TiAlSiZrN基复合涂层、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TiAlSiZrN基复合涂层、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]硬质合金刀具在加工过程中承受极大的机械负荷和热负荷，极易产生磨损，从而影响其使用寿命，而对刀具材料进行表面改性，提高其表面性能，对提高刀具材料的使用寿命具有很重要的意义。在硬质合金表面涂上薄层的TiN、TiN、TiCN或Al2O3等高硬度耐磨材料，可提高刀具的耐磨性同时保持基体良好的韧性，可显著改善刀具材料的工作性能和使用寿命。然而涂层基本上为硬脆质材料，并且和硬质合金基体材料热膨胀系数不同，在涂层与基体之间的界面存在应力集中现象，通常裂纹容易在涂层表面产生并向合金内部扩散导致的材料失效。
[0005]TiN是最先被广泛使用的硬质涂层材料。TiN涂层性能优越，工艺过程又符合〃绿色制造业〃理念，但是TiN耐温有限，当使用温度超过500°C时抗氧化能力变差，仍限制了其应用领域。而随着技术的进步，人们对涂层的综合性能要求越来越高，并且对不同服役条件的产品，应该有特定表层性能的刀具基体与特定的复合涂层与之相适应，以增加涂层与基体之间的结合力和涂层的耐磨损性。
[0006]因此，针对现有技术不足，提供一种性能良好的TiAlSiZrN基复合涂层、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】
[0007]本发明的目的之一在于避免现有技术的不足之处而提供一种TiAlSiZrN基复合涂层及其制备方法，TiAlSiZrN基复合涂层与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，致密度高，耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好，且复合涂层的润滑性能良好。。
[0008]本发明的另一目的在于提供一种具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，具有良好的耐磨耐温性能。
[0009]本发明的上述目的通过如下技术手段实现。
提供一种TiAlSiZrN基复合涂层，包括用于沉积于刀具表面作为过渡层的TiN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiN/TiSiN层、沉积于支撑层上作为耐磨层的TiSiN层和沉积于耐磨层上作为减磨层的TiAlSiZrN层，所述支撑层由TiN层和TiSiN层交替构成。
[0010]优选的，上述过渡层厚度为500-2000 nm;所述支撑层的厚度为500-4000 nm;所述耐磨层的厚度为500-4000 nm;所述减磨层的厚度为500-4000 nm；
所述支撑层中，单层TiSiN层的厚度为9-15 nm，单层TiSiN层的厚度为8_16 nm，相邻两层TiSiN层和TiN层的厚度之和为17-31 nm。
[0011]
提供一种TiAlSiZrN基复合涂层的制备方法，采用电弧离子镀方法依次沉积作为过渡层的TiN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiN/TiSiN层、沉积于支撑层上作为耐磨层的TiSiN层和沉积于耐磨层上作为减磨层的TiAlSiZrN层。
[0012]进一步的，所述过渡层是在氮气环境下，气压0.1-0.5?&、电压100￥-250￥的条件下沉积的；
所述支撑层是在氮气环境下，气压0.5-2.3Pa、iS、150V -250V的条件下沉积的； 所述耐磨层是在氮气环境下，气压0.1-1Pa、电压150V -250V的条件下沉积的； 所述减磨层是在氮气环境下，气压0.1_0.5Pa、电压150V-250V的条件下沉积的。
[0013]进一步的，上述的TiAlSiZrN基复合涂层的制备方法，制备过程如下，
(1)首先使电弧离子镀设备抽真空至1.52X10—2Pa以下，然后加热炉体至450-550°C，并保持电弧离子镀设备抽真空且内部气压不大于10—3Pa;
