一种刀具复合涂层的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种刀具复合涂层的制备方法，具体为：A)将清洗后的刀具装夹在高功率脉冲磁控溅射仪的工件架上，抽真空后开启加热器，再调节电加热器；B)在高功率脉冲磁控溅射仪的腔体中通入惰性气体，开启偏压电源对刀具进行辉光清洗；C)辉光清洗结束后，调节高功率脉冲磁控溅射仪腔体的真空度，开启钛靶沉积Ti层；D)轰击完毕后，打开氮气流量计阀门后沉积TiN层与TiSiN层，冷却后得到刀具涂层。本发明专利技术利用高功率脉冲磁控溅射技术沉积制备TiSiN纳米复合涂层，该TiSiN基刀具涂层制备工艺稳定可靠，重复性强，对难加工材料的高速加工、各种机械零部件产品的性能的提升及装备制造业的发展具有重要的应用价值。

Method for preparing composite coating of cutter

The present invention provides a method for preparing a composite tool, coating concrete: A) tool after cleaning the workpiece clamping frame in high power pulsed magnetron sputtering apparatus on the vacuum after open the heater, then adjust the electric heater; B) inert gas into the cavity of high power pulsed magnetron sputtering apparatus in the glow of open bias power supply cleaning tool; C) glow after washing, regulation of high power pulsed magnetron sputtering apparatus of the vacuum cavity, open titanium target deposition of Ti layer; D) after the bombardment, open the valve after the deposition of nitrogen flow meter TiN layer and TiSiN layer, cooling after coating. The invention uses a high power pulsed magnetron sputtering deposition technique for preparing TiSiN nano composite coating, the TiSiN based coating preparation technology is stable and reliable, repeatable and has important application value on the development performance of hard machining materials of high-speed machining, all kinds of machine parts and the upgrading of equipment manufacturing industry.

