复合涂层、自润滑复合涂层刀具及其制备方法与流程

本发明涉及一种复合涂层、自润滑复合涂层刀具及其制备方法，属于涂层刀具
技术领域：
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背景技术：
：随着切削技术的发展，要求切削加工具有高速、高效、高精等特点，对刀具的性能提出了更高的要求，无涂层刀具由于耐磨性差、摩擦系数高、使用寿命短等缺陷，已无法满足切削加工的要求。涂层刀具是在硬质合金或高速钢(hss)基体表面上，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(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而制备的，难熔金属或非金属化合物的涂层可作为化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少基体的磨损，涂层的组成和各元素的配比都将影响涂层刀具的使用寿命，以及涂层刀具加工得到的工件的表面质量，需要提供一种复合涂层，使得含有该复合涂层的复合涂层刀具加工得到的工件具有良好的表面质量，且具有较长的使用寿命。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种复合涂层，该复合涂层设置在刀体表面，能够缓解现有刀具耐磨润滑性差的缺陷。本发明的另一个目的在于提供一种自润滑复合涂层刀具，该刀具能够缓解现有刀具耐磨润滑性差的缺陷。本发明的目的还在于提供一种自润滑复合涂层刀具的制备方法，该方法可缓解现有刀具制备方法繁琐、成本高的缺陷。本发明的技术方案如下：一种复合涂层，所述复合涂层包括tialcn层和tialbn层。tialcn层中的al元素有利于提高涂层的抗氧化能力，tialcn层中的c元素有利于降低涂层的摩擦系数，tialcn层中ti元素、al元素、c元素和n元素有利于降低晶粒尺寸。tialbn层具有良好的耐高温氧化性和显微硬度，是良好的耐磨材料，tialbn层同时存在tialn相和六方bn相，具有良好的耐磨润滑性。优选地，所述tialcn层的厚度为1.8-2.2μm；所述tialbn层的厚度为2-3μm。一种自润滑复合涂层刀具，所述自润滑复合涂层刀具包括刀体和依次设置在刀体表面的tialcn层和tialbn层。需要说明的是，包括刀体和依次设置在刀体表面的tialcn层和tialbn层的自润滑复合涂层刀具记为tialcn/tialbn自润滑复合涂层刀具，tialcn/tialbn中的“/”是“和”的意思，tialcn/tialbn自润滑复合涂层刀具是指含tialcn层和tialbn层的自润滑复合涂层刀具。tialcn层指的是tialcn层中含ti元素、al元素、c元素和n元素，tialbn层指的是tialbn层中含ti元素、al元素、b元素和n元素。需要说明的是，设置在刀体表面的tialcn层和tialbn层中的表面可以是整个刀体表面，也可以是部分刀体表面，如只设置在切削的刀头部位。应当理解的是，所述自润滑复合涂层刀具包括刀体和依次设置在刀体表面的tialcn层和tialbn层指的是，本领域技术人员根据需要可在刀体和tialcn层之间设置过渡层，如ti、tial或cral，过渡层可以是一层，也可以是多层，本领域技术人员根据需要可以在tialcn层和tialbn层之间设置一层或多层涂层，本领域技术人员根据需要可以在tialbn层表面设置一层或多层涂层。本发明的自润滑复合涂层刀具包括tialcn层和tialbn层，且tialcn层位于刀体和tialbn层之间。tialcn层中的al元素有利于提高涂层的抗氧化能力，tialcn层中的c元素有利于降低涂层的摩擦系数，tialcn层中ti元素、al元素、c元素和n元素有利于降低晶粒尺寸。tialbn层具有良好的耐高温氧化性和显微硬度，是良好的耐磨材料，tialbn层同时存在tialn相和六方bn相，具有良好的耐磨润滑性。tialcn/tialbn复合涂层能够降低刀具的摩擦系数，具有良好的耐磨性和自润滑性，可有效延长刀具的使用寿命，降低工件的表面粗糙度。所述自润滑复合涂层刀具还包括过渡层，所述过渡层位于刀体和tialcn层之间；所述过渡层为ti、tial或cral；所述过渡层的厚度为300-400nm。ti、tial或cral的过渡层有利于增强刀体和tialcn层的结合力。