专利名称：一种纳米复合钛铬硅氮化物刀具涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种利用物理气相沉积技术涂覆的纳米复合钛铬硅氮化物刀具涂层 及其制备方法。
背景技术：
硬质刀具涂层是通过物理或化学的气相沉积方法，在硬质合金或高速钢刀具基体 表面上，镀覆一层几个微米的高硬度，高耐磨性的金属或非金属的化合物，以减少刀具与工 件间的扩散和化学反应，保护刀具基体材料，提高刀具的耐磨性和切削硬度。自涂层刀具问世以来，刀具涂层技术取得了飞快的发展，涂层种类也越来越多。早 期简单的TiN、TiC涂层，其显微硬度约为HV 2300，应用温度为500 600°C，相对高速钢 或硬质合金材料，具有较高的抗机械磨损、抗磨料磨损性能和较低的摩擦系数。目前有在 TiN涂层中添加C、A1等元素形成多组元的多元涂层，如TiCN、TiAlN涂层，显微硬度达到HV 3000，具有比TiN，TiC涂层更高的抗机械磨损、抗磨料磨损性能。TiAlN涂层的应用温度也 提高到800°C以上。随着汽车、航空、航天、重机等工业的发展，以及数控机床的迅速普及，高速加工、 干式切削和微润滑切削成为目前切削加工的发展趋势。以前的硬质合金、高速钢刀具和目 前广为应用的TiCN、TiAlN涂层刀具，虽然有效地提高了刀具的抗机械磨损、抗磨料磨损性 能，仍不能满足现代化工业对刀具更好性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在硬质合金刀具表面涂覆钛铬硅氮化物刀具涂层及 其制备方法本发明提供的一种钛铬硅氮化物刀具涂层按原子百分比计配比如下钛30 60at. %，铬 6 36at. %，硅 4 20at. %，氮 30 50at. % ；所述钛铬硅氮化物刀具涂层的厚度为1 4微米。用本配方制成的钛硅氮化物涂层，其各成分总和应为IOOat. %。本发明还提供一种钛铬硅氮化物刀具涂层的制备方法，所述刀具涂层制备的步骤 为将经预处理后的未涂层刀具均勻固定在支架上，间距大于等于10mm，装入物理气相镀 膜机中，调节工件支架转速为10 20rpm，抽至本底真空2. 5 3. OX 10_3Pa，同时打开加热 器，升温至300 500°C;打开Ar气流量阀，调节真空室约为0. 3 0. 4Pa，基体加负偏电压 290 310V，进行辉光溅射清洗9 llmin，溅射功率7kw ；随后开启极离子枪，以Ti离子高 能轰击基体3 5分钟以活化基体表面；然后降低基体偏电压至200 260V，同时打开N2 气流量阀，在流量200 300sccm、温度400 500°C、工作压力0. 7 0. 9Pa条件下，沉积 TiN过渡层9 Ilmin ；根据通入反应气体N2，沉积钛铬硅氮化物刀具涂层，沉积时间保持在 100 120min ；完成镀膜后，刀具随炉降温至170°C后取出常温冷却即可。本发明使用的刀具基体为WC/Co硬质合金，刀具基体表面涂层为钛铬硅氮化物硬质涂层材料。本发明的硬质合金刀具基体为高韧性K类硬质合金，WC的平均晶粒度为0. 3 1微米；涂层包含有过渡层的钛铬硅氮化物涂层，其中含有钛，铬，硅，氮元素，晶粒大小在 5 15nm，涂层厚度1 4μπι，涂层显微硬度26Gpa，高温稳定性达到1068°C以上。本发明是在WC/Co硬质合金刀具基体表面采用物理气相沉积技术涂镀一层钛/氮化钛过渡层，然后再涂镀一层钛铬硅氮化物涂层材料，其中过渡层的厚度0. 1 0. 5微米， 钛铬硅氮化物涂层的厚度为1 4微米。本发明可以通过改变涂层中的铬和硅含量调节涂层的显微结构、显微硬度和抗高 温氧化的性能，以适应不同的加工对象和切削条件。本发明涉及的刀具基体预处理工艺为未涂层刀具经过金属清洗液超声波清洗、 去离子水漂洗、酒精超声清洗，丙酮脱水。本发明的有益效果是使用本发明制成的刀具，其抗机械磨损性能和抗磨料磨损性能均有大幅度提高， 可以满足现代化工业对合金刀具更好性能的需求，有巨大的市场潜力和切实的使用价值。
图1涂层结构意义图。其中，1-硬质合金刀具基体，2-钛/氮化钛过渡层，3-钛铬硅氮化物涂层材料。图2涂层X射线衍射图。图3涂层高温抗氧化性分析。
