一種多層AlCrN切削刀具涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多層AlCrN切削刀具涂層及其制備方法，所述Cr界面植入層沉積于刀具基體的表面，Cr界面植入層的厚度為50～300nm；CrN結合層的厚度為0.1～1μm，CrN/AlCrN支撐層的厚度為0.5～3μm；AlCrN功能層的厚度為1～3μm；所述CrN/AlCrN支撐層為CrN和AlCrN調(diào)制納米多層漸變結構，調(diào)制周期為2～10nm。對基體表面進行輝光清洗；打開金屬Cr靶，沉積Cr界面植入層，沉積CrN結合層；開啟Cr金屬和AlCr合金靶，沉積CrN/AlCrN支撐層；沉積AlCrN功能層。具有超過60N的結合力，40GPa的硬度，低達0.3的摩擦系數(shù)，刀具壽命可提高5倍以上。
【專利說明】—種多層AI Cr N切削刀具涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種刀具涂層及其制備方法，尤其涉及的是一種多層AlCrN切削刀具涂層及其制備方法。
【背景技術】[0002]刀具的性能對切削加工的效率、精度、表面質量有著決定性的影響。刀具材料直接影響刀具的使用性能，大多數(shù)材料在使用過程中出現(xiàn)失穩(wěn)、損傷和破壞，都是從表面開始的。涂層刀具是利用氣相沉積方法在高強度的硬質合金和高速鋼基體上(HSS)基體表面涂覆幾個微米的高硬度、高耐磨性的難熔金屬或非金屬化合物涂層。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化和摩擦系數(shù)小等特性。TiC和TiN是最早出現(xiàn)的刀具涂層材料。TiC涂層抗磨料磨損能力強，具有高的抗刀面磨損能力；TiN涂層摩擦系數(shù)小，應用溫度高于TiC，適于加工鋼材或切削易于粘在前刀面上的材料。隨著現(xiàn)代高速高效加工和難加工材料日益增多對刀具材料的苛刻要求，TiC和TiN涂層的硬度和抗高溫氧化能力已滿足不了材料加工的需要。AlCrN涂層是近10年發(fā)展最為迅速的刀具涂層之一，AlCrN涂層具有較低的導熱系數(shù)以及較高的抗高溫氧化能力。Balzers公司制備的AlCrN涂層硬度達3200HV，在溫度達到1000°C時仍可保持其硬度；與鋼材的摩擦系數(shù)為0.35~0.4，殘余壓應力為3GPa，其韌性超過TiAlN及TiCN涂層，非常適合斷續(xù)切削和難加工材料的加工。但AlCrN涂層的推廣和應用還存在著大量的有待解決的問題，比如膜基結合力及鋼材切削性能的進一步提聞、內(nèi)應力的減小等。
[0003]物理氣相沉積(PVD)技術是現(xiàn)階段制備刀具涂層的主流技術主要包括磁控濺射和陰極弧電弧離子鍍。電弧離子鍍具有離化率高、適合工業(yè)化大面積生產(chǎn)的優(yōu)點，在負偏壓加速下，沉積膜層結合力好，組織致密，沉積速率高，目前已被廣泛用于硬質耐磨涂層和高溫防護涂層涂覆。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種多層AlCrN切削刀具涂層及其制備方法，具有硬度高、摩擦系數(shù)低、結合強度高、高溫穩(wěn)定性好，沉積涂層刀具適用于高速條件下的高硬度鋼材料切削加工的特點。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明的一種多層AlCrN切削刀具涂層，包括由下至上依次沉積于刀具基體表面的Cr界面植入層、CrN結合層、CrN/AlCrN支撐層和AlCrN功能層；所述Cr界面植入層沉積于刀具基體的表面，Cr界面植入層的厚度為50~300nm ；CrN結合層的厚度為0.1~I μ m，CrN/AlCrN支撐層的厚度為0.5~3μπι ;AlCrN功能層的厚度為I~3 μ m ;所述CrN/AlCrN支撐層為CrN和AlCrN調(diào)制納米多層漸變結構，調(diào)制周期為2~10nm。
[0006]CrN結合層用于改善涂層與刀具基體的結合，漸變結構的CrN/AlCrN支撐層能夠改善涂層韌性及強度，降低內(nèi)應力，AlCrN功能層起到在切削的時候適應切削環(huán)境生成低摩擦的穩(wěn)定氧化膜的作用。
[0007]所述AlCrN功能層中，按原子數(shù)百分比計，AlCrN功能層的成分包括A139~45%，Cr20 ~28%，N30 ~50%。
[0008]所述AlCrN功能層中還包括其他合金元素，所述其他合金元素選自S1、B、C、Y中的一種或多種，按原子數(shù)百分比計，其他合金元素的含量為I~4%。加入適當?shù)暮辖鹪乜梢蕴岣叩毒叩挠捕然蛘呓档湍Σ料禂?shù)。
