[发明专利]一种超润滑多层纳米复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及涂层合成技术领域，更具体地，涉及一种超润滑多层纳米复合涂层及其制备方法。

背景技术

现代化的金属切削加工，要求刀具有高切削速度、高进给速度、高精度和良好的切削控制性等性能。同时，高硬度、高耐磨性材料正越来越多地被用来制造汽车发动机零件以及精密模具等。这些材料硬度高达HRC 48-65，加工时切削力大且切削温度高，导致刀具快速失效，对刀具综合性能要求十分苛刻。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。大多数刀具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，而硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数的特点，使刀具的性能得到大大提高。随着高速切削技术和难加工材料的发展，刀具涂层材料已进入到多元、多层和纳米结构的新阶段。

纳米复合涂层刀具的性能与涂层的结构设计有紧密的关系。多层或梯度的涂层设计可提高涂层与基体的结合力、涂层韧性和抗裂纹扩展能力，实现各层所具有的复合功能，专利号为201110176393.8的中国专利公开了一种含周期性涂层的复合涂层刀具，该复合涂层包括位于底层的TiAlN基底层和位于表层的周期性涂层，该周期性涂层是以“TiSiN层到TiAlSiN层到TiAlN层”为一个循环周期的多周期涂层，该周期性涂层缓解了涂层内部应力、阻止裂纹扩展，使复合涂层保持高硬度、优异的高温抗氧化能力及高温稳定性能，但该道具涂层的摩擦系数还不能达到高速条件下的铝合金和高硬度钢材料切削加工，使用寿命较短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有刀具涂层研究技术的不足，提供一种硬度高、摩擦系数低、韧性好的纳米复合涂层。

本发明的第二个目的是提供含有上述涂层的刀具。

本发明的第三个目的是提供上述刀具的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种超润滑纳米多层复合涂层刀具，包括刀具基体和从内到外涂覆于刀具基体的Cr金属结合层、CrN过渡层、梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层、纳米复合TiAlSiCN功能层和DLC表面润滑层。

呈渐变式结构的梯度涂层可以使基体与涂层热膨胀系数和力学性质均匀过渡，从而降低了内应力，改善了涂层的结合强度和韧性，消除刀具涂层的疲劳失效。纳米周期性涂层是指由两种或两种以上成份或结构不同的材料在涂层生长方向上交替沉积而形成的层状结构。纳米周期性涂层的调制周期和调制比相对较易控制，通过对周期性涂层中界面相的存在形式及厚度的控制有助于提升周期性涂层的高温硬度及韧性；同时纳米周期性结构涂层由于大量界面的存在会导致裂纹偏转和能量耗散，可提高涂层的韧性及切削性能。但在技术上获得梯度结构纳米周期性涂层的难点在于找到合适的涂层元素及合适的涂层周期周期及周期厚度，从而达到提高涂层韧性和结合强度，同时降低涂层应力的目的。

同时发明人通过实验发现，采用梯度结构纳米周期性支撑层的涂层的综合韧性、结合强度大幅度提高，涂层应力大大减小。相比于单纯的梯度涂层或者周期性涂层效果好很多。

本发明各层的作用为：Cr金属结合层可以提高复合涂层的结合力，CrN过渡层用以提高结合层和支撑层的结合性及结合强度，梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层用以降低、纳米复合TiAlSiCN功能层和DLC表面润滑层。梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层用以降低多层复合涂层的内应力，提高涂层的结合强度和韧性，降低内应力；纳米复合TiAlSiCN功能层兼具高硬度及低摩擦系数，在切削高硬度、高耐磨性难加工材料方面具有良好的表现，而表面润滑层DLC具有较低的摩擦系数，可以减少磨料磨损，提高刀具寿命。

发明人采用这样的涂层搭配是为了实现各层的复合功能，在提高结合离，韧性，降低应力的同时降低涂层的摩擦系数，实现在涂层刀具在高速加工难加工材料方面的优异表现。

同时，发明人通过实验研究发现，每个涂层的厚度同样会影响刀具的性能，涂层过厚会对复合涂层与刀具基体之间的结合强度产生消极影响（涂层后不仅产生过高的应力，还容易导致涂层剥落），涂层过薄，则不能达到最优的刀具性能，因此，优选地，所述梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层是以TiSiN层到TiAlN层为一个循环周期的多周期涂层，所述以TiSiN层到TiAlN层为一个循环周期的涂层厚度为6～24 nm；所述梯度结构纳米周期性TiSiN-TiAlN支撑层的厚度为400～800 nm。