本發(fā)明屬于機(jī)械制造金屬切削刀具領(lǐng)域，特別是涉及一種zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具及其制備工藝。

背景技術(shù)：

涂層刀具的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了高速切削技術(shù)的發(fā)展，涂層刀具具有硬度高，耐熱性、耐磨性能好，化學(xué)穩(wěn)定性、抗粘結(jié)性能強，摩擦系數(shù)低，刀具壽命更高等優(yōu)點。目前涂層刀具已廣泛應(yīng)用于航天航空材料加工、汽車零部件制造、模具成型制造、機(jī)床制造等行業(yè)中。tic和tin涂層是最早應(yīng)用在刀具表面上的涂層。然而，隨著切削加工技術(shù)的發(fā)展以及高速切削技術(shù)的推廣，二元氮化物硬質(zhì)涂層相對較弱的韌性和耐磨性限制了其應(yīng)用。通過制備多元復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層可以顯著提高涂層的韌性、強度及耐沖擊性等綜合性能，涂層的多元復(fù)合結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為涂層刀具的重要發(fā)展方向。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(yīng)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(zhì)合金刀具的耐磨性高5-8倍。中國專利“汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽銑刀表面ticn多層復(fù)合涂層制備工藝”(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(zhuǎn)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(yīng)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(jié)構(gòu)和制備工藝進(jìn)行改進(jìn)。目前，多元化是材料改善力學(xué)性能、耐蝕性和耐磨性的有效途徑，通過制備多元復(fù)合涂層，既可提高涂層與基體的結(jié)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(xué)氣相沉積技術(shù)(cvd)等技術(shù)制備，即通過ticl4(或ti靶)、ch4(或c2h2)以及n2等氣體反應(yīng)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(shè)備造成污染，制約了其廣泛應(yīng)用。

層狀復(fù)合材料是近幾年發(fā)展起來的材料增強增韌新技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)是通過模仿貝殼而來，因此又叫仿生疊層復(fù)合材料。自然界中貝殼的珍珠層是一種天然的層狀結(jié)構(gòu)材料，其斷裂韌性卻比普通單一均質(zhì)結(jié)構(gòu)高出3000倍以上。因此，通過模仿生物材料結(jié)構(gòu)形式的層間設(shè)計，制備出的疊層復(fù)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(shù)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(jié)合層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)點本發(fā)明目的在于提供一種zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具及其制備工藝。

本發(fā)明所述的zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具，刀具基體最外層為zrcrcn涂層，刀具基體與zrcrcn涂層間有cr過渡層，zrcrcn涂層與cr過渡層之間是zrcrc涂層與zrcrcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)。

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

本發(fā)明所述的zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具的制備工藝，沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法，沉積時使用2個復(fù)合zrcrc非平衡磁控濺射靶，2個電弧cr靶：首先采用電弧鍍沉積cr過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積zrcrc涂層與zrcrcn涂層，最外層為zrcrcn涂層；其中：zrcrc非平衡磁控濺射靶中包含重量分?jǐn)?shù)為50％-70％的zr、20％-35％的cr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cr過渡層；

(4)采用非平衡磁控濺射在cr過渡層上沉積zrcrc涂層；

(5)采用非平衡磁控濺射在zrcrc涂層上沉積zrcrcn涂層；

(6)采用非平衡磁控濺射在zrcrcn涂層上沉積zrcrc涂層；

(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積zrcrcn涂層、zrcrc涂層、zrcrcn涂層……zrcrcn涂層共80min；

(8)后處理：關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)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25min，干燥后放入鍍膜機(jī)，抽真空至6.0×10^-3pa，加熱至250℃，保溫30～35min。

步驟(2)中通ar氣，其壓力為1.6pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.2，輝光放電清洗30min；降低偏壓至400v，開啟離子源離子清洗20min，開啟電弧cr靶電源，cr靶電流60a，偏壓300v，離子轟擊1～2min。

步驟(3)中調(diào)ar氣壓0.6～0.7pa，偏壓降至250v，cr靶電流60a，沉積溫度240℃，電弧鍍cr過渡層4～5min。

步驟(4)中調(diào)ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調(diào)至180v，關(guān)閉電弧cr靶電源，zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a，沉積zrcrc涂層4～5min。

步驟(5)開啟n2，n2氣壓為1.5pa，ar氣壓0.6pa，偏壓200v，zrcrc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積溫度200℃，復(fù)合沉積zrcrcn涂層4～5min，沉積完成關(guān)閉n2。

步驟(6)中調(diào)ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調(diào)至180v，zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a，沉積zrcrc涂層4～5min。

本發(fā)明所述zrcrc非平衡磁控濺射靶采用真空熱壓法制備，即將裝有zr粉末、cr粉末、c粉末混合粉的模具置入真空熱壓爐，經(jīng)熱壓燒結(jié)后成型所得。

