[发明专利]一种多层AlCrN切削刀具涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种刀具涂层及其制备方法，尤其涉及的是一种多层AlCrN切削刀具涂层及其制备方法。

背景技术

刀具的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，都是从表面开始的。涂层刀具是利用气相沉积方法在高强度的硬质合金和高速钢基体上（HSS）基体表面涂覆几个微米的高硬度、高耐磨性的难熔金属或非金属化合物涂层。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化和摩擦系数小等特性。TiC和TiN是最早出现的刀具涂层材料。TiC涂层抗磨料磨损能力强，具有高的抗刀面磨损能力；TiN涂层摩擦系数小，应用温度高于TiC，适于加工钢材或切削易于粘在前刀面上的材料。随着现代高速高效加工和难加工材料日益增多对刀具材料的苛刻要求，TiC和TiN涂层的硬度和抗高温氧化能力已满足不了材料加工的需要。AlCrN涂层是近10年发展最为迅速的刀具涂层之一，AlCrN涂层具有较低的导热系数以及较高的抗高温氧化能力。Balzers公司制备的AlCrN涂层硬度达3200HV，在温度达到1000℃时仍可保持其硬度；与钢材的摩擦系数为0.35～0.4，残余压应力为3GPa，其韧性超过TiAlN及TiCN涂层，非常适合断续切削和难加工材料的加工。但AlCrN涂层的推广和应用还存在着大量的有待解决的问题，比如膜基结合力及钢材切削性能的进一步提高、内应力的减小等。

物理气相沉积（PVD）技术是现阶段制备刀具涂层的主流技术主要包括磁控溅射和阴极弧电弧离子镀。电弧离子镀具有离化率高、适合工业化大面积生产的优点，在负偏压加速下，沉积膜层结合力好，组织致密，沉积速率高，目前已被广泛用于硬质耐磨涂层和高温防护涂层涂覆。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种多层AlCrN切削刀具涂层及其制备方法，具有硬度高、摩擦系数低、结合强度高、高温稳定性好，沉积涂层刀具适用于高速条件下的高硬度钢材料切削加工的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的一种多层AlCrN切削刀具涂层，包括由下至上依次沉积于刀具基体表面的Cr界面植入层、CrN结合层、CrN/AlCrN支撑层和AlCrN功能层；所述Cr界面植入层沉积于刀具基体的表面，Cr界面植入层的厚度为50～300nm；CrN结合层的厚度为0.1～1μm，CrN/AlCrN支撑层的厚度为0.5～3μm；AlCrN功能层的厚度为1～3μm；所述CrN/AlCrN支撑层为CrN和AlCrN调制纳米多层渐变结构，调制周期为2～10nm。

CrN结合层用于改善涂层与刀具基体的结合，渐变结构的CrN/AlCrN支撑层能够改善涂层韧性及强度，降低内应力，AlCrN功能层起到在切削的时候适应切削环境生成低摩擦的稳定氧化膜的作用。

所述AlCrN功能层中，按原子数百分比计，AlCrN功能层的成分包括Al39～45%，Cr20～28%，N30～50%。

所述AlCrN功能层中还包括其他合金元素，所述其他合金元素选自Si、B、C、Y中的一种或多种，按原子数百分比计，其他合金元素的含量为1～4%。加入适当的合金元素可以提高刀具的硬度或者降低摩擦系数。

一种多层AlCrN切削刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）将基体清洗后放入基片架，对基体表面进行辉光清洗；

（2）打开金属Cr靶，沉积Cr界面植入层，然后在Cr界面植入层上沉积CrN结合层；

（3）开启Cr金属和AlCr合金靶，在CrN结合层上沉积CrN/AlCrN支撑层；

（4）在CrN/AlCrN支撑层上沉积AlCrN功能层。

所述步骤（1）中，辉光清洗的条件为：当真空室的本底真空度为1×10^-4～1×10^-2Pa时，通入Ar气并控制气压在1×10^-2～8×10^-1Pa，基片温度200～500℃，负偏压-800～-1200V，轰击时间5～30min。