一种氮化钼/氮硼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化钼/氮硼化钛(MoN/TiBN)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]随着现代工业的发展，新材料、新技术越来越受到人们的重视。现代工业对制造业的要求也不断提高，各种新型材料层出不穷，各种工业技术也不断创新。在制造业中，高速高效的切削技术成为了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，刀具容易因为本身的脆性而剥落，同时在切削过程当中因为刀具后隙面磨损严重，刀刃容易大块崩刃，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。
[0004]在涂层刀具的发展中，刀具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，具有良好的市场前景和显著的竞争力。在这些涂层中，MoN由于其卓越的性能被广泛研究和应用，金属氮化物薄膜Mo-Nx—般具有较低的摩擦系数，并且在高温情况下会形成MoO3,这是一种典型的自润滑相，能很好的降低摩擦和切削磨损。TiBN涂层可以明显的提升涂层的硬度、干摩擦性能以及红硬性。将两种涂层相互结合，可以大大改善涂层的性能，具有重要的工业应用前景。
[0005]ZL 201010608461申请了一种类DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬涂层，所制备涂层硬度较高，但是膜层种类较多。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MoN层到TiSiN层”为一个周期的多周期涂层。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化钼/氮硼化钛(MoN/TiBN)纳米复合多层涂层刀具，该涂层刀具具有较高的硬度、较好的附着力以及良好的耐磨性能;并且此结构涂层对不同基体材质具有广泛的应用性，同时易于产业推广。
[0007]实现本发明上述目的所采用的技术方案为:
[0008]—种氮化钼/氮硼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、耐磨层和自润滑层，过渡层、耐磨层和自润滑层的总厚度为I?4μπι，其中过渡层为TiN，过渡层厚度为100?200nm，耐磨层由TiBN层和MoN层交替复合构成，自润滑层为MoN。
[0009]耐磨层中每层TiBN层+MoN层的厚度为5?1nm0[00?0]自润滑层厚度为20?50nmo
[0011]所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金。
[0012]所述的耐磨层中包含有TiN和MoN纳米晶，膜层为超晶格结构。
[0013]本发明中还提供了制备上述MoN/TiBN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。
[0014]实现本发明上述目的所采用的技术方案为:
[0015]—种制备上述的氮化钼/氮硼钛纳米复合多层涂层刀具的方法，包括以下步骤:
[0016](I )、将表面洁净的刀具基体放在清洗槽中，加清洗剂，用超声波清洗的办法处理干净，烘干并检查基体表面是否干净；
[0017](2)、确保基体表面无污染后，将基体装夹在工件架上，开始对炉体进行抽真空;待真空抽到5 X 10—3Pa以下，同时温度加热到在300?500 °C时，进行下一步；
[0018](3)、向炉体内充氩气，使炉体内保持气压为1.5?2.5Pa的氩气环境，同时在基体偏压为一 600?一 800V、占空比为80%的条件下，开始用氩等离子体对刀具基体进行辉光清洗30?90分钟；
[0019](4)、辉光清洗结束后，关闭氩气，开始向炉体内充氮气，使炉体内气压保持为0.3?0.7Pa、同时偏压设定为一 100?一 250V，打开Ti靶，靶电流设定为60?100A，开始在刀具基体上沉积TiN过渡层，持续时间为5分钟；
[0020](5)、过渡层沉积完毕后，关闭Ti靶，调节氮气气压和基体偏压，在氮气气压为1.0?4.0Pa、偏压为一 100?一250V的条件下，打开TiB2靶和Mo靶，靶电流为60?100A，开始在过渡层上沉积耐磨层，沉积时间为40分钟到120分钟；
[0021](6)、耐磨层沉积完毕后，关闭TiB2靶，打开Mo靶，调节氮气气压和基体偏压，在氮气气压为1.0?5.0Pa、偏压为一 100?一 250V的条件下，开始沉积MoN自润滑层，靶电流为60?10A，沉积时间为I?2分钟。
[0022]所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金。
[0023 ] 步骤(2)、( 3)、( 4)、( 5)、( 6)中，沉积过程中工件架转速为3?6rpm。
[0024]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/MoN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。最后在涂层表面沉积一层很薄的MoN自润滑层。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/MoN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，可达到25-30GPa;第三，本发明得到的涂层表面为MoN层，具有自润滑功能，可以有效提高涂层的耐磨性能。第四，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。
[0025]本发明所制备TiBN/MoN纳米复合多层涂层刀具有较高的硬度、良好的结合力和良好的耐磨性，涂层兼具了两种单层涂层的某些特性，提高了涂层的整体性能，保证了刀具长期稳定工作，使刀具机械性能大幅度提尚，大幅度提尚生广效率，降低厂家的生广成本，在工业上具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0026]图1为本发明所提供的氮化钼/氮硼钛纳米复合多层涂层刀具的制备装置结构示意图。
[0027]图2为图1的俯视图；
[0028]图3为本发明所提供的氮化钼/氮硼钛纳米复合多层涂层的截面形貌图；
[0029]图中:1-炉门，2-真空室，3_TiB2靶，4-Mo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】
[0030]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。
[0031]本发明所提供的下列实施例中用来制备MoN/TiBN纳米复合多层涂层刀具的装置如图1和图2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900mm。真空室侧面设有炉门I，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5 X 10—4Pa。两个电弧源TiB2靶3和Mo靶4分两边对称安装在炉壁上，Ti靶8安装在炉门I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。
[0032]实施例1
[0033]本实施例中所提供的MoN/TiBN纳米复合多层涂层刀具的制备方法如下:
[0034]首先，将刀具放在清洗槽中用超声波清洗的方法处理干净，烘干后检查表面是否洁净，确定表面无任何污染后，将刀具基体装夹在工件架上，关闭炉门，开始进行前期抽真空及加热等操作。待真空达到5X