超硬刀具表面复合硬质涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种超硬刀具表面复合硬质涂层，同时还设及该复合硬质涂层的制备 方法，属于超硬刀具表面涂层制备技术领域。
【背景技术】
[0002] 现代刀具材料中高速钢、硬质合金、陶瓷的主要硬质成分是碳化物、氮化物和氧化 物。如高速钢是添加有合金成分W、Mo等的碳化铁，硬质合金主要是碳化物、氮化物和碳氮化 物，陶瓷则是氧化物和氮化物，运些化合物的硬度最高达3000HV，与粘结物质混合后总体硬 度在2000HVW下，对于现代工程材料的加工，在某些情况下上述刀具材料的硬度已不敷使 用，超硬刀具材料便应运而生。超硬刀具材料主要包括立方氮化棚和金刚石，其中立方氮化 棚是非金属的棚化物，晶体结构为面屯、立方体，是一种人造材料。金刚石是由碳元素转化而 成，分为天然金刚石和人造金刚石，其晶体结构与立方氮化棚相似，运两类材料的硬度均远 大于上述其他物质。
[0003] 随着工业的迅速发展，表面包覆涂层的刀具因其高硬度、高耐磨性、高抗氧化能力 等特点在材料切削领域得到广泛应用，如近年来研发的TiAlSiN涂层和TiAl化N涂层已先后 被用于切削刀具中。众多周知，TiAlSiN涂层结构为非晶态的Si3N4组织包裹在纳米TiAlN晶 粒周围，故涂层具有较高的硬度(46G化)和抗氧化性，但是随着硬度的增加涂层内应力也相 应提高，致使涂层与刀具间的结合力变差，在实际切削加工中常见涂层脱落失效的情况。公 告号CN103789723B的发明专利公开了一种Cr/CrN/(Ti，A1，Si，Cr)NS层复合硬质涂层，从 刀具表面向外依次为化粘附层、化N过渡层和(Ti，A1，Si，化)N涂层，其中（Ti，A1，Si，化)N涂 层为纳米晶结构，厚度2~化m，该复合硬质涂层的纳米硬度含34GPa，与刀具基体(硬质合 金)的结合力等级达德国标准VDI3198的HF1~HF2。然而当基体采用聚晶立方氮化棚或聚晶 金刚石时，由于基体的导电性能差，经电离过的Ti、Al、N、Ar离子无法聚集在聚晶立方氮化 棚或聚晶金刚石刀具表面，因此涂层与基体间的结合力较差，不能满足切削要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种超硬刀具表面复合硬质涂层，该涂层与聚晶立方氮化棚 或聚晶金刚石基体的结合力强，达70NW上。
[0005] 同时，本发明还提供一种超硬刀具表面复合硬质涂层的制备方法。
[0006] 为了实现W上目的，本发明所采用的技术方案是：
[0007] 超硬刀具表面复合硬质涂层，从刀具基体表面向外依次为假合金AB结合层、功能 层和减磨层，所述假合金AB结合层是在真空条件下在刀具基体表面物理气相沉积导电性好 的假合金AB形成，A、B分别选自元素周期表第IVB、VB、VIB组天然金属元素(如Ti、Zr、Hf、V、 Nb、Ta、Cr、Mo、W，且A辛B);所述功能层为(AmCrSi)N层或者由AlCrN层、TiSiN层交替叠置 的膜层。优选的，A、B分别选自Ti、化、Zr、V。
[000引所述刀具基体可采用硬质合金焊接聚晶立方氮化棚或聚晶金刚石材料(复合硬质 涂层包覆硬质合金面和聚晶面），或者无硬质合金的聚晶立方氮化棚或聚晶金刚石材料。聚 晶立方氮化棚（或聚晶金刚石）W立方氮化棚（或金刚石）、结合剂为原料制成；W质量百分 数计，立方氮化棚(或金刚石)40%~80%，余量为结合剂。优选的，立方氮化棚(或金刚石） 的用量为50%~80%。结合剂可采用金属结合剂(如Ni、Al、Ti、Zn等）、陶瓷结合剂(如AlN、 TiC、Al203、TiN、SiC、SiN等)或金属陶瓷结合剂(如TiN、TiC、TiCN、TiB2等）。
[0009] 假合金，即两种W上金属各W独立、均匀的相存在，不形成合金相，又称伪合金，是 金属基复合材料。在本发明中假合金AB与基体材料的浸润性良好，可与聚晶立方氮化棚或 聚晶金刚石化合形成共价键或离子键，进而得到棚化物或碳化物，也可与结合剂反应W金 属键键合或者与陶瓷反应生成固溶化合物，假合金AB结合层与基体及功能层均具有良好的 亲和性和相容性。
[0010] 所述假合金AB结合层的厚度为0.1~4μπι，优选0.1~3皿。
[001U 所述功能层的厚度为0.1~如m，优选0.1~4皿。
