[发明专利]一种AlTiN-AlCrN超硬纳米多层复合涂层滚齿刀及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，特别涉及一种AlTiN-AlCrN超硬纳米多层复合涂层滚齿刀及其制备方法。

背景技术

齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础件，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动，齿轮行业是机械业的基础。相对机械装配业而言，齿轮工业属于技术最密集、资金最密集以及规模相对最大的行业。我国齿轮行业基本由三部分组成，即工业齿轮、车辆齿轮和齿轮装备。车辆齿轮传动制造包括车辆齿轮和车辆变速总成，主要为汽车、工程机械、农机、摩托车变速传动的配套。车辆齿轮占到齿轮行业60%。工业齿轮传动制造包括了工业通用、专用、重载齿轮传动，用于冶金、矿山、水泥、船用等等领域的专用齿轮箱；齿轮装备制造业包括齿轮机床、刀具、量具、实验设备、齿轮润滑和密封的领域。就市场需求与生产规模而言，中国齿轮行业在全球排名居世界第四位。

滚齿刀是加工齿轮最为重要的切削刀具，常规滚齿刀基体材料为高速钢或者是硬质合金，近年来，随着切削加工的要求日趋提高，高速、高效、智能和环保成为切削加工的追求目标，对切削刀具质量提出了更高的要求。滚齿刀具的失效往往从表面开始，将超硬刀具涂层材料镀于金属切削刀具表面，正适应了现代制造业对滚齿刀具的高技术要求，金属刀具基体不但保持了较高的强度，而镀于表面的涂层又能发挥它“超硬、强韧、耐磨、自润滑”的优势，从而大大提高金属切削刀具在现代加工过程中的耐用度和适应性。目前常规涂层为TiN或者是TiAlN涂层。

TiN耐温有限，当滚齿刀使用温度超过500℃时涂层开始失效，而TiAlN的耐温也在700℃左右，不能满足滚齿刀高速加工的要求。AlTiN是将Al元素沉积到TiN中而形成的PVD刀具涂层。迄今为止，通过增加TiAlN、AlTiN涂层中的铝含量，从而增强刀具涂层的耐高温性能和硬度，一直是刀具制造商和涂层公司关注的重大技术课题。自1995年以来，人们一直在持续不断地研究和改进相关的气相沉积工艺。到2000年，AlTiN涂层中铝元素与钛元素的成分比例已从原来的1∶2提高到3∶2，即铝含量已从33％增加到60％。从实际使用效果看其耐磨性有待加强。

AlCrN涂层是将Cr取代Ti元素而形成的新型氮化物涂层。AlCrN的铝含量比一般的AlTiN涂层更高，适用于包括齿轮滚刀、立铣刀、铣刀片在内的多种高速钢和硬质合金刀具。该系列涂层非常薄, 但硬度极高, 可显著减少磨损和摩擦, 具有优异的加工性能，即使温度高达1000 ℃ 时其硬度也有27GPa, 可以说这是目前氮化物类型薄膜中红硬性能的最高记录。与其它涂层一样，AlCrN涂层的抗变形能力也取决于涂层材料的晶格形状。具有立方晶格的涂层能够保持很高的红硬性，即当涂层暴露于刀具/工件界面的切削高温中时仍能保持其高硬度。一旦涂层的晶体结构转变为六方晶格，就会因抗变形能力下降而使硬度降低。TiAlN涂层的硬度在约800℃时即大幅下降，AlTiN涂层在温度不到900℃时也会出现硬度降低的现象；而AlCrN涂层在温度达到1100℃时仍可保持其硬度。即使在1100℃的高温下，AlCrN涂层也能保护刀具基体不发生氧化。

纳米多层膜是目前刀具发展的最新趋势，其力学性能大大优于组分氮化物常规涂层的性能。由于纳米多层涂层优越的切削特性，具有比常规TiN、TiCN以及TiAlN等涂层更好的切削性能。

发明内容

  本发明本发明的目的就是针对上述现有技术的现状，提供了一种AlTiN-AlCrN超硬纳米多层复合涂层滚齿刀及其制备方法。

本发明产品的技术方案是：在基体为高速钢或硬质合金的滚齿刀的表面上从内到外由结合层、过渡层、支撑层、耐磨层依次构成的复合涂层，其中结合层为Cr层；过渡层为CrN层；支撑层为AlTiN/CrN层；耐磨层为AlTiN/AlCrN层。

为进一步提高本发明产品的性价比：

所述复核涂层的厚度为1-10微米，其中

1）结合层厚度在20-60纳米之间；过渡层厚度在100-300纳米之间；支撑层厚度在200-1000纳米之间；耐磨层厚度在0.5-10微米之间。

2）  支撑层为AlTiN层和CrN层交替构成的AlTiN/CrN多层涂层；其AlTiN层单层的厚度为3-5纳米，CrN层单层的厚度为2-5纳米；

3）  耐磨层为AlTiN层和AlCrN层交替构成的AlTiN/AlCrN多层涂层；其AlTiN层单层的厚度为3-5纳米， AlCrN层单层的厚度为2-5纳米。