本发明涉及保护性涂层技术领域，具体涉及一种纳米多层涂层及其制备方法和表面涂覆纳米多层涂层的刀具。
背景技术：
在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。为了更好地提高刀具的切削性能，比较有效的一种方法是采用各种涂层技术在基体上涂覆上一层或多层高硬度、高耐磨损性能的材料。刀具表面上的涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具的月牙洼磨损，可以显著地提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。涂层的特点是涂层薄膜与刀具基体相结合，提高刀具的耐磨性而不降低基体的韧性，从而降低刀具与工件的摩擦因素，延长刀具的使用寿命。然而，随着刀具使用条件越来越苛刻，不仅对刀具涂层的硬度提出了更高的要求，还要求涂层材料具有良好的自润滑性能，才能有效地改善刀具的使用性能。
纳米多层涂层是由两种材料以纳米量级交替沉积形成的多层薄膜，因其在物理性能与力学性能的异常表现而得到了广泛的关注。尤其力学性能方面，由于组成纳米多层涂层材料可以进行任意的裁剪和选择，一些调制周期小于100nm的纳米多层涂层呈现出弹性模量与硬度异常升高的超模效应与超硬效应，使纳米多层涂层在先进涂层材料领域具有较大的应用前景。
中国专利201010176320.4涉及一种纳米复合钛铬硅氮化物刀具涂层，涂层包含有过渡层的钛铬硅氮化物涂层，晶粒大小在5～15nm，涂层厚度为1～4μm，涂层显微硬度26gpa，高温稳定性达到1068℃以上，适用于高速条件下的高硬度钢材料切削加工，其摩擦系数为0.45。中国专利200910055595.x涉及了一种tic/si3n4纳米多层涂层，由tic层和si3n4层交替沉积在金属、硬质合金或陶瓷基底上形成，该涂层具有优良的高温抗氧化性，而且具有高于40gpa的硬度，其摩擦系数为0.4。然而，上述现有的涂层仍存在着高硬度和低摩擦系数无法兼顾的问题，不能满足高速切削和干式切削的性能要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种纳米多层涂层及其制备方法和表面涂覆纳米多层涂层的刀具。本发明提供的纳米多层涂层同时具有高硬度和低摩擦系数。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种纳米多层涂层，包括依次层叠设置在基体表面的tin层和纳米复合交替层；所述纳米复合交替层包括交替层叠设置的tialsin层和mos2层；所述tin层和tialsin层接触。
优选的，所述tin层的厚度为300～500nm。
优选的，所述tialsin层的单层厚度为6～8nm。
优选的，所述mos2层的单层厚度为0.3～1.5nm。
优选的，所述纳米多层涂层的厚度为1～4μm。
本发明提供了上述技术方案所述纳米多层涂层的制备方法，包括以下步骤：
在氮气气氛和保护气氛中，使用ti靶，在基体表面进行单靶磁控溅射，得到tin层；
交替使用tialsi靶和mos2靶，在所述tin层的表面进行多靶磁控溅射交替循环沉积tialsi层和mos2层，在所述tin层表面形成纳米复合交替层，得到纳米多层涂层；所述tin层和tialsin层接触。
优选的，所述单靶磁控溅射的工作条件包括：采用直流溅射得到，溅射功率为100～150w，溅射时间为20～30min，ar气流量为20～40sccm，n2气流量为5～20sccm，总气压为0.2～0.6pa。
优选的，所述多靶磁控溅射的工作条件包括：ar气流量为20～40sccm，n2气流量为5～20sccm，总气压为0.2～0.8pa。
优选的，所述tialsi层采用直流溅射得到，所述直流溅射的功率为100～200w，时间为10～20s；
所述mos2层采用射频溅射得到，所述射频溅射的功率为80～160w，时间为2～10s。
本发明还提供了一种表面涂覆上述技术方案所述的纳米多层涂层或上述技术方案所述制备方法制备得到的纳米多层涂层的刀具。
