[发明专利]一种高硬度AlCrN纳米复合涂层及其制备工艺

说明书

本发明涉及一种纳米复合涂层及其制备技术，具体地说是一种具有高Al含量的AlCrN纳米复合涂层的制备工艺。采用电弧离子镀技术在金属或硬质合金基体上制备AlCrN纳米复合涂层。选用纯金属Al和Cr作为靶材，通过控制Al靶和Cr靶的电流，调控涂层中Al和Cr元素的含量。纯Cr靶和Al靶各4个，相间地均匀分布在炉体内壁上。镀膜前先通入Ar气，采用‑600~1000 V偏压，对基片进行辉光清洗10~20 min，随后开启Cr靶，对基体进行轰击清洗，并逐渐降低偏压至‑30~100V，沉积金属Cr层。最后再通入N₂，开启Al靶，沉积AlCrN涂层。本发明涉及的AlCrN纳米复合涂层制备工艺简单，容易工业化生产；制备出的AlCrN涂层具有很高的硬度和强度，良好的耐高温氧化性能和耐蚀性能。

技术领域

本发明涉及一种新型涂层制备技术，具体地说是一种高硬度和高Al含量的AlCrN纳米复合涂层的制备工艺。

背景技术

随着现代制造业的发展，钛合金、高温合金和超高强度钢等难加工材料的广泛应用，针对各种难加工材料的高速超高速切削、高速硬态切削、绿色干切削和精密超精密切削等先进机械加工工艺层出不穷。采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命、切削效率和加工表面质量，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。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点，涂覆在刀具上，其作为化学屏障和热屏障，可以减少刀具与工件间的扩散和化学反应，减少月牙洼磨损，目前发达国家已超过80%的刀具上会使用涂层刀具，并还在不断上升。

CrN涂层具有很好的抗高温氧化性能，耐蚀性能和抗粘着磨损性能，广泛应用于各种切削刀具和模具上。但是单一的CrN涂层硬度不高，因而抗磨料磨损性能差。为进一步提高CrN的硬度和抗磨料磨损性能，通常在CrN涂层中添加元素Al或Si等元素，通过固溶强化或细晶强化机制，以提高涂层的硬度。Al元素的原子半径比Cr小，固溶于CrN相，可以细化晶粒。另外，Al在高温下可以形成稳定的Al₂O₃膜，Al₂O₃比Cr₂O₃在高温下更加稳定，同时与基体具有更低的PBR值，可以降低氧化膜与涂层之间的生长应力，从而具有更好的抗高温氧化性能。有研究表明：涂层中Al含量越高，涂层的硬度和抗高温氧化性能更高。但涂层中Al含量过高，Al/(Al+Cr)比值超过77 at.%时，Al与N元素会形成低硬度的六方相AlN（12 GPa），降低涂层的硬度、弹性模量等力学性能。为了防止hcp-AlN相形成，同时充分发挥有效元素Al的作用，本发明采用电弧离子镀技术在高速钢和硬质合金基片上制备了一种高Al含量的Al_xCr_1-xN涂层（x=0.5~0.75）。该涂层由面心立方体结构的（Al，Cr）N相组成，具有较高的硬度、抗高温氧化性能和耐蚀性能，能够广泛应用于现代高速干切削加工领域，以提高刀具的使役寿命，降低切削液的使用量，实现绿色制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具高硬度、高耐蚀性和高热稳定性能的AlCrN纳米复合涂层及其制备工艺。

本发明的技术方案为：