[发明专利]一种TiSiVN多组元复合梯度刀具涂层及其制备方法

说明书

一种TiSiVN多组元复合梯度刀具涂层及其制备方法，涉及刀具涂层领域,该刀具涂层包括依次沉积于刀具基体表面的TiN结合层、TiSiVN梯度层和TiSiVN功能层,所述TiSiVN梯度层为不同V含量叠层结构，V含量随着涂层叠层增加而增加,所述TiSiVN多组元复合梯度刀具涂层总厚度为1‑10um，本发明在TiSiN涂层中加入V元素可改善TiSiN涂层结构，提高其耐磨性、耐腐蚀性以及抗热震性能，同时，在TiSiVN涂层中，通过生成的Si3N4包覆纳米晶过渡金属氮化物(TiN），大大细化了晶粒以及增加了涂层硬度，选用TiN作为打底层能提高打底层与基体的结合力，同时与TiSiVN涂层有更好的适应性，有效降低因为涂层间材料不匹配而造成的内应力增大问题。

技术领域

本发明涉及刀具涂层领域，具体涉及一种TiSiVN多组元复合梯度刀具涂层及其制备方法。

背景技术

采用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积(PVD)方法在刀具表面涂覆一层硬质涂层是提高材料表面性能的一种经济实用的有效途径。硬质涂层作为机械功能膜的一个重要分支，在机械加工工具中应用很广，特别是在金属切削中占了主导地位。硬质涂层能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命。

TiSiN 涂层具有良好的化学稳定性、高的热硬性、良好的抗氧化性、高的膜/基结合力以及优异的耐磨性，是目前应用范围最广的工具表面硬质涂层之一，适合各种干切削场合并逐步替代 TiN 涂层。随着高速切削的快速发展，TiSiN 涂层逐渐难以满足现代刀具高速切削的要求，针对 TiSiN 基多元涂层的研究在近几年得到了国内外广泛的关注，通过掺杂微量元素对 TiSiN 涂层结构及性能进行优化是提升 TiSiN 涂层综合性能的有效方法。

耐磨性是指材料的耐磨损性能，其与涂层组织结构有很大关系，在 TiSiN 涂层中加入 V 元素可改善TiSiN涂层结构，提高其耐磨性、耐腐蚀性以及抗热震性能。当 TiSiVN涂层中 V 含量较低时，随 V含量的增加，涂层硬度降低，耐磨性比 TiSiN涂层更优良。V 的加入使 TiSiN 涂层晶粒细化，组织更加致密，能够有效防止涂层的失效。对比目前市面上最为通用的TiAlN,TiSiN,AlCrN等涂层，TiSiVN涂层的除了具有上述硬度、耐磨性增加以外，其在高温的自润滑性能则为其亮点。在加工过程中，V的析出能与空气中的02结合生成钒氧化物，该氧化物具有较低的摩擦系数，能明显改善加工过程中刀具与切削材料的接触条件，并在高温下维持较长的时间，从而通过降低摩擦力降低切削温度。常规的TiAlN,AlCrN等涂层，是在高温下生成该高温的Al2O3从而提高刀具的耐热性能。而TISiVN则是通过降低摩擦系数提高刀具耐热性能。相比之下，在高温过程拥有自润滑性能的涂层刀具更适合于高速干式或准干式切削加工。

而在涂层制备过程中，V的突然加入会使得含V的涂层与基体或打底层产生较大的内应力，从而使得涂层在加工过程中失效。而对于含V的多层涂层来说，在加工中高温会融化VN，从而使得表层涂层漂浮在融化的VN层上，大大降低了涂层的切削寿命。因此，梯度涂层是解决V涂层结合力问题的最佳方案。V涂层从里到外含量渐渐增加，不仅有效提高了与打底层和基体的结合力，并极大地避免了在高温下涂层中部融化出现的漂浮问题，同时V可以不断向外析出，使得V始终存在涂层刀具表层，而并不被其它涂层阻隔析出。针对含V涂层来说，设计梯度结构是解决其结合力及加工过程中具润滑性能的氧化物因高温融化而造成过早失效问题的有效解决方法。

随着高速加工技术及各类高性能难加工材料的发展，对金属切削刀具性能提出了越来越高的要求，不仅要求其具有较高的硬度、耐磨、耐冲击性能，更要求其具有较高的耐高温性能，以满足越来越高的工程需要。为适应于高速切削条件下对涂层性能的苛刻要求，有必要设计并制备一种具有更高硬度和耐磨性的纳米复合涂层刀具。

发明内容