(2)通入纯度为99.999%的高纯度Ar气，在Ar流量为260 SCCM时保持压强为1.8-2.5Pa，在温度为380-450 V的条件下，利用Ar离子辉光清洗基体25_35min;在Ar离子辉光清洗基体的过程中，初始脉冲偏压为-600V、占空比为30%，在三分钟内，使得脉冲偏压达到-1000 V、占空比达到50%;靶材和基体中间放置有遮挡板，避免靶材清洗过程中轰击出的靶材原子沉积在基体上；
(3)增加Ar+流量至3.0-4.0Pa，Ar+在1200V-1300V的基体偏压下获得高的粒子能量以轰击、侵烛基体，去除基体表面杂质；
(4)移开遮挡板，依次沉积制备过渡层、支撑层、耐磨层和减磨层；
(5)复合涂层完毕后，于真空状况或通入H2状况下自然冷却至80°C以下。
[0014]优选的，上述的TiAlSiZrN基复合涂层的制备方法，具体制备过程如下，
(1)首先使电弧离子镀设备抽真空至1.52X10—2Pa以下，然后加热炉体至500°C，并保持电弧离子镀设备抽真空且内部气压不大于10—3Pa;
(2)通入纯度为99.999%的高纯度Ar气，在Ar流量为260SCCM时保持压强为2 Pa，在温度为400 "€的条件下，利用Ar离子辉光清洗基体30min;在Ar离子辉光清洗基体的过程中，初始脉冲偏压为-600V、占空比为30%，在三分钟内，使得脉冲偏压达到-1000 V、占空比达到50%;靶材和基体中间放置遮挡板，避免靶材清洗过程中轰击出的靶材原子沉积在基体上;
(3)增加Ar+流量至3.5Pa，Ar+在1250V的基体偏压下获得高的粒子能量以轰击、侵烛基体，去除基体表面杂质；
(4)移开遮挡板，依次沉积制备过渡层、支撑层、耐磨层和减磨层；
(5)复合涂层完毕后，于真空状况或通入H2状况下自然冷却至80°C以下。
[0015]提供一种具有TiAlSiZrN基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TiAlSiZrN基复合涂层构成；
所述刀具基体设置有正常组织层、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TiAlSiZrN基复合涂层由作为过渡层的TiN层、沉积于过渡层上作为支撑层的TiN/TiSiN层、沉积于支撑层上作为耐磨层的TiSiN层和沉积于耐磨层上作为减磨层的TiAlSiZrN层构成，所述支撑层由TiN层和TiSiN层交替构成；
所述过渡层沉积于所述贫钴富立方相层表面。
[0016]进一步的，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20-100um;所述贫钴富立方相层的厚度为20-50 um;
所述过渡层厚度为500-2000 nm;所述支撑层的厚度为500-4000 nm;所述耐磨层的厚度为500-4000 nm;所述减磨层的厚度为500-4000 nm；
所述支撑层中，单层TiSiN层的厚度为9-15 nm，单层TiSiN层的厚度为8_16 nm，相邻两层TiSiN层和TiN层的厚度之和为17-31 nm。
[0017]进一步的，所述刀具基体中钴的含量为8_12wt.%;
所述正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为l-400nm。
[0018]进一步的，上述的具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，通过电弧离子镀方法将过渡层沉积于所述贫钴富立方相层，通过电弧离子镀方法将所述支撑层沉积于所述过渡层，通过电弧离子镀方法将耐磨层沉积于所述支撑层，通过电弧离子镀方法将所述减磨层沉积于所述耐磨层；
所述过渡层是在氮气环境下，气压0.1-0.5Pa、电压100V-250V的条件下沉积的； 所述支撑层是在氮气环境下，气压0.5-2.3Pa、电压、150V-250V的条件下沉积的； 所述耐磨层是在氮气环境下，气压0.1-1Pa、电压150V-250V的条件下沉积的；
所述减磨层是在氮气环境下，气压0.1_0.5Pa、电压150V-250V的条件下沉积的。
[0019]进一步的，上述具有TiAlSiZrN基复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，TiAlSiZrN基复合涂层的制备过程如下，
(1)首先使电弧离子镀设备抽真空至1.4X 10—2 Pa以下，然后加热炉体至450-550°C，并保持电弧离子镀设备