本发明提供了一种纳米多层涂层，包括依次层叠设置在基体表面的tin层和纳米复合交替层；所述纳米复合交替层包括交替层叠设置的tialsin层和mos2层；所述tin层和tialsin层接触。本发明提供的纳米多层涂层中，tin层为过渡层提高结合强度；纳米复合交替层中，tin层以及纳米复合交替层的多层结构高了涂层的硬度且降低了涂层的摩擦系数，使得纳米多层涂层同时具有高硬度和低摩擦系数，具有较好的润滑性能。本发明提供的纳米多层涂层能够弥补传统刀具涂层使用中的不足，拓宽了刀具涂层的研究范围，可以在承受载荷并要求低摩擦的环境下工作。如本发明实施例结果所示，本发明提供的纳米多层涂层的硬度在35.7～38.2gpa，摩擦系数为0.22～0.28。
本发明提供的制备方法，工艺简单、成本低、效率高，能实现批量化生产。
具体实施方式
本发明提供了一种纳米多层涂层，包括依次层叠设置在基体表面的tin层和纳米复合交替层；所述纳米复合交替层包括交替层叠设置的tialsin层和mos2层；所述tin层和tialsin层接触。
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
在本发明中，所述基体优选为金属基体，更优选为硬质合金，本发明对于所述硬质合金的具体种类没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的硬质合金即可，具体如高速钢。
在本发明中，所述纳米多层涂层的厚度优选为1～4μm，更优选为1.5～3.5μm，最优选为2～3μm。
在本发明中，所述tin层的厚度优选为300～500nm，更优选为350～450nm，最优选为400～450nm。在本发明中，如果tialsin层直接与基体相接触，会因为tialsin层与基体之间的晶格常数和热膨胀系数不同产生应力，容易使tialsin层脱落，本发明在tialsin层和基体之间增加tin层进行过渡，可以缓解tialsin层与基体之间产生的应力，从而提高结合强度。
在本发明中，所述纳米复合交替层的厚度优选为0.5～3.7μm，更优选为1～3.5μm，最优选为1.5～3μm。在本发明中，所述tialsin层的单层厚度优选为6～8nm，更优选为6.5～7.5nm，最优选为7.0～7.5nm。在本发明中，所述mos2层的单层厚度优选为0.3～1.5nm，更优选为0.5～1.2nm，最优选为0.5～1nm。在本发明中，所述纳米复合交替层中tialsin层和mos2层的层数独立地优选为52～570层，更优选为100～500层，最优选为200～400层。在本发明中，所述tialsin层以及以及mos2层的交替多层结构提高了涂层的硬度且降低了涂层的摩擦系数，使得纳米多层涂层同时具有高硬度和低摩擦系数，具有较好的润滑性能，本发明提供的纳米多层涂层能够弥补传统刀具涂层使用中的不足，拓宽了刀具涂层的研究范围，可以在承受载荷并要求低摩擦的环境下工作。
本发明提供了上述技术方案所述纳米多层涂层的制备方法，包括以下步骤：
在氮气气氛和保护气氛中，使用ti靶，在基体表面进行单靶磁控溅射，得到tin层；
交替使用tialsi靶和mos2靶，在所述tin层的表面进行多靶磁控溅射交替循环沉积tialsi层和mos2层，在所述tin层表面形成纳米复合交替层，得到纳米多层涂层；所述tin层和tialsin层接触。
本发明在氮气气氛和保护气氛中，使用ti靶，在基体表面进行单靶磁控溅射，得到tin层。
在本发明中，所述基体在使用前优选进行预处理，所述预处理优选包括依次进行的抛光、有机溶剂洗和真空离子清洗。本发明对于所述抛光的方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的抛光方式即可，具体如机械抛光。在本发明中，所述有机溶剂洗优选包括依次进行的无水乙醇洗和丙酮洗，本发明对于无水乙醇和丙酮的用量没有特殊限定，能够将基体浸没即可。在本发明中，所述无水乙醇洗和丙酮洗均优选在超声条件下进行，所述无水乙醇洗和丙酮洗的超声的功率独立地优选为15～30khz，更优选为20～25khz，时间独立地优选为10～15min，更优选为12～14min。在本发明中，所述有机溶剂洗的目的是除去基体表面的油等杂质。
