[发明专利]ZrNbC/ZrNbCN叠层涂层刀具及其制备工艺

说明书

本发明属于机械制造切削刀具领域，特别是涉及一种ZrNbC/ZrNbCN叠层涂层刀具及其制备工艺，本发明采用非平衡磁控溅射+中频磁控溅射的复合镀膜方法，直接采用非平衡磁控溅射ZrNbC复合靶为碳源，且沉积温度控制在300℃以下，可在更为广泛的刀具或工具基体上制备，所制备的ZrNbC/ZrNbCN叠层涂层刀具综合了ZrNbC碳化物涂层、ZrNbCN碳氮化合物涂层及叠层结构的优点，具有很高的硬度和韧性，良好的减摩润滑及耐摩擦磨损性能，优异的化学稳定性和抗剥离性，能够显著提高涂层刀具的切削性能，可减小干切削过程中刀‑屑之间的摩擦和粘结。所制备的ZrNbC/ZrNbCN叠层涂层刀具可广泛应用于大多数淬硬钢，不锈钢，铸铁，非铁金属和高温合金的连续或断续切削加工。

技术领域

本发明属于机械制造金属切削刀具领域，特别是涉及一种ZrNbC/ZrNbCN叠层涂层刀具及其制备工艺。

背景技术

当代切削加工技术的快速发展对刀具的材料和性能提出了更高的要求，干式、高速切削成为刀具切削发展的方向。在刀具表面沉积硬质薄膜成为改善和提高刀具使用性能的重要途径。TiCN是目前最广泛使用的三元碳氮化合物硬质涂层，TiCN涂层由于兼具TiC的高硬度和TiN的良好韧性，显著提高了其摩擦磨损性能(Jinlong Li,Shihong Zhang,Mingxi Li.Influence of the C₂H₂ flow rate on gradient TiCN films deposited bymulti-arc ion plating[J].Applied Surface Science,2013(283):134-144.)，已广泛应用于铣削、攻牙、冲压、成型及滚齿的加工，在高速切削时比普通硬质合金刀具的耐磨性高5-8倍。中国专利“汽轮机转子轮槽铣刀表面TiCN多层复合涂层制备工艺”(专利号201510564738.5)利用Ti、氮气(N₂)与乙炔气体(C₂H₂)在450℃沉积温度下合成了TiCN涂层铣刀，解决了26NiCrMov145材料转子加工难题。

TiCN涂层虽然具有高硬度、低摩擦系数的优点，但同时因其热稳定性和红硬性较差，仅适合应用于低速切削或具有良好冷却条件的场合，需要对传统TiCN涂层结构和制备工艺进行改进。目前，多元化是材料改善力学性能、耐蚀性和耐磨性的有效途径，通过制备多元复合涂层，既可提高涂层与基体的结合强度，又兼顾多种单涂层的综合性能，显著提高涂层刀具的性能。

目前TiCN等碳氮化合物主要通过化学气相沉积技术(CVD)等技术制备，即通过TiCl₄(或Ti靶)、CH₄(或C₂H₂)以及N₂等气体反应生成，沉积温度通常超过400℃，对基体产生不利影响，同时气体碳源容易对涂层设备造成污染，制约了其广泛应用。

层状复合材料是近几年发展起来的材料增强增韧新技术，这种结构是通过模仿贝壳而来，因此又叫仿生叠层复合材料。自然界中贝壳的珍珠层是一种天然的层状结构材料，其断裂韧性却比普通单一均质结构高出3000倍以上。因此，通过模仿生物材料结构形式的层间设计，制备出的叠层复合涂层可以提高目前碳氮化合物涂层的韧性、稳定性及减摩耐磨性等综合性能。

发明内容

针对现有碳氮化合物涂层刀具性能及制备方法的不足，结合层状复合材料结构的优点，本发明目的在于提供一种ZrNbC/ZrNbCN叠层涂层刀具及其制备工艺。

本发明所述的ZrNbC/ZrNbCN叠层涂层刀具，包括刀具基体，在刀具基体表面沉积有涂层，所述涂层自内到外依次为：Ti过渡层、ZrNbC涂层与ZrNbCN涂层交替的复合叠层结构，最外层为ZrNbCN涂层；

其中：

刀具基体材料为高速钢、工具钢、模具钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼中的一种。