一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具及其制备方法技术

一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具及其制备方法，属于薄膜材料技术领域，涂层刀具包括硬质合金刀具本体，刀具本体上涂镀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构成，该纳米复合涂层具有纳米晶颗粒镶嵌于非晶基体的纳米复合结构，纳米颗粒为TiN和ZrN，而非晶基体包括Al2O3和Si3N4，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复合涂层具有硬度高、摩擦系数低、韧性和结合力强，优异的抗高温氧性，综合性能超过目前工业化生产的TiN，CrN以及Ti-Al-N涂层，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。

【技术实现步骤摘要】
一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具及其制备方法
本专利技术涉及一种涂层刀具，具体涉及一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具及其制备方法，属于薄膜材料领域。
技术介绍
现代化的金属切削加工，要求刀具有高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性等性能。涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破，它将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，而硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数的特点，使刀具的性能得到大大提高。现代高速高效加工和难加工材料使用日益增多对刀具材料的苛刻要求，刀具涂层材料也在不断升级更新。纳米复合结构涂层是孤立的纳米晶体（如nc-TiN）镶嵌在很薄的非晶基体（如a-Si3N4）中的一种复合结构涂层，纳米晶具有比较高的硬度，非晶相具有高的结构弹性，两相界面有高的内聚能，晶体相和非晶相在热力学上呈分离趋势，因此，这种涂层具有超高硬度(>40GPa)、高韧性、优异的高温稳定性和热硬性(>1000℃)、高的抗氧化性等，适应于高速加工难加工材料对刀具涂层的高硬度、高韧性、高耐磨性和高温性能的要求。CN201310489244.6公开了一种涂层切削刀具及其制作方法，该涂层切削刀具包括基体和基体上涂覆的单层或多层涂层，所述涂层为（Ti1-aMea）X涂层，其中，Me为化学元素Al、Cr、Zr、Si、Hf、Nb、W和Ta的其中一种或几种，X为化学元素N、C、O和B的其中一种或几种，a在0.2到0.6之间；（32-42）CN201310476304.0公开一种高硬度、高弹性模量TiSiN保护涂层的制备方法，包括基体清洗，TiSiN层制备等步骤。但这两个专利提供的涂层专利存在着涂层的力学性能硬度不够大的问题，不能适应某些工作条件的需求。而CN201320550155.3公开了一种类金刚石基纳米复合涂层刀具及其制备方法，所述的刀具基体上由内至外依次附着有连接层、梯度层和主耐磨层，连接层附着在刀具基体上，连接层为Mo，梯度层附着在连接层上，梯度层为Mo-C层，梯度层中碳含量由内至外逐渐增多，主耐磨层附着在梯度层上，主耐磨层为掺杂有碳化钼的类金刚石涂层，即M℃-DLC层；虽然此专利制备出的涂层刀具力学性能好，但是制备成本较高且抗高温能力较弱。TiZrAlSiON纳米复合涂层具有纳米晶（TiN，ZrN）镶嵌于非晶基体（Al2O3,Si3N4）的多元纳米复合结构，硬度接近40GPa，抗氧化温度超过1000℃，是一种优异的超硬、耐磨损、耐高温涂层。国内外文献及资料中未见有相关TiZrAlSiON纳米复合涂层的制备，因此，本专利技术提供一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具及其制备方法，该纳米复合涂层采用多弧离子镀结合双极脉冲磁控溅射技术制备，具有纳米晶颗粒镶嵌于非晶基体的纳米复合结构，即纳米颗粒为TiN和ZrN镶嵌于非晶基体Al2O3和Si3N4中，将对提高现代化的金属切削加工水平提供重要帮助。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为现代高速高效加工行业提供一种TiZrAlSiON超硬纳米复合涂层刀具及制备方法，该纳米复合涂层具有硬度高、摩擦系数低、韧性和结合力强，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。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种TiZrAlSiON纳米复合超硬涂层刀具，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，为多层复合结构：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；更进一步，TiZrAlSiON纳米复合涂层的微结构为：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；更进一步，TiZrAlSiON纳米复合涂层制备方法是：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；更进一步，TiZrAlSiON纳米复合涂层的具体制备工艺及步骤为：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到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；更进一步，TiZrAlSiON纳米复合涂层的力学性能：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。更进一步，TiZrAlSiON涂层的氧元素含量及控制为：氧气反馈装置精确控制涂层的氧含量至3-10at.%。本专利技术相对于现有技术的有益效果是：本专利技术针对现有金属高速加工刀具涂层技术存在的问题和刀具性能的缺陷，提供一种硬质合金刀具纳米复合TiZrAlSiON涂层刀具及制备方法，其有效效果为：（1）一方面通过Zr金属打底层和ZrN过渡层提高涂层刀具的结合强度和韧性，降低涂层内应力，克服了单层涂层的内应力高、附着力差的缺点，另一方面O元素的掺入可以进一步提高涂层的抗高温氧化能力；（2）该纳米复合TiZrAlSiON涂层具有硬度高、摩擦系数低、结合力强、抗高温氧化性能好等特点，在超细晶硬质合金刀具表面耐磨润滑抗高温方面表现出很大的优势；（3）开发多层TiZrAlSiON纳米复合涂层并在硬质合金刀具中的应用，可以有效解决现代化金属高速加工刀具涂层技术存在的问题，带来巨大的经济和社会效益。附图说明图1为本专利技术制备TiZrAlSiON纳米复合涂层的设备图；图2为本专利技术中在O2流量为200sccm下制备的TiZrAlSiON涂层的XRD图谱；图3为本专利技术中制备TiZrAlSiON涂层的SEM截面图；图4为本专利技术中最优条件下制得的TiZrAlSiON涂层的Ti2p和Si2p谱；图5为本专利技术制得的TiZrAlSiON涂层的摩擦系数曲线；图6为本专利技术制得的TiZrAlSiON涂层的透射电镜高分辨图像；图7为本专利技术制得的TiZrAlSiON涂层的纳米硬度随压入深度的变化。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术做进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一种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...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹长伟，邵乐喜，谢伟，
申请(专利权)人：湛江师范学院，
类型：发明
国别省市：广东;44