本发明属于机械制造金属切削刀具领域，特别是涉及一种zrcrc/zrcrcn叠层复合涂层刀具及其制备工艺。
背景技术：
涂层刀具的广泛应用促进了高速切削技术的发展，涂层刀具具有硬度高，耐热性、耐磨性能好，化学稳定性、抗粘结性能强，摩擦系数低，刀具寿命更高等优点。目前涂层刀具已广泛应用于航天航空材料加工、汽车零部件制造、模具成型制造、机床制造等行业中。tic和tin涂层是最早应用在刀具表面上的涂层。然而，随着切削加工技术的发展以及高速切削技术的推广，二元氮化物硬质涂层相对较弱的韧性和耐磨性限制了其应用。通过制备多元复合结构的涂层可以显著提高涂层的韧性、强度及耐冲击性等综合性能，涂层的多元复合结构已经成为涂层刀具的重要发展方向。ticn是目前最广泛使用的三元碳氮化合物涂层，ticn涂层由于兼具tic的高硬度和tin的良好韧性，显著提高了其摩擦磨损性能(jinlongli,shihongzhang,mingxili.influenceofthec2h2flowrateongradientticnfilmsdepositedbymulti-arcionplating[j].appliedsurfacescience,2013(283):134-144.)，已广泛应用于铣削、攻牙、冲压、成型及滚齿的加工，在高速切削时比普通硬质合金刀具的耐磨性高5-8倍。中国专利“汽轮机转子轮槽铣刀表面ticn多层复合涂层制备工艺”(专利号201510564738.5)利用ti、氮气(n2)与乙炔气体(c2h2)在450℃沉积温度下合成了ticn涂层铣刀，解决了26nicrmov145材料转子加工难题。
ticn涂层虽然具有高硬度、低摩擦系数的优点，但同时因其热稳定性和红硬性较差，仅适合应用于低速切削或具有良好冷却条件的场合，需要对传统ticn涂层结构和制备工艺进行改进。目前，多元化是材料改善力学性能、耐蚀性和耐磨性的有效途径，通过制备多元复合涂层，既可提高涂层与基体的结合强度，又兼顾多种单涂层的综合性能，显著提高涂层刀具的性能。
目前ticn等碳氮化合物主要通过化学气相沉积技术(cvd)等技术制备，即通过ticl4(或ti靶)、ch4(或c2h2)以及n2等气体反应生成，沉积温度通常超过400℃，对基体产生不利影响，同时气体碳源容易对涂层设备造成污染，制约了其广泛应用。
层状复合材料是近几年发展起来的材料增强增韧新技术，这种结构是通过模仿贝壳而来，因此又叫仿生叠层复合材料。自然界中贝壳的珍珠层是一种天然的层状结构材料，其断裂韧性却比普通单一均质结构高出3000倍以上。因此，通过模仿生物材料结构形式的层间设计，制备出的叠层复合涂层可以提高目前碳氮化合物涂层的韧性、稳定性及减摩耐磨性等综合性能。
技术实现要素：
针对现有碳氮化合物涂层刀具性能及制备方法的不足，结合层状复合材料结构的优点本发明目的在于提供一种zrcrc/zrcrcn叠层复合涂层刀具及其制备工艺。
本发明所述的zrcrc/zrcrcn叠层复合涂层刀具，刀具基体最外层为zrcrcn涂层，刀具基体与zrcrcn涂层间有cr过渡层，zrcrcn涂层与cr过渡层之间是zrcrc涂层与zrcrcn涂层交替的复合叠层结构。
刀具基体材料为高速钢、工具钢、模具钢、硬质合金、陶瓷、金刚石或立方氮化硼中的一种。
本发明所述的zrcrc/zrcrcn叠层复合涂层刀具的制备工艺，沉积方式为采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法，沉积时使用2个复合zrcrc非平衡磁控溅射靶，2个电弧cr靶：首先采用电弧镀沉积cr过渡层，然后采用非平衡磁控溅射方法交替沉积zrcrc涂层与zrcrcn涂层，最外层为zrcrcn涂层；其中：zrcrc非平衡磁控溅射靶中包含重量分数为50％-70％的zr、20％-35％的cr和10％-15％的c。
具体包括以下步骤：
(1)刀具基体表面前处理；
(2)刀具基体表面离子清洗；
(3)采用电弧镀在刀具基体表面沉积cr过渡层；
(4)采用非平衡磁控溅射在cr过渡层上沉积zrcrc涂层；
(5)采用非平衡磁控溅射在zrcrc涂层上沉积zrcrcn涂层；
(6)采用非平衡磁控溅射在zrcrcn涂层上沉积zrcrc涂层；
(7)重复(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉积zrcrcn涂层、zrcrc涂层、zrcrcn涂层……zrcrcn涂层共80min；
(8)后处理：关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束。