在本发明中，所述真空离子清洗优选包括：抽真空至6×10-4pa后充入ar作为离子源，对有机溶剂洗后的基体进行中频离子轰击。在本发明中，所述充入ar后的压力优选为0.4～1.0pa，更优选为0.5～0.8pa，最优选为0.6～0.7pa；所述中频离子轰击的功率优选为80～100w，更优选为85～95w，最优选为90w，所述中频离子轰击的时间优选为20～40min，更优选为25～35min，最优选为30min。
在本发明中，所述ti靶直径均优选为75mm。
在本发明中，所述单靶磁控溅射的工作条件包括：优选采用直流溅射得到；溅射功率优选为100～150w，更优选为110～140w，最优选为120～130w；溅射时间优选为20～30min，更优选为22～28min，最优选为25min；ar气流量优选为20～40sccm，更优选为25～35sccm，最优选为30～35sccm；n2气流量优选为5～20sccm，更优选为8～18sccm，最优选为10～15sccm；总气压优选为0.2～0.6pa，更优选为0.3～0.5pa，最优选为0.4～0.5pa；靶基距优选为3～7cm，更优选为4～6cm。
本发明对于所述磁控溅射采用的设备没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的磁控溅射设备即可；在本发明的实施例中，所述磁控溅射采用的设备优选为jgp-450型磁控溅射系统(中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司)。
得到tin层后，本发明交替使用tialsi靶和mos2靶，在所述tin层的表面进行多靶磁控溅射交替循环沉积tialsi层和mos2层，在所述tin层表面形成纳米复合交替层，得到纳米多层涂层；所述tin层和tialsin层接触。
在本发明中，所述tialsi靶和mos2靶的纯度独立地的优选≥99.99％，更优选为99.99％；所述tialsi靶和mos2靶的直径均优选为75mm；靶基距独立地优选为3～7cm，更优选为4～6cm，最优选为5～6cm。
在本发明中，所述tialsi层优选采用直流溅射得到，所述直流溅射的功率优选为100～200w，更优选为120～180w，最优选为150～170w；所述直流溅射的时间优选为10～20s，更优选为12～18s，最优选为14～16s。
在本发明中，所述mos2层优选采用射频溅射得到，所述射频溅射的功率优选为80～160w，更优选为100～150w，最优选为120～150w；所述射频溅射的时间优选为2～10s，更优选为3～8s，最优选为4～7s。
在本发明中，所述多靶磁控溅射的工作条件优选还包括：ar气流量优选为20～40sccm，更优选为25～35sccm，最优选为30～35sccm；n2气流量优选为5～20sccm，更优选为8～18sccm，最优选为10～15sccm；总气压优选为0.2～0.8pa，更优选为0.3～0.7pa，最优选为0.4～0.6pa。
本发明对于所述多靶磁控溅射采用的设备没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的磁控溅射设备即可；在本发明的实施例中，所述多靶磁控溅射采用的设备优选为jgp-450型磁控溅射系统(中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司)。
本发明提供的制备方法，工艺简单、成本低、效率高，能实现批量化生产。
本发明还提供了一种表面涂覆上述技术方案所述的纳米多层涂层或上述技术方案所述制备方法制备得到的纳米多层涂层的刀具。
本发明综合利用了tialsin层的高硬度和mos2层的低摩擦系数，得到了纳米多层涂层兼具高硬度和低摩擦的涂层，能够弥补传统合金在刀具涂层使用中的不足，得到的刀具硬度高且摩擦系数低，能够承受载荷并在低摩擦要求的环境下工作。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中使用的设备为jgp-450型磁控溅射系统(中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司)。
