一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具及其制备方法与流程

本发明属于材料涂层技术领域，尤其涉及一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具及其制备方法。

背景技术：

在高速和干式切削成为主流的今天，涂层技术的快速发展对刀具性能的改善和切削加工技术的进步起关键作用涂层刀具已成为现代刀具的重要标志.70年代的TiN涂层高温抗氧化温度在600℃以下，无法满足高速切削的要求。90年代研究发现TiAlN硬质涂层因其具有高硬度、耐腐蚀、高抗氧化性、高耐磨性等优良性能，进而成为高速切削刀具涂层主流，已在刀具等行业显示出极其广阔的应用前景。

但随着高速切削和干式切削对刀具提出的越来越高的要求，TiAlN涂层在实际高速切削和干式切削应用中，切削区域的温度通常可达到甚至高于AlTiN涂层的热分解温度(约为950℃)，从而致使刀具氧化、刀尖软化、刀具瞬间磨损等失效形式的出现。这就迫使进一步改善TiAlN涂层的综合力学性能及高温氧化性能成为重要发展方向。

目前研究发现采用涂层结构调制的方法制备出TiAlN/TiN纳米多层膜。与单层膜TiAlN涂层相比，高温抗氧化从800℃提高到850℃和涂层刀具寿命提高了1倍。然而在实际高速切削和干式切削应用中，切削区域的温度可达950℃左右，TiAlN/TiN纳米多层膜的硬度、抗氧化性方面还有所不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具及其制备方法，本发明中的涂层硬度高、且高温抗氧化性好。

本发明提供一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具，包括刀具基体和复合在所述刀具基体表面的Ti-Al氮化物多层涂层；

所述Ti-Al氮化物多层涂层包括富Ti层和富Al层，所述富Ti层和富Al层交替沉积在所述刀具基体上；

所述Ti-Al氮化物多层涂层包含以下原子百分比的组分：

Al：20～35％，Ti：10～30％，N：50～60％。

优选的，所述刀具基体为金属单质、硬质合金或陶瓷。

优选的，所述Ti-Al氮化物多层涂层的厚度为2～10μm。

优选的，所述富Ti层的单层厚度为2～20nm；

所述富Al层的单层厚度为5～100nm。

本发明提供一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

A)将刀具置于样品转盘架的边缘的样品盘上，采用Ar气对刀具基体表面进行溅射清洗，然后点燃Cr靶，用Cr离子轰击刀具基体，活化基体表面；

B)通入N2气，点燃Al-Ti靶，调整样品盘公转和自转的转速，沉积Ti-Al氮化物多层涂层，得到Ti-Al氮化物多层涂层刀具；

所述Al-Ti靶中，Al的原子百分比为30～70％，Ti的原子百分比为20～60％；

所述样品盘公转的转速为0～5r/min；所述样品盘自转的转速为1～6r/min。

优选的，所述步骤A)中，真空度为1.0～8.0×10^-3Pa；

所述步骤A)中的温度为300～500℃。

优选的，所述步骤A)中Ar气的流量为200～300sccm；

所述Ar气溅射清洗的时间为10～20min；

所述Ar气溅射清洗时，在刀具基体上施加-800～-1000V的偏压。

优选的，所述步骤A)中，Cr靶的靶材电流为60～150A；

所述Cr离子的轰击时间为3～15min；

所述Cr离子轰击活化时，在刀具基体上施加-600～-800V的偏压。

优选的，所述步骤B)中的气压为1.0～3.0Pa；

所述Al-Ti靶的电流为60～150A；

所述步骤B)中，在刀具基体上施加-60～-200V的偏压。

优选的，所述步骤B)中沉积的时间为0.5～2小时；

所述步骤B)中沉积的温度为300～500℃。

本发明提供一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具，包括刀具基体和复合在所述刀具基体表面的Ti-Al氮化物多层涂层；所述Ti-Al氮化物多层涂层包括富Ti层和富Al层，所述富Ti层和富Al层交替沉积在所述刀具基体上；所述Ti-Al氮化物多层涂层包含以下原子百分比的组分：Al：20～35％，Ti：10～30％，N：50～60％。该涂层可以实现高硬度、高耐磨性和高温抗氧化性好的效果，工艺简单，可操作性强，可控性好，成本低廉，适应性好，适用于机械零部件、刀模具等产品表面的防护，具有较好的经济效益。

本发明还提供了一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具的制备方法，该方法是以钛铝氮化物涂层为基础，采用传统PVD技术(电弧离子镀)制备，根据靶材元素离化率的不同而产生溅射阳离子密度分布不均的差异现象，通过调整样品转架自转及公转速度，改变样品在差异溅射阳离子密度区域停留的时间，制备出新型的自组装纳米多层Ti-Al氮化物涂层，可以适用于恶劣条件下的工作环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明中Ti-Al氮化物多层涂层刀具的结构示意图；