[0009]一種多層AlCrN切削刀具涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)將基體清洗后放入基片架，對基體表面進行輝光清洗；
[0011](2)打開金屬Cr靶，沉積Cr界面植入層，然后在Cr界面植入層上沉積CrN結合層；
[0012](3)開啟Cr金屬和AlCr合金靶，在CrN結合層上沉積CrN/AlCrN支撐層；
[0013](4)在CrN/AlCrN支撐層上沉積AlCrN功能層。
[0014]所述步驟(1)中，輝光清洗的條件為:當真空室的本底真空度為1X10_4~IXlO-2Pa時，通入Ar氣并控制氣壓在IXKT2~8X KT1Pa,基片溫度200~500°C，負偏壓-800~-1200V，轟擊時間5~30min。
[0015]所述步驟(2)中，輝光清洗后，真空調(diào)節(jié)為0.1~2Pa，打開電弧離子鍍金屬Cr靶，對基體轟擊5~30min，偏壓保持在-300~-1000V，獲得Cr界面植入層，厚度為50~300nm，在轟擊完畢后，偏壓降到-30~-200V，通入N2，控制氣壓在0.4~2Pa，保持基體溫度200~500°C，脈沖偏壓-20~-300V，占空比10~80%，電弧電壓10~40V，電弧電流50~100A,開始沉積CrN結合層,沉積10~90min,厚度為0.1~I μ m。
[0016]所述步驟(3)中，CrN結合層沉積結束后，開啟Cr金屬靶和AlCr合金靶，控制電弧電壓10~50V，電弧電流50~100A，調(diào)節(jié)控制N2氣通入，真空度為I~2Pa，負偏壓50~200V，占空比10~80%，襯底溫度200~500°C，基片轉速2~7rpm,制備CrN/AlCrN支撐層，沉積時間20~120min,厚度為0.5~3 μ m。
[0017]所述步驟(4)中，控制電弧電壓10~50V，電弧電流50~70A，調(diào)節(jié)控制隊氣通入，真空度為0.8~3Pa，負偏壓-50~-150V,襯底溫度200~500°C，制備AlCrN功能層，沉積時間40~120min,厚度I~3 μ m。
[0018]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)點:本發(fā)明的多層AlCrN涂層由于具有Cr界面植入層、CrN結合層、CrN/AlCrN支撐層，因而有較強結合力，普通的AlCrN涂層由于與刀具涂層晶格參數(shù)差距大，存在較大的內(nèi)應力，本發(fā)明采用Cr界面植入層、CrN結合層及CrN/AlCrN支撐層，可以有效減小內(nèi)應力，實驗測試表明，該AlCrN基涂層體系具有超過60N的結合力，40GPa的硬度，低達0.3的摩擦系數(shù)，切削實驗表明涂層刀具壽命可提高5倍以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是實施例1制得的多層AlCrN涂層的透射電鏡TEM截面照片；
[0020]圖2是實施例1制得的CrN/AlCrN支撐層的高分辨透射電鏡HRTEM照片；
[0021]圖3是實施例1制得的多層AlCrN涂層的硬度-壓入深度曲線；
[0022]圖4為未涂層刀具與實施例2刀具的后刀面磨損情況比較示意圖。【具體實施方式】
[0023]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0024]實施例1
[0025]用酒精和丙酮清洗硬質合金樣品，用氣槍吹干后置于腔體內(nèi)的基片架上。用機械泵和分子泵將真空室的本底真空抽到3~5 X 10_3Pa，通入Ar氣，壓強升至0.2Pa，加-1000V的高偏壓，輝光清洗5~30min ;清洗結束后，真空調(diào)節(jié)為3 X KT1Pa,打開金屬Cr祀，對工件基體轟擊20min約150nm厚的Cr界面植入層，偏壓保持在-500~-800V ;在轟擊完畢后，偏壓降到-150V，占空比80%，斷掉Ar氣，通入N2，控制N2氣氣壓在1.2~2Pa，開始沉積金屬CrN結合層，電弧電壓20~30V，電弧電流65~80A，沉積時間10~20min。CrN結合層沉積結束后，開啟AlCrX合金靶，本實施例的AlCrX合金靶中，X為Si和B元素，控制靶電流在50~70A，工件架轉速調(diào)整到5rpm，制備CrN/AlCrN支撐層，同時，通過控制幾列不同的Cr和CrN的開啟，以及電弧電流的變化，使得支撐層逐漸從CrN過渡到AlCrN，時間20~30min ;關閉金屬Cr靶，控制電弧電壓10~30V，電弧電流60~70A，調(diào)節(jié)快速流量計控制N2氣通入，并通過真空室節(jié)流閥控制將真空控制在2~3Pa，負偏壓-80~-150V，襯底溫度200~500°C，制備AlCrN功能層?？偣渤练e時間100~120min，得到厚度為4~4.5 μ m的多層AlCrN涂層。
