[发明专利]一种切削刀具材料表面的Ti/TiN/TiAlN复合镀层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，特别涉及一种切削刀具材料表面的Ti/TiN/TiAlN复合镀层及其制备方法。

背景技术

在机械制造业中，虽然已发展出各种不同的零件成型工艺，但目前大部分的机械零件还是要通过切削加工制成。涂层刀具是将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数；涂层刀具可以提高加工效率和精度，延长刀具使用寿命，从而保证被加工工件的质量，降低加工成本。

在众多镀膜技术中，离子镀和磁控溅射技术已被广泛应用。电弧离子镀具有离子能量高、离化率高、膜层致密和附着力强等优点，但电弧离子镀制备的薄膜容易含有弧光放电过程所产生的显微喷溅颗粒，不仅影响表面的粗糙度，而且破坏膜的连续性。与电弧离子镀相比，磁控溅射沉积技术在沉积过程中，电子对基体的轰击能量小，容易实现薄膜的低温沉积，使基体不产生回火软化，避免了基体与所沉积的薄膜之间存在较大的硬度差，也不存在表面显微喷溅颗粒污染的问题，所以磁控溅射所制备的薄膜表面平整、致密，无明显的孔洞和电弧沉积时的大颗粒。

TiN薄膜具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数和良好的化学稳定性，已广泛应用于机械加工中的工模具涂层。但是，TiN薄膜与硬质合金和陶瓷刀具基体的附着力较差，在切削力作用下容易从基体上脱落，严重影响TiN涂层刀具的切削性能和使用寿命。随着高速切削加工时代的到来，TiN膜已无法满足高速切削条件下对涂层高耐磨性、高热稳定性及高抗氧化性等综合机械性能的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，结合离子镀和磁控溅射两种镀膜技术，提供一种抗磨损性能好、使用寿命长、薄膜与基体材料之间结合力大的Ti/TiN/TiAlN复合镀层。

本发明的另一个目的在于提供一种上述Ti/TiN/TiAlN复合镀层的制备方法，即首先在基体上镀覆膜基结合力好但表面粗糙度大的过渡层，然后镀覆平整镀层以提高复合镀层表面质量。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种切削刀具材料表面的Ti/TiN/TiAlN复合镀层的制备方法，包括下述步骤：

（1）将切削刀具材料表面进行清洗；

（2）利用离子镀设备依次镀覆Ti层、TiN层；

（3）利用磁控溅射设备镀覆TiAlN层，得到Ti/TiN/TiAlN复合镀层。

优选地，所述Ti层的镀覆条件为偏压-200伏、占空比为20%，单弧靶电流为70安培，电压为18～25伏；镀膜时间为10分钟。

优选地，所述TiN层的镀覆条件为氮气流量调整为80SCCM（标准毫升每分钟），镀膜时间为5～30分钟。

优选地，所述TiAlN层的镀覆条件为抽真空至3×10^-4Pa以上，将氮气流量调整为2～4SCCM，基体材料温度控制在430～460℃，靶源功率为6～8W/cm²，偏压为-150伏，镀膜时间为90分钟。

优选地，所述清洗为先进行表面清洗，然后进行离子清洗。

优选地，所述表面清洗是将刀具材料在丙酮和酒精中用超声波依次清洗15分钟，然后烘干。

优选地，所述离子清洗是将刀具材料装入多弧离子镀膜机中，抽真空至6.5×10^-3Pa以上，温度控制在200～230℃，加偏压-700伏，占空比为40%；启动单弧靶源，电流70A，电压18～25伏；用高纯氩轰击刀具材料表面进行清洗，清洗时间为5分钟。

优选地，所述Ti层、TiN层镀覆及离子清洗中，刀具材料距靶源距离均为150mm，刀具材料自转或公转；TiAlN层镀覆中，刀具材料固定在样品架上，距靶源70mm。

优选地，所述刀具材料为高速钢切削刀具材料：W6Mo5Cr4V2（简称M2钢）。

上述方法制备的Ti/TiN/TiAlN复合镀层，是在切削刀具材料表面依次镀有Ti层、TiN层、TiAlN层，所述Ti层和TiN层为过渡层，在过渡层与TiAlN层之间嵌有微米级大颗粒，该大颗粒是离子镀Ti和TiN过渡层时沉积在膜面上的钛滴。其中，所述Ti层厚度为80～150nm，TiN层厚度为100～450nm；TiAlN层厚度为1.0～2.5μm；Ti/TiN/TiAlN复合镀层的总厚度为1.7～3μm。一般情况下大颗粒会影响薄膜连续性和表面平整性，降低综合性能，但本发明的方法使得大颗粒随着薄膜的沉积，表面会长出与膜面组织相似的结构，提高薄膜连续性和表面平整性，降低了大颗粒的影响，提高复合镀层耐磨性能及寿命。