优选地，所述tialcn层的厚度为1.8-2.2μm；所述tialbn层的厚度为2-3μm。如果tialcn层和tialcn层过厚，将使得成本提高，且会降低涂层之间的结合强度，如果tialcn层和tialcn层过薄，将会起不到保护效果。优选地，所述刀体为高速钢刀体、硬质合金刀体，或者表面设有超硬材料的高速钢刀体或硬质合金刀体，所述超硬材料为聚晶立方氮化硼或金刚石。应当理解的是，本发明对于刀体的种类不作限定，采用本领域常规的刀体即可，如高速钢或硬质合金，或设有聚晶立方氮化硼、金刚石或陶瓷的高速钢或硬质合金均可作为刀体。一种自润滑复合涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：(1)沉积tialcn层在含有氮气的气体环境中，以石墨靶、tial复合靶和钛靶为靶材，通过磁控溅射镀膜法在刀体表面沉积tialcn层，得到设置有tialcn层的刀具坯体；基于石墨靶的溅射功率为800-1200w，基于tial复合靶的溅射功率为2800-3200w，基于钛靶的溅射功率为300-400w；(2)沉积tialbn层在含有氮气的气体环境中，以tib2靶、tial复合靶和钛靶为靶材，通过磁控溅射镀膜在步骤(1)得到的刀具坯体的tialcn层表面沉积tialbn层，得到自润滑复合涂层刀具；基于tib2靶的溅射功率为5800-6200w，基于tial复合靶的溅射功率为800-1200w，基于钛靶的溅射功率为300-400w。本发明的自润滑复合涂层刀具的制备方法只需要依次在刀体表面沉积tialcn层和tialbn层，即可制备得到自润滑复合涂层刀具，制备过程的效率高，方法简单，容易操作，设备为常规设备，成本低，且该方法可控，沉积tialcn层时，可通过控制石墨靶、tial复合靶和钛靶的溅射功率来控制各靶材的溅射速度，从而控制tialcn层中各元素的用量，沉积tialbn层时，可通过控制tib2靶、tial复合靶和钛靶的溅射功率来控制各靶材的溅射速度，从而控制tialbn层中各元素的用量，同时可以通过沉积时间控制tialcn层和tialbn层的厚度。优选地，在刀体表面沉积tialcn层前，在刀体表面沉积过渡层，所述过渡层的沉积方法为：在氩气环境中，以ti、tial或cral为靶材，通过磁控溅射镀膜法在刀体表面沉积过渡层；基于ti、tial或cral靶材的溅射功率为1300-1700w。优选地，所述过渡层的沉积温度为500-700℃，所述过渡层的沉积时间为10-20min，所述过渡层的沉积厚度为300-400nm。通过合理控制沉积的温度和时间来调控过渡层的厚度，厚度为300-400nm的过渡层即可使得刀体与tialcn层结合。优选地，步骤(1)中，所述tial复合靶中al元素和ti元素的面积比为3:5。面积比为3:5的al元素和ti元素组成的tial复合靶有利于充分发挥tialcn层的性能，提高抗氧化作用，若al元素含量过大，将会破坏涂层的内部结构，改变涂层的性质，若al元素含量过少，在加工时不能生成足够的al2o3，不能发挥抗氧化的作用。优选地，步骤(1)中，所述沉积的温度为500-700℃，所述沉积的时间为1h，所述沉积的厚度为1.8-2.2μm。通过合理控制沉积的温度和时间来调控tialcn层的厚度，厚度为1.8-2.2μm的tialcn层可保持涂层之间的结合强度在20n。优选地，步骤(1)中，所述气体环境为氮气和氩气，所述氮气的流量为100sccm，氩气的流量为50sccm。优选地，步骤(2)中，所述tib2靶中ti元素和b元素的面积比为6:4。b元素是生成六方氮化硼的基础，若b元素含量过高将不能生成六方氮化硼相，若b元素含量过低将不能起到润滑效果。优选地，步骤(2)中，所述沉积的温度为500-700℃，所述沉积的时间为45-60min，所述沉积的厚度为2-3μm。通过合理控制沉积的温度和时间来调控tialbn层的厚度，厚度为2-3μm的tialbn层可保持涂层之间的结合强度为20n。优选地，步骤(2)中，所述气体环境为氮气和氩气，所述氮气的流量为65sccm，氩气的流量为200sccm。