本發(fā)明所制備zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具，刀具最外層為zrcrcn涂層，刀具基體與涂層間有cr過渡層，zrcrcn涂層與cr過渡層之間是zrcrc涂層和zrcrcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)。刀具基體上的cr過渡層主要作用是減緩因涂層成分突變造成的層間應(yīng)力，提高了涂層與刀具基體間的結(jié)合性能，涂層中cr元素對涂層起到固溶強化作用，提高了涂層的抗氧化性，zr元素提高了涂層的硬度和耐磨性能。同時該疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)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(kuò)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(shù)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(fù)合鍍膜方法，直接采用zrcrc復(fù)合靶作碳源，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。所制得的zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具綜合了zrcrcn超硬碳氮化合物涂層、zrcrc超硬碳化物涂層及疊層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，可明顯改善ticn涂層刀具的物理機(jī)械性能，該疊層復(fù)合刀具可降低切削過程的切削力和切削溫度，提高涂層刀具的紅硬性性及抗氧化能力，減小刀具磨損35-45％，提高涂層刀具使用壽命30-40％。同時，zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)通過疊層之間的界面減緩?fù)繉觿兟浜土鸭y擴(kuò)展，該zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具可廣泛應(yīng)用于各種黑色金屬和有色金屬的高速加工及干切削加工。

附圖說明

圖1、本發(fā)明的zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、刀具基體2、cr過渡層3、zrcrc涂層4、zrcrcn涂層5、zrcrc涂層與zrcrcn涂層交替的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)。

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zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具及其制備工藝，該刀具為普通的銑刀片，其基體材料為：硬質(zhì)合金tw2，刀具基體最外層為zrcrcn涂層，刀具基體與zrcrcn涂層間有cr過渡層，zrcrcn涂層與cr過渡層之間是zrcrc涂層與zrcrcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)。沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法，沉積時使用2個復(fù)合zrcrc非平衡磁控濺射靶，2個電弧cr靶：首先采用電弧鍍沉積cr過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積zrcrc涂層與zrcrcn涂層，最外層為zrcrcn復(fù)合涂層；其中：zrcrc非平衡磁控濺射靶中包含重量分?jǐn)?shù)為50％的zr、35％的cr和15％的c。

其制備步驟包括如下：

(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(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)，抽真空至6.0×10^-3pa，加熱至250℃，保溫30～35min；

(2)刀具基體表面離子清洗：通ar氣，其壓力為1.6pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.2，輝光放電清洗30min；降低偏壓至400v，開啟離子源離子清洗20min，開啟電弧cr靶電源，cr靶電流60a，偏壓300v，離子轟擊1～2min；

(3)采用電弧鍍在刀具基體表面沉積cr過渡層：調(diào)ar氣壓0.6～0.7pa，偏壓降至250v，cr靶電流60a，沉積溫度240℃，電弧鍍cr過渡層4～5min；

(4)采用非平衡磁控濺射在cr過渡層上沉積zrcrc涂層：調(diào)ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調(diào)至180v，關(guān)閉電弧cr靶電源，開啟zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a，沉積zrcrc層4～5min；

(5)采用非平衡磁控濺射在zrcrc涂層上沉積zrcrcn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.5pa，ar氣壓0.6pa，偏壓200v，zrcrc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積溫度200℃，復(fù)合沉積zrcrcn涂層4～5min，沉積完成關(guān)閉n2；

(6)采用非平衡磁控濺射在zrcrcn涂層上沉積zrcrc涂層：調(diào)ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調(diào)至180v，調(diào)zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a，沉積zrcrc層4～5min；

(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積zrcrcn涂層、zrcrc涂層、zrcrcn涂層……zrcrcn涂層共80min：

(8)后處理：關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。

實施例2

一種zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合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zrcrcn涂層，刀具基體與zrcrcn涂層間有cr過渡層，zrcrcn涂層與cr過渡層之間是zrcrc涂層與zrcrcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)。沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法，沉積時使用2個復(fù)合zrcrc非平衡磁控濺射靶，2個電弧cr靶：首先采用電弧鍍沉積cr過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積zrcrc涂層與zrcrcn涂層，最外層為zrcrcn復(fù)合涂層；其中：zrcrc非平衡磁控濺射靶中包含重量分?jǐn)?shù)為70％的zr、20％的cr和10％的c。

其制備步驟包括如下：

(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(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)，抽真空至6.0×10^-3pa，加熱至250℃，保溫30～35min；

(2)刀具基體表面離子清洗：通ar氣，其壓力為1.6pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.2，輝光放電清洗30min；降低偏壓至400v，開啟離子源離子清洗20min，開啟電弧cr靶電源，cr靶電流60a，偏壓300v，離子轟擊1～2min；

(3)采用電弧鍍在刀具基體表面沉積cr過渡層：調(diào)ar氣壓0.6～0.7pa，偏壓降至250v，cr靶電流60a，沉積溫度240℃，電弧鍍cr過渡層4～5min；

(4)采用非平衡磁控濺射在cr過渡層上沉積zrcrc涂層：調(diào)ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調(diào)至180v，關(guān)閉電弧cr靶電源，開啟zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a，沉積zrcrc層4～5min；

(5)采用非平衡磁控濺射在zrcrc涂層上沉積zrcrcn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.5pa，ar氣壓0.6pa，偏壓200v，zrcrc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積溫度200℃，復(fù)合沉積zrcrcn涂層4～5min，沉積完成關(guān)閉n2。；

(6)采用非平衡磁控濺射在zrcrcn涂層上沉積zrcrc涂層：調(diào)ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調(diào)至180v，調(diào)zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a，沉積zrcrc層4～5min；

(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積zrcrcn涂層、zrcrc涂層、zrcrcn涂層……zrcrcn涂層共80min：

(8)后處理：關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。