[发明专利]一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具及其制备方法

摘要

一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具及其制备方法，涂层刀具包括硬质合金刀具本体和TiZrAlSiON纳米复合涂层，TiZrAlSiON涂层包括50‑100纳米厚金属打底层Zr金属层、100‑200纳米厚氮化物过渡层ZrN、1000‑4000纳米厚功能层TiZrAlSiON，制备方法是对硬质合金刀具进行辉光清洗，弧光离子轰击，然后依次沉积打底金属层、过渡金属氮化物层和TiZrAlSiON涂层；所制备的TiZrAlSiON复合涂层硬度高、摩擦系数低、韧性和结合力强，具有优异的抗高温氧性，可以有效地增强切削刀具的韧性及切削性能，提高硬质合金刀具的使用寿命。

主权项

一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具，其特征在于：涂层刀具包括硬质合金刀具本体及本体上涂镀的TiZrAlSiON纳米复合涂层；所述的TiZrAlSiON纳米复合涂层包括50‑100纳米厚金属打底层Zr金属层、100‑300纳米厚氮化物过渡层ZrN、1000‑4000纳米厚功能层TiZrAlSiON；所述的1000‑4000纳米厚功能层TiZrAlSiON具有纳米晶颗粒镶嵌于非晶基体的纳米复合结构，即纳米颗粒TiN和ZrN镶嵌于非晶基体Al2O3和Si3N4中，其中纳米晶颗粒TiN和ZrN的尺寸为5‑15纳米；所述复合涂层的力学性能为具有超过35GPa的超高硬度，0.3左右的低摩擦系数，大于50N的附着力；氧气反馈装置精确控制涂层的氧含量至3‑10at.%；其制备方法如下：其制备方法为采用多弧离子镀结合双极脉冲磁控溅射，多路气体控制制备纳米复合TiZrAlSiON涂层，其中Si元素的获得通过双极脉冲磁控溅射Si圆柱靶获得，Zr、Ti、Al元素的获得则通过多弧离子蒸镀实现，具体步骤为：当真空腔室本底真空达到1×10‑3到8×10‑3Pa时，通过气体控制通入Ar气至1‑3Pa，调节基体温度在300‑400℃、调节基体偏压在‑700‑1000V，基片架转速在3‑8rpm，对经过表面处理的硬质合金刀具进行辉光清洗；辉光清洗结束后，调节基体偏压在200‑300V，基片温度300‑500℃，气压在1‑3×10‑1Pa，开启电弧离子镀Zr靶，控制Zr靶电流在50‑70A，轰击所述硬质合金刀具5‑10分钟，形成50‑100纳米厚的Zr金属打底层；金属打底层沉积结束后，通过气体控制通入N2并控制气压在1‑2Pa，基体偏压在100‑200V、Zr靶电流50‑80A，沉积100‑300nm厚ZrN氮化物过渡层；氮化物过渡层沉积结束后，开启电弧离子镀Zr靶和AlTi合金靶，并控制靶电流在40‑60A，同时开启双极脉冲磁控溅射Si靶，调节电流至5‑10A，然后通过气体控制系统控制氮气和氧气流量，N2和O2分别通入60‑100和200‑400sccm，气压控制在2‑4Pa，沉积1000到4000纳米厚的TiZrAlSiON纳米复合涂层。