图2为本发明采用的电弧沉积装置的结构示意图；

图3为本发明实施例1中Ti-Al氮化物多层涂层刀具的TEM和SEM图。

具体实施方式

本发明提供了一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具，包括刀具基体和复合在所述刀具基体表面的Ti-Al氮化物多层涂层；

所述Ti-Al氮化物多层涂层包括富Ti层和富Al层，所述富Ti层和富Al层交替沉积在所述刀具基体上；

所述Ti-Al氮化物多层涂层包含以下原子百分比的组分：

Al：20～35％，Ti：10～30％，N：50～60％。

本发明中的Ti-Al氮化物多层涂层刀具具有图1所示结构，所述Ti-Al氮化物多层涂层的厚度优选为2～10μm，更优选为3～9μm，最优选为4～8μm，具体的，可以是2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、或10μm；所述富Ti层单层厚度优选为2～20nm，更优选为5～15nm，具体的，可以是2nm、8nm或20nm；所述富Al层的单层厚度优选为5～100nm，更优选为20～80nm，具体的，可以是5nm、30nm或100nm。

在本发明中，可以是富Ti层与所述刀具基体接触，也可以是富Al层与所述刀具基体接触。

所述Ti-Al氮化物多层涂层中，各元素的原子百分比如下：

Al：20～35％，更优选为25～30％，具体的，可以是20％、25％或30％；Ti：10～30％，更优选为15～25％，具体的，可以是10％、15％或30％；N：50～60％，具体的，可以是50％、55％或60％。

本发明还提供了一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：

A)将刀具置于样品转盘架的边缘的样品盘上，采用Ar气对刀具基体表面进行溅射清洗，然后点燃Cr靶，用Cr离子轰击刀具基体，活化基体表面；

B)通入N2气，点燃Al-Ti靶，调整样品盘公转和自转的转速，沉积Ti-Al氮化物多层涂层，得到Ti-Al氮化物多层涂层刀具；

所述Al-Ti靶中，Al的原子百分比为30～70％，Ti的原子百分比为20～60％；

所述样品盘公转的转速为0～5r/min；所述样品盘自转的转速为1～6r/min。

本发明采用PVD(物理气相沉积)的方法将Ti-Al氮化物涂层沉积在刀具基体表面。所采用的设备如图2所示。图2为本发明采用电弧沉积装置的示意图。在沉积涂层的过程中基体旋转，由于钛的离化率(～80％)高于铝的离化率(～50％)，基体远离靶材时Ti离子密度较高且靶基距较大，易反应生成纳米层较薄的富Ti层；基体正对靶材时铝离子密度较高且靶基距较小，易反应生成纳米层较厚的富Al层，因此涂层制备过程中会自组装生成纳米多层结构。

本发明优选先将基体抛光处理，然后先后用丙酮、酒精超声清洗10～20min，再用氮气吹干后装入真空室内的样品盘中。

打开加热器，使环境温度升温至300～500℃，更优选为350～450℃，具体的，可以是300℃、350℃或500℃，将真空室抽真空至真空度1.0～8.0×10^-3Pa，优选为3.0～6.0×10^-3Pa，可以是1.0×10^-3Pa、5.0×10^-3Pa或8.0×10^-3Pa；然后通入200～300sccm的Ar气，优选为250sccm；设置工件支架偏压-800～-1000V，优选为-900V；对基体表面进行溅射清洗，轰击时间10～20min；

然后将偏压降至-600～-800V，优选为-700V；点燃Cr靶，靶材电流60～150A，优选为80～120A，具体的，可以是60A、120A或150A；用高能Cr离子轰击基体3～15min，活化金属基体表面以提高膜与基体的结合力。

然后沉积纳米多层涂层：通入N2，调节样品转架自转速度和公转速度，控制气压在1.0～3.0Pa，优选为1.5～2.5Pa，可以是1.0Pa、1.5Pa或3.0Pa；点燃Al-Ti靶，靶材电流60～150A，优选为80～120A，可以是60A、80A或150A；偏压-60～-200V，优选为-100～-150V，可以是-60V、-150V或-200V；沉积时间0.5～2h，优选为1小时；

所述Al-Ti靶中，Al的原子百分比为30～70％，优选为40～60％，更优选为50％；Ti的原子百分比为20～60％，优选为30～50％，更优选为40％。

所述样品盘的自转的转速为1～6r/min，更优选为2～5r/min，具体的，可以是1r/min、2r/min、3r/min、4r/min、5r/min或6r/min；所述样品盘公转的转速优选为0～5r/min，更优选为1～4r/min，具体的，可以是0r/min、1r/min、2r/min、3r/min、4r/min、5r/min或6r/min。

完成上述纳米多层涂层的沉积后，闭电弧电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成的涂层，即为自组装纳米多层Ti-Al氮化物涂层。