其中：
步骤(1)中首先将刀具基体表面抛光，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各25min，干燥后放入镀膜机，抽真空至6.0×10-3pa，加热至250℃，保温30～35min。
步骤(2)中通ar气，其压力为1.6pa，开启偏压电源，电压600v，占空比0.2，辉光放电清洗30min；降低偏压至400v，开启离子源离子清洗20min，开启电弧cr靶电源，cr靶电流60a，偏压300v，离子轰击1～2min。
步骤(3)中调ar气压0.6～0.7pa，偏压降至250v，cr靶电流60a，沉积温度240℃，电弧镀cr过渡层4～5min。
步骤(4)中调ar气压0.5～0.6pa，偏压调至180v，关闭电弧cr靶电源，zrcrc非平衡磁控溅射靶电流30a，沉积zrcrc涂层4～5min。
步骤(5)开启n2，n2气压为1.5pa，ar气压0.6pa，偏压200v，zrcrc非平衡磁控溅射靶电流40a，沉积温度200℃，复合沉积zrcrcn涂层4～5min，沉积完成关闭n2。
步骤(6)中调ar气压0.5～0.6pa，偏压调至180v，zrcrc非平衡磁控溅射靶电流30a，沉积zrcrc涂层4～5min。
本发明所述zrcrc非平衡磁控溅射靶采用真空热压法制备，即将装有zr粉末、cr粉末、c粉末混合粉的模具置入真空热压炉，经热压烧结后成型所得。
本发明所制备zrcrc/zrcrcn叠层复合涂层刀具，刀具最外层为zrcrcn涂层，刀具基体与涂层间有cr过渡层，zrcrcn涂层与cr过渡层之间是zrcrc涂层和zrcrcn涂层交替的复合叠层结构。刀具基体上的cr过渡层主要作用是减缓因涂层成分突变造成的层间应力，提高了涂层与刀具基体间的结合性能，涂层中cr元素对涂层起到固溶强化作用，提高了涂层的抗氧化性，zr元素提高了涂层的硬度和耐磨性能。同时该叠层复合结构的层间界面可阻止涂层柱状晶的生长，阻碍裂纹和缺陷的扩展，提高涂层的硬度、韧性和耐冲击性。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果。
本发明采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法，直接采用zrcrc复合靶作碳源，且沉积温度控制在300℃以下，可在更为广泛的刀具或工具基体上制备。所制得的zrcrc/zrcrcn叠层复合涂层刀具综合了zrcrcn超硬碳氮化合物涂层、zrcrc超硬碳化物涂层及叠层结构的优点，可明显改善ticn涂层刀具的物理机械性能，该叠层复合刀具可降低切削过程的切削力和切削温度，提高涂层刀具的红硬性性及抗氧化能力，减小刀具磨损35-45％，提高涂层刀具使用寿命30-40％。同时，zrcrc/zrcrcn叠层复合结构通过叠层之间的界面减缓涂层剥落和裂纹扩展，该zrcrc/zrcrcn叠层复合涂层刀具可广泛应用于各种黑色金属和有色金属的高速加工及干切削加工。
附图说明
图1、本发明的zrcrc/zrcrcn叠层复合涂层刀具的涂层结构示意图。
图中：1、刀具基体2、cr过渡层3、zrcrc涂层4、zrcrcn涂层5、zrcrc涂层与zrcrcn涂层交替的叠层复合结构。
具体实施方式
下面给出本发明的二个最佳实施例：
实施例1
一种zrcrc/zrcrcn叠层复合涂层刀具及其制备工艺，该刀具为普通的铣刀片，其基体材料为：硬质合金tw2，刀具基体最外层为zrcrcn涂层，刀具基体与zrcrcn涂层间有cr过渡层，zrcrcn涂层与cr过渡层之间是zrcrc涂层与zrcrcn涂层交替的复合叠层结构。沉积方式为采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法，沉积时使用2个复合zrcrc非平衡磁控溅射靶，2个电弧cr靶：首先采用电弧镀沉积cr过渡层，然后采用非平衡磁控溅射方法交替沉积zrcrc涂层与zrcrcn涂层，最外层为zrcrcn复合涂层；其中：zrcrc非平衡磁控溅射靶中包含重量分数为50％的zr、35％的cr和15％的c。
其制备步骤包括如下：
(1)刀具基体表面前处理：将刀具基体表面抛光，去除表面油污、锈迹等杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附着物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至6.0×10-3pa，加热至250℃，保温30～35min；