具体实施例方式本发明是在WC/Co硬质合金刀具体表面采用物理气相沉积技术涂镀一层钛/氮化 钛过渡层，然后再涂镀一层钛铬硅氮化物涂层材料，其中过渡层的厚度0. 1 0. 5微米，钛 铬硅氮化物涂层的厚度为1 4微米。其涂层配方分别如下钛38at. %，铬 20at. %，硅 6at. %，氮 36at. % ；钛30at. %，铬 36at. %，硅 4at. %，氮 30at. % ；钛60at. %，铬 6at. %，硅 4at. %，氮 30at. % ；钛30at. %，铬 6at. %，硅 14at. %，氮 50at. % ；钛3Oat. %，铬 2Oat. %，硅 2Oat. %，氮 3Oat. % ；钛30at. %，铬 26at. %，硅 14at. %，氮 30at. % ；本发明涉及的刀具基体预处理工艺为未涂层刀具经过金属清洗液超声波清洗、 去离子水漂洗、酒精超声清洗，丙酮脱水。本发明的镀膜步骤为将经预处理后的未涂层刀具均勻固定在支架上，间距为 IOmm,装入镀膜机中，调节工件支架转速为lOrpm，抽至本底真空3. 0 X 10_3Pa，同时打开加 热器，升温至400°C，打开Ar气流量阀，调节真空室约为0. 3Pa,基体加负偏电压300V，进行 辉光溅射清洗lOmin，溅射功率7kw ；随后开启极离子枪，以Ti离子高能轰击基体4分钟； 然后降低基体偏电压至200V，同时打开N2气流量阀，在流量200SCCm、温度400°C、工作压 力0. 7Pa条件下，沉积TiN过渡层IOmin ；根据通入反应气体N2,沉积涂层，沉积时间保持在IOOmin ；完成镀膜后，刀具随炉降温至170°C后取出常温冷却即可。
在K30硬质合金立铣刀表面，制备的钛铬硅氮化物涂层立铣刀，刀具表面涂层厚 度为2 3微米，含有钛/氮化钛的过渡层0. 1 0. 5微米，与在相同硬质合金立铣刀表面 沉积的氮化钛涂层立铣刀和无涂层的硬质合金立铣刀在高速切削淬硬钢的寿命对比实验， 每种刀具各取5支，平均寿命分别为无涂层刀具切削9. 2m，氮化钛涂层刀具切削23. Im, 钛铬硅氮化物涂层刀具(其涂层配方钛38at. %，铬20at. %，硅6at. %，氮36at. % )切 削47. 7m。其切削 条件为工件材料=DIN 1. 2311 (HRC 52)，切削速度:200m/min,进给率 0. 02mm/tooth，切深0. 1mm，切宽2mm，干铣，顺铣。
权利要求
一种纳米复合钛铬硅氮化物刀具涂层，其特征在于所述的涂层按原子百分比计配比如下钛30～60at.％，铬6～36at.％，硅4～20at.％，氮30～50at.％；所述钛铬硅氮化物刀具涂层的厚度为1～4微米。
2.—种权利要求1所述的纳米复合钛铬硅氮化物刀具涂层的制备方法，其特征在于 所述刀具涂层制备的步骤为将经预处理后的未涂层刀具均勻固定在支架上，间距大于等 于10mm，装入物理气相镀膜机中，调节工件支架转速为10 20rpm，抽至本底真空2. 5 3.0X10_3Pa，同时打开加热器，升温至300 500°C ；打开Ar气流量阀，调节真空室约为 0. 3 0. 4Pa，基体加负偏电压290 310V，进行辉光溅射清洗9 llmin，溅射功率7kw ； 随后开启极离子枪，以Ti离子高能轰击基体3 5分钟以活化基体表面；然后降低基体偏 电压至200 260V，同时打开队气流量阀，在流量200 300sccm、温度400 500°C、工作 压力0. 7 0. 9Pa条件下，沉积TiN过渡层9 llmin ；根据通入反应气体N2，沉积钛铬硅 氮化物刀具涂层，沉积时间保持在100 120min ；完成镀膜后，刀具随炉降温至170°C后取 出常温冷却即可。
全文摘要
本发明公开了一种纳米复合钛铬硅氮化物刀具涂层及其制备方法，刀具基体为WC/Co硬质合金，涂层包含有过渡层的钛铬硅氮化物涂层，其中含有钛，铬，硅，氮元素，晶粒大小在5～15nm，涂层厚度1～4μm，涂层显微硬度26GPa，高温稳定性达到1068℃以上，本发明的纳米复合钛铬硅氮化物涂层刀具采用离子镀与溅射镀相结合的方式制备的涂层刀具，适用于高速条件下的高硬度钢材料切削加工。
文档编号C23C14/06GK101831616SQ201010176320
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者余东海, 匡同春, 张凤林, 成晓玲, 王成勇 申请人:广东工业大学