本发明提供一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具，包括刀具基体和复合在所述刀具基体表面的Ti-Al氮化物多层涂层；所述Ti-Al氮化物多层涂层包括富Ti层和富Al层，所述富Ti层和富Al层交替沉积在所述刀具基体上；所述Ti-Al氮化物多层涂层包含以下原子百分比的组分：Al：20～35％，Ti：10～30％，N：50～60％。该涂层可以实现高硬度、高耐磨性和高温抗氧化性好的效果，工艺简单，可操作性强，可控性好，成本低廉，适应性好，适用于机械零部件、刀模具等产品表面的防护，具有较好的经济效益。

本发明还提供了一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具的制备方法，该方法是以钛铝氮化物涂层为基础，采用传统PVD技术(电弧离子镀)制备，根据靶材元素离化率的不同而产生溅射阳离子密度分布不均的差异现象，通过调整样品转架自转及公转速度，改变样品在差异溅射阳离子密度区域停留的时间，制备出新型的自组装纳米多层Ti-Al氮化物涂层，可以适用于恶劣条件下的工作环境。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种Ti-Al氮化物多层涂层刀具及其制备方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种自组装纳米多层Ti-Al氮化物涂层，包括富Ti层和富Al层。其中，富Ti层的厚度为2nm，富Al层的厚度为5nm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Al:20at.％，Ti:30at.％，N:50at.％。

将高速钢基体抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗10min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至300℃，真空室抽真空至真空度1.0×10^-3Pa以下。通入300sccm的Ar气，设置工件支架偏压-1000V，对基体表面进行溅射清洗，轰击时间10min。之后将偏压降至-600V，点燃Cr靶，靶材电流150A，用高能Cr离子轰击基体15min。将偏压调至-200V，通入300sccm的N2气，通过调节节流阀控制气压在3.0Pa，点燃AlTi靶，靶材电流60A，沉积时间0.5小时，其中转架公转速度为0r/min，自转速度为6r/min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。

图3为本发明实施例1中自组装纳米多层Ti-Al氮化物涂层的TEM(a)和SEM(b)照片。从图3(b)中可以看出，涂层结构致密并未能明显区分出多层结构，而对涂层部分进行TEM测试观察后发现涂层中存在纳米多层结构，其中颜色较亮厚度较薄的为富Ti层，而颜色较深厚度较厚的为富Al层。

涂层检测结果表明：划痕法检测结合力84N以上，纳米压痕法检测硬度为38GPa；本发明的涂层高温氧化起始温度使高达950℃左右(采用热重分析仪)，说明本发明的自组装纳米多层Al-Ti氮化物涂层抗氧化性能得到进一步提高。

实施例2

一种自组装纳米多层Al-Ti氮化物涂层，包括富Ti层和富Al层。其中，富Ti层的厚度为8nm，富Al层的厚度为30nm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Al:35at.％，Ti:10at.％，N:55at.％。

将硬质合金基体抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗15min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至350℃，真空室抽真空至真空度5.0×10^-3Pa以下。通入250sccm的Ar气，设置工件支架偏压-800V，对基体表面进行溅射清洗，轰击时间20min。之后将偏压降至-800V，点燃Cr靶，靶材电流120A，用高能Cr离子轰击基体3min。将偏压调至-150V，通入300sccm的N2气，控制气压在1.5Pa，点燃AlTi靶，靶材电流80A，沉积时间1小时，其中转架公转速度为2r/min，自转速度为4r/min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。

涂层检测结果表明：划痕法检测结合力84N以上，纳米压痕法检测硬度为39GPa；本发明的涂层高温氧化起始温度使高达950℃左右(采用热重分析仪)，说明本发明的自组装纳米多层Ti-Al氮化物涂层抗氧化性能得到进一步提高。

实施例3

一种自组装纳米多层氧Ti-Al氮化物涂层，包括富Ti层和富Al层。其中，富Ti层的厚度为20nm，富Al层的厚度为100nm，涂层中各元素的原子百分比含量为：Al：25at.％，Ti:15at.％，N：60at.％。

将陶瓷基体抛光处理，经丙酮、酒精超声清洗20min，再用氮气吹干后装入真空室内。打开加热器升温至500℃，真空室抽真空至真空度8.0×10^-3Pa以下。通入200sccm的Ar气，设置工件支架偏压-900～-1000V，对基体表面进行溅射清洗，轰击时间20min。之后将偏压降至-800V，点燃Cr靶，靶材电流60A，用高能Cr离子轰击基体15min。将偏压调至-100V，通入200sccm的N2气，调节气压至1.0Pa，沉积CrN过渡5min。通入N2，控制气压在3.0Pa，点燃AlTi靶，靶材电流150A，偏压-150V，沉积时间2小时，其中转架公转速度为5r/min，自转速度为1r/min。完成镀膜后，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体。

涂层检测结果表明：划痕法检测结合力84N以上，纳米压痕法检测硬度为40GPa；本发明的涂层高温氧化起始温度使高达950℃左右(采用热重分析仪)，说明本发明的自组装纳米多层Ti-Al氮化物涂层抗氧化性能得到进一步提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。