(2)刀具基体表面离子清洗：通ar气，其压力为1.6pa，开启偏压电源，电压600v，占空比0.2，辉光放电清洗30min；降低偏压至400v，开启离子源离子清洗20min，开启电弧cr靶电源，cr靶电流60a，偏压300v，离子轰击1～2min；
(3)采用电弧镀在刀具基体表面沉积cr过渡层：调ar气压0.6～0.7pa，偏压降至250v，cr靶电流60a，沉积温度240℃，电弧镀cr过渡层4～5min；
(4)采用非平衡磁控溅射在cr过渡层上沉积zrcrc涂层：调ar气压0.5～0.6pa，偏压调至180v，关闭电弧cr靶电源，开启zrcrc非平衡磁控溅射靶电流30a，沉积zrcrc层4～5min；
(5)采用非平衡磁控溅射在zrcrc涂层上沉积zrcrcn涂层：开启n2，n2气压为1.5pa，ar气压0.6pa，偏压200v，zrcrc非平衡磁控溅射靶电流40a，沉积温度200℃，复合沉积zrcrcn涂层4～5min，沉积完成关闭n2；
(6)采用非平衡磁控溅射在zrcrcn涂层上沉积zrcrc涂层：调ar气压0.5～0.6pa，偏压调至180v，调zrcrc非平衡磁控溅射靶电流30a，沉积zrcrc层4～5min；
(7)重复(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉积zrcrcn涂层、zrcrc涂层、zrcrcn涂层……zrcrcn涂层共80min：
(8)后处理：关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束。
实施例2
一种zrcrc/zrcrcn叠层复合涂层刀具及其制备方法，该刀具为普通麻花钻，其刀具基体材料为：高速钢w18cr4v。刀具基体最外层为zrcrcn涂层，刀具基体与zrcrcn涂层间有cr过渡层，zrcrcn涂层与cr过渡层之间是zrcrc涂层与zrcrcn涂层交替的复合叠层结构。沉积方式为采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法，沉积时使用2个复合zrcrc非平衡磁控溅射靶，2个电弧cr靶：首先采用电弧镀沉积cr过渡层，然后采用非平衡磁控溅射方法交替沉积zrcrc涂层与zrcrcn涂层，最外层为zrcrcn复合涂层；其中：zrcrc非平衡磁控溅射靶中包含重量分数为70％的zr、20％的cr和10％的c。
其制备步骤包括如下：
(1)刀具基体表面前处理：将刀具基体表面抛光，去除表面油污、锈迹等杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各25min，去除刀具表面油污和其它附着物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至6.0×10-3pa，加热至250℃，保温30～35min；
(2)刀具基体表面离子清洗：通ar气，其压力为1.6pa，开启偏压电源，电压600v，占空比0.2，辉光放电清洗30min；降低偏压至400v，开启离子源离子清洗20min，开启电弧cr靶电源，cr靶电流60a，偏压300v，离子轰击1～2min；
(3)采用电弧镀在刀具基体表面沉积cr过渡层：调ar气压0.6～0.7pa，偏压降至250v，cr靶电流60a，沉积温度240℃，电弧镀cr过渡层4～5min；
(4)采用非平衡磁控溅射在cr过渡层上沉积zrcrc涂层：调ar气压0.5～0.6pa，偏压调至180v，关闭电弧cr靶电源，开启zrcrc非平衡磁控溅射靶电流30a，沉积zrcrc层4～5min；
(5)采用非平衡磁控溅射在zrcrc涂层上沉积zrcrcn涂层：开启n2，n2气压为1.5pa，ar气压0.6pa，偏压200v，zrcrc非平衡磁控溅射靶电流40a，沉积温度200℃，复合沉积zrcrcn涂层4～5min，沉积完成关闭n2。；
(6)采用非平衡磁控溅射在zrcrcn涂层上沉积zrcrc涂层：调ar气压0.5～0.6pa，偏压调至180v，调zrcrc非平衡磁控溅射靶电流30a，沉积zrcrc层4～5min；
(7)重复(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉积zrcrcn涂层、zrcrc涂层、zrcrcn涂层……zrcrcn涂层共80min：
(8)后处理：关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束。