(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及硬质合金刀具技术领域，特别是涉及一种(Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法。
【背景技术】
[0002]涂层硬质合金刀具的出现是刀具发展史上的一个重要里程碑。它是在强度和韧性较好的硬质合金基体上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而形成。
[0003]涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损。涂层具有很高的硬度和耐热性，并降低了刀具与工件间的摩擦系数，因此涂层刀具比未涂层刀具可显著地提高使用寿命，通常涂层刀具的寿命可比未涂层刀具高2-5 倍。
[0004]目前，己在硬质合金刀具表面成功制备多种涂层，从二元涂层到复杂的多层、多元涂层。其中，应用最广泛的为过渡金属氮化物涂层，如TiN和TiAlN等。随着切削工具的发展和被加工材料的要求，对切削刀具的性能提出了更苛刻的要求。切削刀具要具有高耐磨性、高韧性，还要具有耐高温、耐冲击等特点。
[0005]因此，针对现有技术不足，提供一种适用于硬质合金刀具表面性能增强的(Ti,Al，Zr)N多组元复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法以克服现有技术不足甚为必要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的之一在于提供一种具有(Ti，Al，Zr)N多组元复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法，(Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层与刀具基体结合性良好，刀具具有耐磨耐温性好，强度高、抗冲击性能优良。
[0007]本发明的另一目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种(Ti，Al，Zr)N多组元复合涂层及其制备方法，(Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层与刀具基体结合性良好，具有该涂层的刀具耐磨耐温性好，强度高、抗冲击性能优良。
[0008]本发明的上述目的通过如下技术手段实现。
提供一种具有(Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，由刀具基体和设置于刀具基体上的(Ti，Al，Zr)N多组元复合涂层构成；
所述刀具基体包括正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，所述正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列；
所述(Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层包括用于沉积于贫钴富立方相层表面作为过渡层的TiAlN层和沉积于过渡层上作为功能层的(Ti，A1，Zr)N层。
[0009]上所述刀具基体中钴的含量为5_15wt.%; 所述正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-lOOOOnm;
所述正常组织层的厚度大于2mm，所述富钴过渡层的厚度为20-100微米;所述贫钴富立方相层的厚度为20-50微米；
所述功能层的厚度为10-30微米，所述过渡层厚度为0.1-2微米。
[0010]上述刀具基体中钴的含量为8_12wt.%;所述正常组织层的WC晶粒尺寸为Inm-400nm，上述(Ti ,Al，Zr)N多组元复合涂层通过多弧离子镀工艺制备而成。
[0011 ]上述的具有(Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，(Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层的具体制备过程如下:
(1)刀具基体及靶材清洗
对真空室进行加热和抽真空，在腔室温度达到400-500°C、真空度为1.50 X 10—2 -2.0X 10—2Pa时通入高纯度的Ar气，在Ar气流量为250-300SCCM时保持压强为1.5-2.5 Pa，利用Ar离子辉光清洗安装于旋转台上的刀具基体25-40min;
保持旋转台以2_5rpm的转速旋转，抽真空至10—3 Pa时，在刀具基体上加占空比为45-550%、脉冲偏压-1000V，将Ti靶和Al靶通入80-100A的电流进行烧靶，然后将两个AlTi合金靶通入70-90A电流烧靶进行烧靶，完成对靶材的清洗；
(2)高能钛离子轰击刀具基体
在脉冲偏压-250至-150 V、占空比90%、工作压强0.5-0.8 Pa、N2流量180-250 SCCM的条件下，在Ti靶通入60-80A电流，在温度380-420°C利用高能金属Ti离子轰击刀具基体3-8min，粗化基体表面；
(3)沉积TiAlN层
在Ti金属离子轰击刀具基体后，在脉冲偏压-180至-130 V、占空比为90%、工作压强为0.5-0.8Pa、N2流量为220-280 SCCM的条件下，Ti靶通入60-90A电流，沉积15_30min制备得到作为过渡层的TiAlN层；
(3)沉积功能层
在脉冲偏压-50V?-200V、占空比为90%、压强1.5Pa?3.0Pa的调节下，对Zr靶通70-90A电流、AlTi合金靶通60A?90A电流，在温度400 °C下沉积时间35-50 min得到(Ti ,Al，Si，Zr)r^f0
[0012]优选的，上述多弧离子镀设备以磁过滤驱动电源驱动，采用纯度为99.99%的纯Zr靶、纯Ti靶和两个AlTi合金靶，AlTi合金靶中Al原子与Ti原子的比为67:33;
(Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层的具体制备过程如下:
(1)刀具基体及靶材清洗
对真空室进行加热和抽真空，在腔室温度达到450 °C、真空度为1.52 X 10—2 Pa时通入高纯度的Ar气，在Ar气流量为260SCCM时保持压强为2 Pa，利用Ar离子辉光清洗安装于旋转台上的刀具基体30min;
保持旋转台以3rpm的转速旋转，抽真空至10—3 Pa时，在刀具基体上加占空比为50%、脉冲偏压-1000V，将Ti靶和Al靶通入90A的电流进行烧靶，然后将两个AlTi合金靶通入80A电流烧靶进行烧靶，完成对靶材的清洗；
(2)高能钛离子轰击刀具基体
在脉冲偏压-200 V、占空比90%、工作压强0.6 Pa、N2流量200 SCCM的条件下，在Ti靶通入70A电流，在温度400°C利用高能金属Ti离子轰击刀具基体5min，粗化基体表面；
(3)沉积TiAlN层
在Ti金属离子轰击刀具基体后，在脉冲偏压-150 V、占空比为90%、工作压强为0.6Pa、N2流量为250 SCCM的条件下，Ti靶通入80A电流，沉积20min制备得到作为过渡层的TiAlN 层；
(3)沉积功能层
在脉冲偏压-150V、占空比为90%、压强2.0Pa的调节下，对Zr靶通80A电流、AlTi合金靶通80A电流，在温度400 °C下沉积时间45 min得到(Ti ,Al ,Si，Zr)N层。
[0013]
提供具有(Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法，包括刀具基体的制备和在刀具基体表面制备(Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层；
(Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层通过多弧离子镀工艺制备而成。
[0014](Ti，A1，Zr)N多组元复合涂层的具体制备过程如下:
(1)刀具基体及靶材清洗
对真空室进行加热和抽真空，在腔室温度达到400-500°C、真空度为1.50 X 10—2 -2.0X 10—2Pa时通入高纯度的Ar气，在Ar气流量为250-300SCCM时保持压强为1.5-2.5 Pa，利用Ar离子辉光清洗安装于旋转台上的刀具基体25-40min;
保持旋转台以2_5rpm的转速旋转，抽真空至10—3 Pa时，在刀具基体上加占空比为45-550%、脉冲偏压-1000V，将Ti靶和Al靶通入80-100A的电流进行烧靶，然后将两个AlTi合金靶通入70-90A电流烧靶进行烧靶，完成对靶材的清洗；
(2)高能钛离子轰击刀具基体
在脉冲偏压-250至-150 V、占空比90%、工作压强0.5-0.8 Pa、N2流量180-250