[001 ^ 所述减磨层为TiN层，其厚度为0.1~如m，优选0.1~4皿。
[OOU] 所述复合硬质涂层总厚度为0.3~14μπι，优选0.3~9皿。
[0014] 所述物理气相沉积可采用磁控瓣射锻膜法(如高功率磁控瓣射锻膜）、电弧离子锻 膜法(即多弧离子锻膜法)等，优选电弧离子锻膜法。
[0015] 超硬刀具表面复合硬质涂层的制备方法，包括W下步骤：
[0016] 1)W假合金ΑΒ为祀材，真空条件下，在刀具基体表面物理气相沉积假合金ΑΒ结合 层；
[0017] 2似AlCr、TiSi为祀材，氮气氛围中，在沉积有假合金AB结合层的刀具基体表面物 理气相沉积功能层；
[001引3)锻制减磨层，即得。
[0019] 步骤1)中假合金AB可采用TiCr、ZrV、TiZr等。
[0020] 步骤1)、2)中物理气相沉积可采用磁控瓣射锻膜法、电弧离子锻膜法等。优选电弧 离子锻膜法，工艺参数为:溫度300~700°C，电流50~120A，脉冲偏压-10~-400V;在步骤1) 中抽真空至真空度1〇-4~1〇-3化外，在步骤2)中充入氮气至氮气压为0.1~10化。优选的，工 艺参数为:溫度500~700°C，电流50~90A，脉冲偏压-50~-300V;步骤2)中氮气压0.1~ 6Pa〇
[0021] 步骤2)中AlCr祀材与TiSi祀材可W同时开启，也可W交替开启（采用开一停二、开 二停一法），同时开启时形成(AlTiCrSi)N层，交替开启时形成由AlCrN层和TiSiN层交替叠 置的膜层。
[0022] 步骤3)中锻制减磨层的方法为：WTi为祀材，氮气氛围中，在沉积有功能层的刀具 基体表面物理气相沉积TiN减磨层，工艺参数同步骤2)。
[0023] 本发明的有益效果：
[0024] 本发明W聚晶立方氮化棚或聚晶金刚石为刀具基体，通过在其上设置假合金AB结 合层，增强了基体与功能层之间的结合力，由此得到的超硬刀具切削性能优异，使用寿命大 大延长。
[0025] 本发明先对聚晶立方氮化棚或聚晶金刚石刀具基体做导电处理，在其表面渗透导 电性、扩散性良好的IVB、VB、VIB族二元假合金，形成假合金结合层，再在其上物理气相沉 积功能层和TiN减磨层，其中假合金结合层与刀具基体和功能层的相容性良好，能显著增强 基体与功能层之间的结合力(达70NW上），提高刀具的切削性能并延长其使用寿命。
【具体实施方式】
[0026] 下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
[0027] 实施例1
[00%]超硬刀具表面复合硬质涂层，从刀具基体表面向外依次为假合金TiCr结合层、 (AlTiCrSi)N层和TiN减磨层，所述假合金Ti化结合层是在真空条件下在刀具基体表面物理 气相沉积假合金Ti化形成。
[0029] 超硬刀具的制备方法，包括W下步骤：
[0030] 1)聚晶立方氮化棚刀具基体的制备
[0031] 将粒径1~3皿的立方氮化棚磨料与陶瓷结合剂质量百分数计，结合剂组成为： A1N 40%、TiC 40%、Al2化20% )混合均匀，W质量百分数计，立方氮化棚磨料80%，陶瓷结 合剂20% ;取混合料在溫度1300°C、压力5.5GPa下高溫高压烧结5min，得到聚晶立方氮化棚 块体，研磨、抛光，得到聚晶立方氮化棚刀具基体；
[0032] 2)复合硬质涂层的制备
[0033] 将刀具基体装载在转盘中并推入PVD设备(XS-700刀具锻膜机），设定转盘转速2 转/分，抽真空至真空度1 X 1〇-中日，并加热升溫至550°C，继续抽真空至真空度1 X l〇-4Pa，离 子清洗和轰击后，开启假合金Ti化祀，设定脉冲偏压-60V、电流60A，锻膜5min后关闭假合金 TiCr祀;再同时开启A1化祀和TiSi祀，充入氮气至氮气压IPa，设定脉冲偏压-70V、电流60A， 锻膜60min后关闭AlCr祀和TiSi祀;开启Ti祀，充入氮气至氮气压IPa，设定脉冲偏压-65V、 电流55A，锻膜lOmin后关闭Ti祀；
[0034] 3)将覆有复合硬质合金的刀具基体水冷降至室溫，经喷砂抛光处理得到超硬刀 具。
[0035] 实施例2
[0036] 超硬刀具表面复合硬质涂层，从刀具基体表面向外依次为假合金2^结合层、 (AlTiCrSi)N层和TiN减磨层，所述假合金ZrV结合层是在真空条件下在刀具