实施例1
(1)将高速钢基体进行抛光处理，然后依次使用无水乙醇和丙酮在30khz条件下分别超声清洗5min，置于真空室中，抽真空到6×10-4pa后通入ar作为离子源，维持真空度在0.4pa，在80w条件下对丙酮洗后的高速钢基体中频离子轰击30min，得到预处理高速钢基体。
(2)使用ti靶，在步骤(1)得到的高速钢基体表面进行磁控溅射，得到tin层；
其中，磁控溅射的工作条件为：采用直流溅射得到，溅射功率为120w，时间为25min，ar气流量为30sccm，n2气流量为10sccm，总气压为0.4pa。
(3)交替使用tialsi靶(纯度为99.99％，直径为75mm)和mos2靶(纯度为99.99％，直径为75mm)，在所述tin层的表面进行多靶磁控溅射交替循环沉积tialsi层和mos2层，在所述tin层表面形成纳米复合交替层，得到纳米多层涂层，其中tin层和tialsi层接触；
其中，tialsi靶和mos2靶的纯度均为99.99％，直径均为75mm，靶基距均为5cm；所述tialsi层采用直流溅射得到，直流溅射的功率为100w，时间为10s；所述mos2层采用射频溅射得到，射频溅射的功率为80w，时间为2s；所述多靶磁控溅射的工作条件优选包括：ar气流量为20sccm，n2气流量为5sccm，总气压为0.2pa。
本实施例制备的纳米多层涂层的厚度为1.8μm，tin层的厚度为300nm，tialsin层的单层厚度为6.5nm，mos2层的单层厚度为0.3nm；纳米多层涂层的硬度为35.9gpa，摩擦系数为0.28；
其中，硬度测量：nanoindenterg200纳米压痕仪(美国agilent公司)；
摩擦系数测量：hrs-2m型往复摩擦磨损试验机(中科凯华科技开发有限公司)。
实施例2
按照实施例1的方法制备纳米多层涂层，与实施例1的区别在于：步骤(3)中，tialsi层的直流溅射的功率为150w，时间为18s；mos2层的射频溅射的功率为100w，时间为4s；总气压为0.2pa。
本实施例制备的纳米多层涂层的厚度为2.4μm，tin层的厚度为400nm，tialsin层的单层厚度为8nm，mos2层的单层厚度为0.6nm；纳米多层涂层的硬度为36.1gpa，摩擦系数为0.24。
实施例3
按照实施例1的方法制备纳米多层涂层，与实施例1的区别在于：步骤(3)中，ar气流量为30sccm，n2气流量为20sccm，总气压为0.6pa，tialsi层的直流溅射的功率为200w，时间为10s；mos2层的射频溅射的功率为120w，时间为6s。
本实施例制备的纳米多层涂层的厚度为3.2μm，tin层的厚度为500nm，tialsin层的单层厚度为8.5m，mos2层的单层厚度为0.9nm；纳米多层涂层的硬度为37.5gpa，摩擦系数为0.27。
实施例4
按照实施例1的方法制备纳米多层涂层，与实施例1的区别在于：步骤(3)中，ar气流量为35sccm，n2气流量为15sccm，总气压为0.7pa，tialsi层的直流溅射的功率为180w，时间为16s；mos2层的射频溅射的功率为140w，时间为8s。
本实施例制备的纳米多层涂层的厚度为3.4μm，tin层的厚度为350nm，tialsin层的单层厚度为7.5m，mos2层的单层厚度为1.2nm；纳米多层涂层的硬度为38.2gpa，摩擦系数为0.28。
实施例5
按照实施例1的方法制备纳米多层涂层，与实施例1的区别在于：步骤(3)中，ar气流量为40sccm，n2气流量为20sccm，总气压为0.8pa，tialsi层的直流溅射的功率为160w，时间为12s；mos2层的射频溅射的功率为160w，时间为10s。
本实施例制备的纳米多层涂层的厚度为2.9μm，tin层的厚度为450nm，tialsin层的单层厚度为7nm，mos2层的单层厚度为1.5nm；纳米多层涂层的硬度为35.7gpa，摩擦系数为0.22。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。