附图说明图1为自润滑复合涂层刀具的层结构示意图，1为刀体，2为过渡层，3为复合涂层；图2为复合涂层的层结构示意图，31为tialcn层，32为tialbn层；图3为实施例1得到的自润滑复合涂层刀具中涂层的sem图；图4为对比例1得到的涂层刀具中涂层的sem图；图5为对比例2得到的涂层刀具中涂层的sem图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的自润滑复合涂层刀具中，所述刀体为设有聚晶立方氮化硼的高速钢刀体或硬质合金刀体。设有聚晶立方氮化硼的高速钢刀体或硬质合金刀体得到的自润滑复合涂层刀具中聚晶立方氮化硼与过渡层的结合力更强，具有更优的耐磨性和自润滑性，低摩擦系数，可有效延长使用寿命。本发明的自润滑复合涂层刀具中，对于刀体的刀具种类不作限定，采用本领域常规的刀具种类即可，例如，可以是车刀、铣刀。本发明的自润滑复合涂层刀具的制备方法中，沉积过渡层时，所述氩气的流量为150sccm。本发明的自润滑复合涂层刀具的制备方法中，沉积过渡层时，步骤(1)和(2)中，所述刀体的转台速度为0.5-0.7rpm；负偏压为70-100v。0.5-0.7rpm的转台速度有助于均匀镀膜。本发明的自润滑复合涂层刀具的制备方法中，步骤(1)中，对于洁净的刀体的处理方法不作限定，采用本领域常规的预处理方式对刀体进行处理即可。例如，可以将刀体依次置于丙酮、无水乙醇和蒸馏水中，分别超声15min，然后干燥即可得到洁净的刀体。本发明所用靶材的纯度为99.999％，氮气的纯度为99.999％，氩气的纯度为99.999％。一、本发明的自润滑复合涂层刀具的制备方法的具体实施例如下：实施例1本实施例的自润滑复合涂层刀具的制备方法，刀体为pcbn刀体，厂家为富耐克超硬材料股份有限公司，牌号为fbk9560，型号为cnga120408t01225-2s，步骤如下：(1)预处理将pcbn刀体在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中分别超声15min，然后将pcbn刀体在烘箱中烘干，得到洁净的pcbn刀体。(2)沉积过渡层将洁净的pcbn刀体用夹具固定并放入高脉冲磁控溅射镀膜机的镀膜腔室中，将镀膜腔室的压强调为2×10-3pa，向镀膜腔室中通入氩气，氩气的流量为150sccm，靶材为ti靶，ti靶的溅射功率为1500w，刀体的转台速度为0.5rpm，负偏压为90v，沉积的温度为500℃，沉积的时间为15min，在刀体表面沉积350nm的过渡层。(3)沉积tialcn层向镀膜腔室中通入氮气和氩气，氮气的流量为100sccm，氩气的流量为50sccm，tialcn层的靶材为石墨靶、tial复合靶(al元素和ti元素的面积比为3:5)和钛靶，石墨靶的溅射功率为1000w，tial复合靶的溅射功率为3000w，钛靶的溅射功率为300w，刀体的转台速度为0.5rpm，负偏压为90v，沉积的温度为500℃，沉积的时间为1h，在步骤(2)得到的过渡层表面沉积2μm的tialcn层。(4)沉积tialbn层向镀膜腔室中通入氮气和氩气，氮气的流量为65sccm，氩气的流量为200sccm，tialbn层的靶材为tib2靶(ti元素和b元素的面积比为6:4)、tial复合靶(al元素和ti元素的面积比为3:5)和钛靶，tib2靶的溅射功率为6000w，tial复合靶的溅射功率为1000w，钛靶的溅射功率为300w，刀体的转台速度为0.5rpm，负偏压为90v，沉积的温度为500℃，沉积的时间为45min，在步骤(3)得到的tialcn层表面沉积2μm的tialbn层，得到自润滑复合涂层刀具。实施例2-4实施例2-4的自润滑复合涂层刀具的制备方法，与自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例1的不同之处在于，pcbn刀体的牌号和型号不同，实施例2-4的自润滑复合涂层刀具的制备方法同自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例1。实施例2-4的pcbn刀体的牌号和型号如表1所示。表1实施例2-4的pcbn刀体的牌号和型号pcbn刀体的牌号pcbn刀体的型号实施例2fbn7000dnma11t308s01520实施例3fbs9500vnga160408e实施例4fbn7200rnmn120400t02020实施例5本实施例的自润滑复合涂层刀具的制备方法，刀体同实施例1，步骤如下：(1)预处理将pcbn刀体在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中分别超声15min，然后将pcbn刀体在烘箱中烘干，得到洁净的pcbn刀体。