[发明专利]CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法，属于薄膜材料领域。

背景技术

当今一个国家数控机床的生产量和应用程度，已成为衡量一个国家工业化程度和技术水平的重要标志之一，也是提高一个国家综合实力和竟争力的重要手段。随着世界先进技术的兴起和不断成熟，对数控技术提出了更高的要求。当今数控机床正在不断采用最新成果，朝着高速高效、高精度、高可靠性与环保等方向发展。

以航空航天、汽车工业为代表的先进制造业使用材料的性能不断提高，轻质强韧材料的使用日渐增多，加工难度日益增大。机加工行业为了降低成本和保护环境，逐渐推广不使用切削液进行的切削或极微量润滑的准干切削技术，也使某些材料的机加工难度增大。

作为数控机床、数控加工技术关键的刀具，其性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。刀具材料直接影响刀具的使用性能，大多数材料在使用过程中出现失稳、损伤和破坏，且都是从表面开始。表面涂层数控刀具，尤其是表面涂层的硬质合金刀具综合了硬质合金基体材料强度高、韧性好的特点和表面涂层硬度高、耐磨性好的优势，基体材料与涂层材料优势互补，特别是使刀具本体材料高强度和涂层的高硬度优势得到充分利用，有效解决了表面失效机制，受到机械加工用户的欢迎。

刀具表面的硬质涂层要求：高硬度、耐磨、耐热、化学性能稳定，与基体附着牢固等。目前使用较多的工业化生产涂层主要有TiN、TiC涂层、金刚石涂层和TiAlN涂层，与需要加工的各种材料相比，涂层种类仍然十分有效，但很难全部达到上述技术要求。例如，TiN与基体结合强度不高，涂层易剥落，且硬度也较低，在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。单一涂层均很难满足高速切削对刀具涂层的综合要求，故往往制成多元复合涂层，配制成较理想的刀具涂层材料。实际生产中加工对象涉及到黑色金属、有色金属和各种复合材料、新材料，对切削刀具提出了越来越高的要求，因此，需要降低涂层的内应力，提高涂层的韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩散，减少刀具崩刃不同需求的新型高性能超硬涂层材料，并设计开发相应的涂层制造设备和技术。

发明内容

本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，为加工行业提供一种CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法。

实现本发明目的所采用的技术方案是：

一种CrTiAlSiN纳米复合涂层，包括粘结层、支撑层和主耐磨层，支撑层附着在粘结层上面，主耐磨层附着在支撑层上面，粘结层为Cr，支撑层为CrN，主耐磨层是由CrSiN层与TiAlSiN层交替构成的CrSiN/TiAlSiN纳米多层涂层，或者是由纳米晶CrTiAlN镶嵌于非晶Si₃N₄的nc-CrTiAlN/a-Si₃N₄纳米晶复合涂层。

一种沉积有上述CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具，至少包括刀具基体，CrTiAlSiN纳米复合涂层的粘结层沉积在刀具基体上。

一种沉积有上述CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具的制备方法，包括以下步骤：将表面洁净的刀具基体装夹在工件架上进行辉光清洗；辉光清洗结束后，在Ar气环境、真空度1.5×10^-2～2.5×10^-2Pa、300～400℃、-600～-900V偏压条件下，打开多弧Cr靶在刀具基体上沉积Cr粘结层；然后在氮气环境、真空度1.5～3.0Pa、300～400℃、-150～-500V偏压条件下，在Cr粘结层上沉积CrN支撑层；在氮气环境下，通入200～600sccm的SiH₄和/或开启磁控溅射柱状Si靶，在真空度3.0～5.0Pa、300～400℃、偏压-150～-400V条件下，打开TiAl靶，在CrN支撑层上沉积CrTiAlSiN主耐磨层；沉积结束后，自然冷却，得到沉积有CrTiAiSiN纳米复合涂层的刀具。

以上所述粘结层厚度为50～100纳米，支撑层厚度为100～200纳米，主耐磨层厚度为1.7～2.85微米；所述刀具为硬质合金刀具。