[发明专利]一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具及其制备方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，应用于机械加工行业，属于机械切削刀具加工领域，本发明还提供了上述刀具的制备方法。

背景技术

随着汽车、飞机制造，航空航天等现代加工制造业的不断发展，高速高效切削成为加工制造业的主流技术。高速高效切削是一项复杂的系统工程，涉及机床、刀具和材料等诸多领域技术配合和技术创新。高速高效切削加工要获得良好的应用效果，必须是高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和基于特定加工对象的切削工艺的结合。而传统刀具硬质合金刀片高速铣削钢件时，由于它在高温下受到交变热负荷的作用，刀具的最终破损表现为以下多种型式：(1)刀具脆性剥落；(2)在刀具前后面上产生与切削刃大致相互垂直的热震梳状裂纹；(3)刀具后隙面磨损；(4)刀刃产生大块崩刃。因此导致其无法满足高端制造业对先进数控加工工艺的要求。

90年代发展起来的硬质合金涂层刀具，集成了强度、韧性和硬度等优势，它的出现是刀具历史上的一个重要里程碑。硬质合金刀具是指在硬质合金基体上，利用物理气相沉积技术涂覆一层耐磨性好的功能涂层，涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件之间的化学反应和扩散，从而减少磨损，延长寿命。涂层后的刀具寿命一般可延长3～5倍，目前在一些发达国家，涂层刀具的使用量已经达到总数的70％～80％。目前我国硬质合金超硬涂层刀具产品已占刀具总产量的40％以上，年产值300亿人民币以上，且每年仍以3～5％的速度递增。

在涂层刀具的发展中，涂层结构由最初的单元发展为多元，由最初的单层发展为多层，结构性能随着工业要求的提高而不断更新换代。纳米晶复合多层涂层能兼顾单层涂层的一些性质，拥有更加良好的机械性能，适合更高的机械加工切削刀具要求，同时也符合“绿色制造业”理念的要求，具有良好的市场前景和显著的竞争力。

ZL200910044474.5公开了一种周期性沉积的多涂层刀具及其制备方法，该多涂层刀具涂层是以“TiN层到TiSiN层到TiAlSiN层到TiSiN层”为一个周期的多周期涂层。ZL200910099424.7申请了一种TiAlN～TiBN多层厚膜，该多层厚膜由磁控溅射的TiAlN层和电弧离子镀的TiBN层交替沉积而成。此两项专利技术所制备涂层虽然硬度较高，但是制备过程复杂，用于实际生产可操作性不高，没有太大的工业化应用价值。

发明内容

本发明提供了一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，该涂层刀具具有较高的硬度、良好的耐磨性。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具，至少包括刀具基体，所述的刀具基体上由内至外依次附着有过渡层和耐磨层，过渡层和耐磨层的总厚度为0.5～4μm，过渡层为TiN，过渡层厚度为100～200nm，耐磨层由TiBN层和TiAlSiN层交替复合构成。

耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为5～10nm。

所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金。

所述的耐磨层包含有TiN纳米晶，其中TiN纳米晶的粒径为3～10nm。

本发明中还提供了制备上述氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的方法，该制备过程简单易行，极易于工业化生产。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种制备上述氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的方法，包括以下步骤：一种制备权利要求1所述的氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具的方法，包括以下步骤：(1)、将表面洁净的刀具基体装夹在工件架上，在300～500℃、1.5～2.5Pa氩气环境、基体偏压为－600～－800V、占空比80％条件下，采用氩等离子体对刀具基体进行辉光清洗30～90min；

(2)、辉光清洗结束后，在氮气环境、气压为0.2～0.7Pa、－100～－250V偏压条件下，打开Ti靶，靶电流50～150A，在刀具基体上沉积TiN过渡层；

(3)、在氮气环境、气压为1.0～5.0Pa、－100～－250V偏压条件下，打开TiB₂靶和TiAlSi靶，靶电流50～150A，在过渡层上沉积耐磨层。

耐磨层中每层TiBN层+TiAlSiN层的厚度为5～10nm。

所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金。

步骤(2)和步骤(3)中，沉积过程中工件架转速为2～4rpm。