(2)沉积过渡层将洁净的pcbn刀体用夹具固定并放入高脉冲磁控溅射镀膜机的镀膜腔室中，将镀膜腔室的压强调为2×10-3pa，向镀膜腔室中通入氩气，氩气的流量为150sccm，靶材为ti靶，ti靶的溅射功率为1700w，刀体的转台速度为0.7rpm，负偏压为100v，沉积的温度为600℃，沉积的时间为10min，在刀体表面沉积过渡层。(3)沉积tialcn层向镀膜腔室中通入氮气和氩气，氮气的流量为100sccm，氩气的流量为50sccm，tialcn层的靶材为石墨靶、tial复合靶(al元素和ti元素的面积比为3:5)和钛靶，石墨靶的溅射功率为1200w，tial复合靶的溅射功率为3200w，钛靶的溅射功率为400w，刀体的转台速度为0.7rpm，负偏压为100v，沉积的温度为600℃，沉积的时间为1h，在步骤(2)得到的过渡层表面沉积tialcn层。(4)沉积tialbn层向镀膜腔室中通入氮气和氩气，氮气的流量为65sccm，氩气的流量为200sccm，tialbn层的靶材为tib2靶(ti元素和b元素的面积比为6:4)、tial复合靶(al元素和ti元素的面积比为3:5)和钛靶，tib2靶的溅射功率为6200w，tial复合靶的溅射功率为1200w，钛靶的溅射功率为400w，刀体的转台速度为0.7rpm，负偏压为100v，沉积的温度为600℃，沉积的时间为45min，在步骤(3)得到的tialcn层表面沉积tialbn层，得到自润滑复合涂层刀具。实施例6本实施例的自润滑复合涂层刀具的制备方法，刀体同实施例1，步骤如下：(1)预处理将pcbn刀体在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中分别超声15min，然后将pcbn刀体在烘箱中烘干，得到洁净的pcbn刀体。(2)沉积过渡层将洁净的pcbn刀体用夹具固定并放入高脉冲磁控溅射镀膜机的镀膜腔室中，将镀膜腔室的压强调为2×10-3pa，向镀膜腔室中通入氩气，氩气的流量为150sccm，靶材为ti靶，ti靶的溅射功率为1300w，刀体的转台速度为0.6rpm，负偏压为70v，沉积的温度为700℃，沉积的时间为20min，在刀体表面沉积过渡层。(3)沉积tialcn层向镀膜腔室中通入氮气和氩气，氮气的流量为100sccm，氩气的流量为50sccm，tialcn层的靶材为石墨靶、tial复合靶(al元素和ti元素的面积比为3:5)和钛靶，石墨靶的溅射功率为800w，tial复合靶的溅射功率为2800w，钛靶的溅射功率为300w，刀体的转台速度为0.6rpm，负偏压为70v，沉积的温度为700℃，沉积的时间为1h，在步骤(2)得到的过渡层表面沉积tialcn层。(4)沉积tialbn层向镀膜腔室中通入氮气和氩气，氮气的流量为65sccm，氩气的流量为200sccm，tialbn层的靶材为tib2靶(ti元素和b元素的面积比为6:4)、tial复合靶(al元素和ti元素的面积比为3:5)和钛靶，tib2靶的溅射功率为5800w，tial复合靶的溅射功率为800w，钛靶的溅射功率为300w，刀体的转台速度为0.6rpm，负偏压为70v，沉积的温度为700℃，沉积的时间为45min，在步骤(3)得到的tialcn层表面沉积tialbn层，得到自润滑复合涂层刀具。二、本发明的自润滑复合涂层刀具的具体实施例如下：实施例7本实施例的自润滑复合涂层刀具，由实施例1的自润滑复合涂层刀具的制备方法制备得到，如图1所示，1为刀体，2为过渡层，3为复合涂层，图2为复合涂层的层结构示意图，31为tialcn层，32为tialbn层，由聚晶立方氮化硼刀体(pcbn刀体)和依次设置在刀体表面的过渡层、和tialcn层和tialbn层组成。tialcn层的厚度为2μm，tialbn层的厚度为2μm，过渡层的厚度为350nm。实施例8-12实施例8-12的自润滑复合涂层刀具，分别对应自润滑复合涂层刀具的制备方法实施例2-6的最终产品。三、复合涂层的实施例，分别对应自润滑复合涂层刀具实施例7-12的最终产品中的复合涂层，即tialcn层和tialbn层。