一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明提供了一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，应用于机械加工行业，属于机械切削刀具加工领域，本发明还提供了上述刀具的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着汽车、飞机制造，航空航天等现代加工制造业的不断发展，高速高效切削成为加工制造业的主流技术。高速高效切削是一项复杂的系统工程，涉及机床、刀具和材料等诸多领域技术配合和技术创新。高速高效切削加工要获得良好的应用效果，必须是高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和基于特定加工对象的切削工艺的结合。而传统刀具硬质合金刀片高速铣削钢件时，由于它在高温下受到交变热负荷的作用，刀具的最终破损表现为以下多种型式:(I)刀具脆性剥落；(2)在刀具前后面上产生与切削刃大致相互垂直的热震梳状裂纹；(3)刀具后隙面磨损；(4)刀刃产生大块崩刃。因此导致其无法满足高端制造业对先进数控加工工艺的要求。
[0003]90年代发展起来的硬质合金涂层刀具，集成了强度、韧性和硬度等优势，它的出现是刀具历史上的一个重要里程碑。硬质合金刀具是指在硬质合金基体上，利用物理气相沉积技术涂覆一层耐磨性好的功能涂层，涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件之间的化学反应和扩散，从而减少磨损，延长寿命。涂层后的刀具寿命一般可延长3?5倍，目前在一些发达国家，涂层刀具的使用量已经达到总数的70%?80%。目前我国硬质合金超硬涂层刀具产品已占刀具总产量的40 %以上，年产值300亿人民币以上，且每年仍以3?5%的速度递增。
[0004]在涂层刀具的发展中，涂层结构由最初的单元发展为多元，由最初的单层发展为多层，结构性能随着工业要求的提高而不断更新换代。纳米晶复合多层涂层能兼顾单层涂层的一些性质，拥有更加良好的机械性能，适合更高的机械加工切削刀具要求，同时也符合“绿色制造业”理念的要求，具有良好的市场前景和显著的竞争力。
[0005]ZL200910044474.5公开了一种周期性沉积的多涂层刀具及其制备方法，该多涂层刀具涂层是以“TiN层到TiSiN层到TiAlSiN层到TiSiN层”为一个周期的多周期涂层。ZL200910099424.7申请了一种TiAlN?TiBN多层厚膜，该多层厚膜由磁控溅射的TiAlN层和电弧离子镀的TiBN层交替沉积而成。此两项专利技术所制备涂层虽然硬度较高，但是制备过程复杂，用于实际生产可操作性不高，没有太大的工业化应用价值。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，该涂层刀具具有较高的硬度、良好的耐磨性。
[0007]实现本发明上述目的所采用的技术方案为:
[0008]—种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，至少包括刀具基体，所述的刀具基体上由内至外依次附着有过渡层和耐磨层，过渡层和耐磨层的总厚度为0. 5?4μπι，过渡层为TiN，过渡层厚度为100?200nm，耐磨层由TiBN层和TiAlSiN层交替复合构成。
[0009]耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为5?10nm。
[0010]所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金。
[0011]所述的耐磨层包含有TiN纳米晶，其中TiN纳米晶的粒径为3?10nm。
[0012]本发明中还提供了制备上述氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的方法，该制备过程简单易行，极易于工业化生产。
[0013]实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
[0014]—种制备上述氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的方法，包括以下步骤：一种制备权利要求1所述的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的方法，包括以下步骤：（1)、将表面洁净的刀具基体装夹在工件架上，在300?500°C、1. 5?2. 5Pa氩气环境、基体偏压为一 600?一 800V、占空比80%条件下，采用氩等离子体对刀具基体进行辉光清洗 30 ?90min ；
[0015](2)、辉光清洗结束后，在氮气环境、气压为0.2?0.7Pa、一 100?一 250V偏压条件下，打开Ti IE,靶电流50?150A，在刀具基体上沉积TiN过渡层；
[0016](3)、在氮气环境、气压为1. 0?5. OPa、一 100?一 250V偏压条件下，打开TiB2—和TiAlSi靶，靶电流50?150A，在过渡层上沉积耐磨层。
[0017]耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为5?10nm。
[0018]所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金。
[0019]步骤（2)和步骤（3)中，沉积过程中工件架转速为2?4rpm。
[0020]本发明在进行涂层之前先沉积一层过渡层，过渡层可以极大的提高涂层的附着力；然后在一定条件下沉积TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层，通过控制工件架转速和氮气气压，来实现多层复合薄膜调制周期的变化，以调节一个双层周期的厚度。因此与现有技术相比本发明具有以下优点：第一，与磁控溅射相比，本发明采用了阴极电弧离子镀技术来制备涂层，由于离化率高使涂层具有较好的结合力和硬度，克服了磁控溅射法制备的涂层结合力较低的问题；第二，本发明得到的TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层为超晶格结构，最高硬度值约比普通单元涂层平均硬度提升30%左右；第三，本发明采用电弧离子镀技术与现行涂层设备相近，而且涂层设备结构简单，易控制，工业应用前景良好。
[0021]本发明所制备TiBN/TiAlSiN纳米复合多层涂层刀具有良好的结合力和耐磨、耐高温性能，保证了刀具长期稳定工作，使刀具机械性能大幅度提高，提高生产效率，降低厂家的生产成本。
【附图说明】
[0022]图1为本发明所提供的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的制备装置结构示意图；
[0023]图2为本发明所提供的TiBN/TiAlSiN涂层截面形貌图；
[0024]图中：1-炉门，2-真空室，3-TiB2靶，4-TiAlSi靶，5_抽真空系统，6_工件架，7-十字交叉挡板，8-Ti靶。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护内容不局限于以下实施例。
[0026]本发明所提供的下列实施例中用来制备氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的装置如图1所示，该装置的真空室2由炉壁围成，真空室2高度为1000mm，直径为900_。真空室侧面设有炉门1，以方便工件的装卸。真空室设有抽真空系统5，抽真空机组通过抽真空口对真空室进行抽真空，极限真空可达到5X10 4Pa。两个电弧源TiBjE 3和TiAlSi靶4分两边对称安装在炉壁上，Ti靶8安装在炉门1内壁，样品装在工件架6上，工件架6上设置有十字交叉挡板7，工件架6的下方设置有转动装置，用于带动工件架转动。该布局使真空室中等离子体密度大幅度增加，工件完全浸没在等离子体中。使沉积速率、硬度、附着力得到较大提高。
[0027]实施例1
[0028]本实施例中所提供的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的制备方法如下:
[0029]首先，将刀具清洗干净，装夹在工件架上，在300°C、氩气环境下，对高速钢、硬质