[0026]本實施例的AlCrN功能層中，按原子數(shù)百分比計，AlCrN功能層的成分包括A145%，Cr20%, N34%, Si 和 B 共計 1%。
[0027]如圖1和圖2所示，涂層結合良好，具有典型的柱狀生長結構，涂層相結構為CrN面心立方結構，Al元素固溶其于CrN的晶格中。從HRTEM照片看，在柱狀晶內(nèi)為CrN/AlCrN的納米層狀結構，調(diào)制周期2~5nm。
[0028]如圖3所示，圖3是表面涂鍍有多層AlCrN涂層的硬質合金刀具的硬度-壓入曲線，涂層硬度達到43GPa ;此外，多層AlCrN涂層對SKDll淬硬鋼有較低的摩擦系數(shù)為0.3。涂層也具有良好的高溫穩(wěn)定性，在1000°C下達完全抗氧化級。
[0029]實施例2
[0030]用酒精和丙酮清洗整體硬質合金桿狀銑刀，用氣槍吹干后置于腔體內(nèi)的基片架上。用機械泵和分子泵將真空室的本底真空抽到3~5 X l(T3Pa，通入Ar氣，壓強升至0.2~IPaJP -1000V的高偏壓，輝光清洗10~30min ;清洗結束后，真空調(diào)節(jié)為3 X KT1Pa,打開金屬Cr靶，對工件基體轟擊20min約150nm厚的Cr植入層，偏壓保持在-500~-800V ;在轟擊完畢后，偏壓降到-150V，占空比80%，斷掉Ar氣，通入N2，控制N2氣氣壓在1.2~2Pa，開始沉積金屬CrN結合層，電弧電壓20~30V，電弧電流65~80A，沉積時間10~20min。CrN結合層沉積結束后，開啟AlCrX合金靶，本實施例的AlCrX合金靶中，X為C元素，控制靶電流在50~70A，工件架轉速調(diào)整到5rpm，制備CrN/AlCrN支撐層，同時，通過控制幾列不同的Cr和Al7tlCr3tl靶的開啟，以及電弧電流的變化，使得CrN/AlCrN支撐層逐漸從CrN過渡到AlCrN，時間20~30min ;關閉金屬Cr靶，控制電弧電壓10~30V，電弧電流60~70A,調(diào)節(jié)快速流量計控制N2氣通入，并通過真空室節(jié)流閥控制將真空控制在2~3Pa，負偏壓-80~-150V，襯底溫度200~500°C，制備AlCrN功能層；總共沉積時間100~120min，得到涂層厚度為4~4.5 μ m的多層AlCrN涂層整體硬質合金銑刀。
[0031 ] 本實施例的AlCrN功能層中，按原子數(shù)百分比計，AlCrN功能層的成分包括A139%，Cr27%, N30%, C4%。
[0032]圖4為本工藝制備的多層AlCrN涂層整體硬質合金銑刀的高速切削曲線情況比較。銑削材料:SKDll ;切削線速度:200m/s。從圖中可以看出，以200 μ m的后刀面磨損作為壽命基準，未做涂層的刀具切削長度有60m，而涂鍍有多層AlCrN涂層的硬質合金刀具切削長度到320m，提高5倍以上。切削長度的改善與AlCrN涂層的特殊設計導致的涂層結合力及耐磨性的提高，內(nèi)應力的降低等因素相關。
[0033]實施例3[0034]用酒精和丙酮清洗硬質合金立銑刀，用氣槍吹干后置于腔體內(nèi)的基片架上。用機械泵和分子泵將真空室的本底真空抽到3~5X 10_3Pa，通入Ar氣，壓強升至0.2~IPa，加-1000V的高偏壓，輝光清洗10~30min ;清洗結束后，真空調(diào)節(jié)為3 X KT1Pa,打開金屬Cr靶，對工件基體轟擊20min約150nm厚的Cr植入層，偏壓保持在-600~-900V ;在轟擊完畢后，偏壓降到-150V，占空比80%，斷掉Ar氣，通入N2，控制N2氣氣壓在1.2~2Pa，開始沉積金屬CrN結合層，電弧電壓20~30V，電弧電流65~80A，沉積時間10~20min。CrN結合層沉積結束后，開啟AlCrX合金靶，本實施例的AlCrX合金靶中，X為Y元素，控制靶電流在50~70A，工件架轉速調(diào)整到5rpm，制備CrN-AlCrN支撐層，同時，通過控制幾列不同的Cr和Al7tlCr3tl靶的開啟，以及電弧電流的變化，使得CrN-AlCrN支撐層逐漸從CrN過渡到AlCrN，時間20~30min ;關閉金屬Cr靶，控制電弧電壓10~30V，電弧電流60~70A,調(diào)節(jié)快速流量計控制N2氣通入，并通過真空室節(jié)流閥控制將真空控制在2~3Pa，負偏壓-80~-150V，襯底溫度200~500°C，制備AlCrN功能層；總共沉積時間80~IOOmin,得到涂層厚度為4~4.5 μ m的多層AlCrN涂層整體硬質合金立銑刀。
