靶電源，ti靶電流40a，偏壓300v，離子轟擊1～2min；

(3)采用電弧鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層：調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓降至250v，ti靶電流80a，沉積溫度220℃，電弧鍍ti過渡層4～5min；

(4)采用非平衡磁控濺射在ti過渡層上沉積timoc涂層：調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，關閉電弧ti靶電源，開啟timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc涂層4～5min；

(5)采用非平衡磁控濺射在timoc涂層上沉積timocn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.5pa，ar氣壓0.8pa，偏壓200v，timoc非平衡磁控濺射靶電流35a，沉積溫度250℃，復合沉積timocn層4～5min，沉積完成關閉n2；

(6)采用非平衡磁控濺射在timocn涂層上沉積timoc涂層：調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，調timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc涂層4～5min；

(7)重復(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積timocn涂層、timoc涂層、timocn涂層……timocn涂層共80min：

(8)后處理：關閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結束。

實施例2

一種timoc/timocn疊層涂層刀具及其制備方法，該刀具為普通麻花鉆，其刀具基體材料為：高速鋼w18cr4v，刀具基體最外層為timocn涂層，刀具基體與timocn涂層間有ti過渡層，timocn涂層與ti過渡層之間為timoc涂層與timocn涂層交替的復合疊層結構。本發(fā)明沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復合鍍膜方法，沉積時使用2個復合timoc非平衡磁控濺射靶，2個電弧ti靶：首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積timoc與timocn層，最外層為timocn復合涂層；其中，timoc非平衡磁控濺射靶包含重量分數(shù)為50％的ti、40％的mo和10％的c。

具體制備步驟如下：

(1)刀具基體表面前處理：將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風干燥充分后迅速放入鍍膜機，抽真空至6.0×10^-3pa，加熱至250℃，保溫40min；

(2)刀具基體表面離子清洗：通ar氣，其壓力為1.4pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.3，輝光放電清洗25min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗25min，開啟電弧ti靶電源，ti靶電流40a，偏壓300v，離子轟擊1～2min；

(3)采用電弧鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層：調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓降至250v，ti靶電流80a，沉積溫度220℃，電弧鍍ti過渡層4～5min；

(4)采用非平衡磁控濺射在ti過渡層上沉積timoc涂層：調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，關閉電弧ti靶電源，開啟timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc涂層4～5min；

(5)采用非平衡磁控濺射在timoc涂層上沉積timocn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.5pa，ar氣壓0.8pa，偏壓200v，timoc非平衡磁控濺射靶電流35a，沉積溫度250℃，復合沉積timocn層4～5min，沉積完成關閉n2；

(6)采用非平衡磁控濺射在timocn涂層上沉積timoc涂層：調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，調timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc涂層4～5min；

(7)重復(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積timocn涂層、timoc涂層、timocn涂層……timocn涂層共80min：

(8)后處理：關閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結束。