[发明专利]一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬质涂层及其制备领域，尤其涉及一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层及其制备方法。

背景技术

运用气相沉积技术，将硬质涂层施加于刀具的表面，刀具如烧结碳化物硬质合金、高速工具钢、陶瓷等，已被证明可以显著提高刀具的寿命，并能有效改善工件的切削质量，硬质涂层特别适合施加于合金刀具，用于提高合金刀具的寿命和改善工件的切削质量。这些硬质涂层最典型的代表是钛基二元及多元氮化物，如氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、钛铝氮(TiAlN)、钛硅氮(TiSiN)、钛铝碳氮(TiAlCN)、钛铝硅氮(TiAlSiN)等。其它的硬质涂层包括但不限于，氧化铝(Al₂O₃)、氮化铬(CrN)、铝钛氮(AlTiN)、铝铬氮(AlCrN)等。针对具体的应用场合，这些硬质涂层可以以单层、多层、叠层、多相复合等多种方式在刀具上加以使用。

上述现有的硬质涂层，施加于刀具的表面，沉积有硬质涂层的刀具在切削钛合金、镍合金等一些难加工的合金时，仍存在一些缺陷。具体表现为，在切削的过程中切削区温度高、粘刀现象严重、刀具磨损快、切削困难，而且工件切削表面质量不高。导致这些技术缺陷主要是由于切削过程中摩擦系数过大。因此，针对以上技术缺陷，急需寻找一种低摩擦系数的硬质刀具涂层来替代现有的硬质刀具涂层。

现有技术中，公开号为JP 200334858A的日本专利申请公开了一种涂层，该涂层通过向TiAlN涂层中添加Cr、Zr、V、Mo、Ta、Nb、W、Si、B、Hf等中的一种或多种元素来提高该涂层的性能，虽然该技术方案通过添加其他元素，使得TiAlN涂层的硬度等性能有了一定的提高，但是该涂层的摩擦系数仍然相对较高，将该涂层施加于刀具的表面，刀具的磨损和切削质量都有待进一步提高。

随着多层涂层技术、梯度涂层技术及纳米叠层膜技术的发展，极大地提高了现有涂层的使用性能和应用领域。其中，V基具有显著的高温自润滑性，常被选作为润滑相添加在硬质涂层中，在涂层中V基可以大大提高涂层的高温减磨性能，沉积该涂层的刀具非常适合应用于钛合金、镍合金等难加工合金的切削加工。

公开号为JP 200887114A的日本专利申请公开了一种AlN、CrN、VN、SiN、BrN涂层，其中，VN涂层中V的含量为0.05～0.2。

公开号为JP 200334858A的日本专利申请公开了一种Ti_aCN、Al_bCN、V_cCN涂层，其中，V_cCN涂层中V的含量c的范围为0.05～0.5，当V的含量c值为0.5时，该涂层的硬度为29.5GPa。

公开号为JP 1997941127A的日本专利申请公开了一种(Al_1-yX_y)N涂层，其中，X为Cr、V、Mg的一种或几种，y值的范围为0.1～0.4，当涂层为(Al_0.6V_0.4)N时，该涂层的硬度为18GPa。

上述VN涂层、VcCN涂层和(Al_1-yX_y)N涂层中，当涂层中含V量较低时，致使涂层的润滑性较差；当涂层中含V量达到0.2以上时，虽然涂层的润滑性提高了，但是涂层的硬度又相对较低，无法兼具较高的硬度和较低的摩擦系数，这是由于所形成的涂层为单相固溶体结构，或者是氮化钒与六方相氮化铝(h-AlN)的复合结构，这些复合结构都难以在高钒含量时使涂层具有高硬度。

发明内容

本发明提供了一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，在保证较低摩擦系数的同时，能够保证具有较高的硬度。

一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为(V_1-xAl_x)N，其中，1-x为0.41～0.6，x为0.4～0.59。进一步优选，1-x为0.44～0.56，x为0.44～0.56。更进一步优选，1-x为0.49～0.50，x为0.50～0.51。