[0035]本實施例的AlCrN功能層中，按原子數(shù)百分比計，AlCrN功能層的成分包括A140%，Cr20%, N38%, Y2%。
【權利要求】
1.一種多層AlCrN切削刀具涂層，其特征在于，包括由下至上依次沉積于刀具基體表面的Cr界面植入層、CrN結合層、CrN/AlCrN支撐層和AlCrN功能層；所述Cr界面植入層沉積于刀具基體的表面，Cr界面植入層的厚度為50~300nm ；CrN結合層的厚度為0.1~1μ m, CrN/AlCrN支撐層的厚度為0.5~3 μ m ；AlCrN功能層的厚度為1~3 μ m ;所述CrN/AlCrN支撐層為CrN和AlCrN調(diào)制納米多層漸變結構，調(diào)制周期為2~10nm。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種多層AlCrN切削刀具涂層，其特征在于，所述AlCrN功能層中，按原子數(shù)百分比計，AlCrN功能層的成分包括A139~45%，Cr20~28%，N30~50%。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種多層AlCrN切削刀具涂層，其特征在于，所述AlCrN功能層中還包括其他合金元素，所述其他合金元素選自S1、B、C、Y中的一種或多種，按原子數(shù)百分比計，其他合金元素的含量為I~4%。
4.一種如權利要求1所述的多層AlCrN切削刀具涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將基體清洗后放入基片架，對基體表面進行輝光清洗； (2)打開金屬Cr靶，沉積Cr界面植入層，然后在Cr界面植入層上沉積CrN結合層； (3)開啟Cr金屬和AlCr合金靶，在CrN結合層上沉積CrN/AlCrN支撐層； (4)在CrN/AlCrN支撐層上沉積AlCrN功能層。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種多層AlCrN切削刀具涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中，輝光清洗的條件為:當真空室的本底真空度為1X10_4~lX10_2Pa時，通入Ar氣并控制氣壓在I X 10_2~8 X KT1Pa,基片溫度200~500°C，負偏壓-800~-1200V，轟擊時間5~30min。
6.根據(jù)權利要求4所述的一種多層AlCrN切削刀具涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，輝光清洗后，真空調(diào)節(jié)為0.1~2Pa，打開電弧離子鍍金屬Cr靶，對基體轟擊5~30min，偏壓保持在-300~-1000V，獲得Cr界面植入層，厚度為50~300nm，在轟擊完畢后，偏壓降到-30~-200V，通入N2,控制氣壓在0.4~2Pa，保持基體溫度200~500°C，脈沖偏壓-20~-300V，占空比10~80%，電弧電壓10~40V，電弧電流50~100A，開始沉積CrN結合層,沉積10~90min,厚度為0.1~1 μ m。
7.根據(jù)權利要求4所述的一種多層AlCrN切削刀具涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中，CrN結合層沉積結束后，開啟Cr金屬祀和AlCr合金祀,控制電弧電壓10~50V,電弧電流50~100A，調(diào)節(jié)控制隊氣通入，真空度為I~2Pa，負偏壓50~200V，占空比10~80%，襯底溫度200~500°C，基片轉速2~7rpm，制備CrN/AlCrN支撐層，使得CrN/AlCrN支撐層逐漸從CrN過渡到AlCrN，沉積時間20~120min，厚度為0.5~3 μ m。
8.根據(jù)權利要求4所述的一種多層AlCrN切削刀具涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中，控制電弧電壓10~50V，電弧電流50~70A，調(diào)節(jié)控制N2氣通入，真空度為.0.8~3Pa，負偏壓-50~-150V，襯底溫度200~500°C，制備AlCrN功能層，沉積時間40~120min,厚度 I ~3 μ m。
【文檔編號】B32B9/04GK103898445SQ201410158509
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權日:2014年4月18日
【發(fā)明者】張世宏, 王啟民, 李福星, 方煒 申請人:常州多晶涂層科技有限公司