[发明专利]刀具表面多元多层涂层制备方法

说明书

本发明公开了一种刀具表面涂层的制备方法，其包括以下步骤：（1）将给定配比的钛粉末和铝粉末混合均匀，制成TiAl靶材；（2）制备纯度99.99%的Cr靶材和Si靶材；（3）对清洁后的刀具表面进行打磨、抛光、超声波清洗处理；（4）采用磁控溅射工艺三靶材溅射刀具表面；（5）在真空室下冷却一段时间（防止涂层氧化开裂）取出刀具；（6）依据本发明的制备方法所制备涂层具有硬度高、高耐磨、抗氧化而且自体无污染。

技术领域

本发明涉及一种多元多层刀具涂层，属于切削加工领域。

背景技术

金属切削技术的快速发展对制造技术乃至整个制造业水平的提升影响显著，随着金属切削工艺的发展，特别是高速切削、高效切削、干式切削和硬切削等新工艺的出现，对金属切削加工刀具提出了更高的技术要求。目前，对于切削金属的刀具存在耐磨性，耐热性，抗氧化性等都不高的特点，严重影响刀具的使用寿命。刀具涂层的出现提高了刀具综合性能，但是目前刀具涂层存在涂层与基体的结合力差，抗氧化能力差等问题。刀具涂层的发展从单一涂层到多元涂层再到多层涂层发展。刀具涂层技术分别有化学气象沉淀技术、物理气象沉淀技术、热喷涂、溶胶凝胶等，而气象沉淀制备涂层质量最好。磁控溅射技术（物理气象沉淀）：靶材在稀薄氩气环境中异常辉光放电产生等离子体，溅射基体上。溅射镀膜的特点是沉积速率稳定、重复性好、均匀致密、附着力好，镀膜理论密度可达到98%。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有耐磨、抗氧化，而且自体无污染的刀具表面涂层制备方法。

（1）将给定配比的钛粉末和铝粉末混合均匀制备成靶材（2）对清洁后的刀具表面进行打磨、抛光处理、超声波清洗；（3）采用磁控溅射工艺将等离子体溅射在刀具的表面；（4）刀具在真空室内冷却一段时间防止涂层氧化开裂；根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备纯度99.99%TiAl靶材（Ti:Al=40:60at%），制备纯度99.99%的Cr和Si靶材；磁控溅射工艺参数为真空度为2.5x10^-3pa，工作气压为0.4pa；靶基距为18cm；TiAl靶材溅射功率为90W，Cr、Si溅射功率为45W；溅射顺序：开Cr(DC)靶溅射10min；同时通入氮气，每隔15min交替打开TiAl（RF）和Si（DC）靶溅射60min；同时打开所有靶溅射180min；基体温度200℃；基体偏压：-50v；气体流量比Ar:N₂=30：20sccm；基体转动速度为20r/min。

制备涂层中结合层提高了涂-基结合力，过渡层可以有效的提高整个涂层的综合性能，外膜层在高温高速摩擦环境中产生Al₂O₃，与一部分Cr元素形成（Cr，Al）₂O₃阻止向内氧化，提高了抗氧化能力；Cr与N形成CrN,CrN涂层具有良好的耐高温、耐磨损、耐腐蚀、粘着性、摩擦因数较低等优点；Si元素以Si₃N₄非晶相形式包覆在TiAlN晶界，一方面起到了细化涂层晶粒尺寸提高涂层硬度的效果，另一方面还可以提高涂层的热稳定性能。Si、Cr、N形成SiCrN，SiCrN具有很好的抗磨损性能,并具有一定的润滑作用；相对于单一TiAlN涂层，多元多层涂层在综合性能方面有了较大的提高,延长了刀具的使用寿命，提高了加工质量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。图中，1-基体；2-结合层；3-复合过渡层；4-外膜层。

具体实施

本发明提供了一种带有TiAlSiCrN涂层的刀具，包括刀具基体1，刀具本体1表面涂抹有结合层2，结合层2表面涂抹有过渡层3，过渡层3表面覆盖外膜层4。结合层2为Cr涂层，过渡层3为TiAlCrN、SiCrN交替涂层，外膜层4为TiAISiCrN涂层。涂层总厚度为4～5μm。

上述技术方案中所提供的带有TiAlSiCrN涂层的刀具，在制作时，1、刀具基体砂纸打磨、抛光、丙酮超声波清洗20min；2、靶材、基体放入真空室，开机械泵、分子泵抽真空至4.1×10^-4Pa；3、通入氩气（99.999%）至0.4pa，加负偏压-400V,清洗靶材时间25min；4、开直流电源加热基体至温度200℃；5、制备Cr结合层层：氩气流量为30sccm，靶材功率45w，时间10min，通过调控气瓶与插板阀控制真空室工作气压为0.4pa不变；6、制备过渡层：每隔15min交替打开TiAl、Si靶材，时间60min、通入氮气（99.999%）（氮气流量为10sccm），同时调控气瓶与插板阀控制真空室工作气压为0.4pa不变，气体流量比Ar:N₂=30：20sccm，7、打开所有靶材，工作气压不变，镀膜时间180min。8、真空冷却、取出样品（冷却五小时以上）。保持基体转动速度保持为20r/min、偏压-50V等其他条件都不变。从而制得刀具涂层，涂层厚度4～5um，利用硬度测试仪测得硬度40GPa，利用划痕仪测得膜层与刀具结合力75N，相同试验条件下利用摩擦磨损试验机比较有无涂层刀具磨损体积，磨损深度，有涂层刀具磨损体积更小，磨损深度更浅。上述实验条件可上下轻微浮动。