四、对比例的说明：对比例1本对比例的自润滑复合涂层刀具的制备方法，与实施例1的自润滑复合涂层刀具的制备方法的不同之处在于，步骤(2)中tib2靶的溅射功率不同，本对比例tib2靶的溅射功率为4500w，其余步骤均同自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例1。对比例2本对比例的自润滑复合涂层刀具的制备方法，与实施例1的自润滑复合涂层刀具的制备方法的不同之处在于，步骤(1)中tial复合靶的溅射功率不同，本对比例tial复合靶的溅射功率为4000w，其余步骤均同自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例1。对比例4本对比例的自润滑复合涂层刀具的制备方法，与实施例1的自润滑复合涂层刀具的制备方法的不同之处在于，沉积tialcn层和沉积tialbn层的顺序不同，其余步骤及工艺参数同实施例1。五、相关试验例：试验例1对实施例1-4和对比例1-3得到的自润滑复合涂层刀具的加工性能进行表征，设置对照样1-4，对照样1为自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例1所用的刀体(牌号为fbk9560，型号为cnga120408t01225-2s)，对照样2为自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例2所用的刀体(牌号为fbn7000，型号为dnma11t308s01520)，对照样3为自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例3所用的刀体(牌号为fbs9500，型号为vnga160408e)，对照样4为自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例4所用的刀体(牌号为fbn7200，型号为rnmn120400t02020)。分别利用对照样1和自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例1得到的自润滑复合涂层刀具加工工件齿轮，分别利用对照样2和自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例2得到的自润滑复合涂层刀具加工工件盆齿，分别利用对照样3和自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例3得到的自润滑复合涂层刀具加工工件结合齿，分别利用对照样4和自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例4得到的自润滑复合涂层刀具加工工件后桥齿，得到的工件表面的粗糙度和最多能够加工的工件数量如表2所示。表2工件表面粗糙度和最多加工工件数量加工工件工件表面粗糙度最多加工工件数量实施例1齿轮r0.6350对照样1齿轮r0.8280实施例2盆齿r0.6220对照样2盆齿r0.8100实施例3结合齿r0.6200对照样3结合齿r0.8150实施例4后桥齿r0.685对照样4后桥齿r0.870由表2可知，自润滑复合涂层刀具的制备方法得到的自润滑复合涂层刀具与未设置涂层的对照样相比，加工工件的数量大幅增加，即tialcn/tialbn复合涂层有效延长了刀具的使用寿命，且由自润滑复合涂层刀具加工得到的工件表面粗糙度大幅降低。例如，自润滑复合涂层刀具的制备方法的实施例2得到的自润滑复合涂层刀具与未设置涂层的对照样2相比，加工盆齿的数量由100件增加到了220件，加工工件数量提高了120％，即使用寿命延长了120％，且自润滑复合涂层刀具加工得到的盆齿表面粗糙度仅为r0.6，低于未设置涂层的对照样2加工得到的盆齿表面粗糙度(r0.8)。试验例2对实施例1和对比例1-2得到的自润滑复合涂层刀具的表面形貌进行表征，得到的扫描电镜图如3-5所示，图3为实施例1得到的自润滑复合涂层刀具中涂层的sem图，图4为对比例1得到的涂层刀具中涂层的sem图，图5为对比例2得到的涂层刀具中涂层的sem图，由图3-图5可知，实施例1得到的自润滑复合涂层刀具的涂层颗粒均匀，且涂层致密，无孔隙，对比例1得到的涂层刀具的复合涂层的颗粒大小不一，孔隙较多，对比例2得到的涂层刀具的复合涂层中存在大量孔隙，颗粒较大，这主要是由于对比例1和对比例2的涂层生长不均引起的。当前第1页12