【技术实现步骤摘要】
一种刀具复合涂层的制备方法
本专利技术涉及刀具涂层制备领域，尤其涉及利用高功率脉冲磁控溅射技术制备刀具复合涂层的方法。
技术介绍
作为数控、磨具加工技术关键的刀具，其性能对切削加工的效率、精度与表面质量有着决定性的影响。涂层刀具是利用气相沉积方法在高强度的硬质合金或高速钢刀具基体表面涂覆几个微米的高硬度、高耐磨性的难熔金属或非金属化合物涂层。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化和摩擦系数小等特性。MeSiN纳米复合涂层通过在传统的TiN或者CrN等单相涂层中加入一定含量的Si元素，发生热力学上的调幅分解，生成由非晶原子层(Si3N4)包覆纳米晶过渡金属氮化物(TiN，CrN等)的纳米复合结构，由于纳米晶体的强化效应及非晶层限制晶粒的滑移和转动对纳米晶晶界的强化作用，涂层表现出传统硬质涂层难以达到的高硬度，而且涂层高温下的组织稳定性、热硬性和抗氧化性等性能也大幅度提高，适应于高速切削条件下对涂层性能的苛刻要求。但MeSiN纳米复合涂层的推广和应用还存在着大量的有待解决的问题，比如膜基结合力及钢材切削性能的进一步提高、内应力的减小等。磁控溅射镀和电弧离子镀是现阶段制备刀具涂层的两种主流技术，但是电弧离子镀成膜表面会有各种缺陷包括液滴、硬质颗粒和针孔等，这些极大限制了膜的应用范围。传统的磁控溅射技术以其低温沉积、表面光滑、无颗粒缺陷等诸多优点，但溅射金属大多以原子状态存在，金属离化率低，导致膜基结合力较差，涂层易剥落失效。针对现有技术的现状，亟需提供一种膜基结合力优异，且表面结构致密光滑的刀具涂层的制备工艺。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种刀具复合涂层的制备方法，本申请制备了刀具的TiSiN复合涂层，膜基结合力优异，且表面结构致密光滑。有鉴于此，本申请提供了一种刀具复合涂层的制备方法，包括以下步骤：A)，将清洗后的刀具装夹在高功率脉冲磁控溅射仪的工件架上，抽真空，高功率脉冲磁控溅射仪腔体的真空度高于(1～5)×10-3Pa时开启加热器至温度为300～500℃，工件架的转速为2～5rpm，当真空度为(1.2～5.5)×10-3Pa时，调节电加热器至温度为200～400℃；B)，在高功率脉冲磁控溅射仪的腔体中通入惰性气体，开启偏压电源对刀具进行辉光清洗，真空度为0.3～0.9Pa，偏压为800～1200V；C)，辉光清洗结束后将高功率脉冲磁控溅射仪腔体的真空调节为(1～9)×10-1Pa，开启高功率脉冲磁控溅射电源溅射钛靶，轰击刀具基体生长Ti金属结合层，偏压为500～1000V，占空比3～5％；D)，轰击完毕后，偏压降至50～400V，脉冲电源占空比为3％，打开氮气流量计阀门调节真空室气压为0.6～0.7Pa，控制TiSi靶材的功率为1～3KW，峰值脉冲电压为800～1000V，开始沉积TiN过渡层和TiSiN功能层，沉积60～100min，冷却后得到刀具复合涂层。优选的，所述刀具的基体材质为硬质合金基体、不锈钢、高速钢或工具钢。优选的，步骤B)中，所述辉光清洗的时间为10～30min。优选的，步骤C)中，所述刀具轰击的时间为5～40min。优选的，步骤C)中，所述Ti金属结合层的厚度为60～300nm，所述TiN过渡层的厚度为60～300nm。优选的，步骤C)中，所述Ti金属结合层的厚度为100～200nm，所述TiN过渡层的厚度为100～200nm。优选的，所述惰性气体为氩气。优选的，步骤A)中，开启加热器至温度为400～450℃。优选的，步骤C)中，所述偏压为600～800V。优选的，步骤D)中，所述冷却的温度为50℃以下。本专利技术提供了一种刀具复合涂层的制备方法，该方法主要利用高功率脉冲磁控溅射技术制备了TiSiN纳米复合涂层，同时通过控制高功率脉冲磁控溅射过程中的所有参数保证了磁控溅射表面光滑、无颗粒缺陷，且离子束流不含大颗粒，在控制涂层微结构的同时获得了优异的膜基结合力，降低了涂层内应力，提高了涂层的致密性与均匀性。实验测试表明，采用该工艺制备的TiSiN基涂层体系具有超过32GPa的硬度，低达0.3GPa的内应力。附图说明图1为本专利技术刀具的TiSiN基纳米复合涂层的结构示意图；图2为不同偏压条件下制备的TiSiN涂层的XRD图；图3为不同偏压下的TiSiN涂层的表面形貌图。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。本专利技术实施例公开了一种刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：A)，将清洗后的刀具装夹在高功率脉冲磁控溅射仪的工件架上，抽真空，高功率脉冲磁控溅射仪腔体的真空度高于(1～5)×10-3Pa时开启加热器至温度为300～500℃，工件架的转速为2～5rpm，当真空度为(1.2～5.5)×10-3Pa时，调节电加热器至温度为200～400℃；B)，在高功率脉冲磁控溅射仪的腔体中通入惰性气体，开启偏压电源对刀具进行辉光清洗，真空度为0.3～0.9Pa，偏压为800～1200V；C)，辉光清洗结束后，将高功率脉冲磁控溅射仪腔体的真空调节为(1～9)×10-1Pa，开启高功率脉冲磁控溅射电源溅射钛靶，轰击刀具基体沉积Ti金属结合层，偏压为500～1000V，占空比3～5％；D)，轰击完毕后，偏压降至50～400V，脉冲电源占空比为3％，打开氮气流量计阀门调节真空室气压为0.6～0.7Pa，控制TiSi靶材的功率为1～3KW，峰值脉冲电压为800～1000V，开始沉积TiN过渡层与TiSiN功能层，沉积60～100min，冷却后得到刀具复合涂层。本申请提供了一种利用高功率脉冲磁控溅射技术制备刀具涂层的方法，该方法通过限定磁控溅射过程中的参数，使制备的刀具涂层具有优异的膜基结合力、致密光滑的表面结构，且力学性能较好。按照本专利技术，在制备刀具涂层之前，首先需要将刀具进行清洗，所述清洗本申请没有特别的限制，为了避免清洗不彻底而影响刀具涂层的质量，本申请优选采用酒精与丙酮清洗。在清洗之后，本申请则将清洗干燥后的刀具装夹在高功率脉冲磁控溅射仪腔体的工件架上，并开始预抽真空，当腔体真空度高于(1～5)×10-3Pa时开启加热器以去除附着在真空室内壁以及工件架上的气体；加热器的温度调节至300～500℃，此过程中工件架保持2～5rpm，当真空度达到(1.2～5.5)×10-3Pa时，调节电加热器使温度稳定为200～400℃；上述过程为样品进行辉光清洗作准备。预抽真空时，真空度可在高于3×10-3Pa、3.5×10-3Pa或4×10-3Pa时再开启加热器，加热器的控制温度可为350℃、400℃、450℃或480℃等。所述工件的转速优选为3～4rpm。在真空度优选为(2～4)×10-3Pa时，温度优选稳定在250～350℃。本申请对所述刀具的材质没有特别的限制，可以为硬质合金，也可以为不锈钢、高速钢或工具钢。在上述条件达到时，则通入惰性气体，开启偏压电源对刀具进行辉光清洗，此时真空度为0.3～0.9Pa，优选为0.5～0.8Pa，偏压为800～1200V，更优选为900～1200V，所述辉光清洗的时间优选为10～30min，更优选为10～20min。在辉光清洗结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种刀具复合涂层的制备方法，包括以下步骤：A)，将清洗后的刀具装夹在高功率脉冲磁控溅射仪的工件架上，抽真空，高功率脉冲磁控溅射仪腔体的真空度高于(1～5)×10

【技术特征摘要】
1.一种刀具复合涂层的制备方法，包括以下步骤：A)，将清洗后的刀具装夹在高功率脉冲磁控溅射仪的工件架上，抽真空，高功率脉冲磁控溅射仪腔体的真空度高于(1～5)×10-3Pa时开启加热器至温度为300～500℃，工件架的转速为2～5rpm，当真空度为(1.2～5.5)×10-3Pa时，调节电加热器至温度为200～400℃；B)，在高功率脉冲磁控溅射仪的腔体中通入惰性气体，开启偏压电源对刀具进行辉光清洗，真空度为0.3～0.9Pa，偏压为800～1200V；C)，辉光清洗结束后将高功率脉冲磁控溅射仪腔体的真空调节为(1～9)×10-1Pa，开启高功率脉冲磁控溅射电源溅射钛靶，轰击刀具基体生长Ti金属结合层，偏压为500～1000V，占空比3～5％；D)，轰击完毕后，偏压降至50～400V，脉冲电源占空比为3％，打开氮气流量计阀门调节真空室气压为0.6～0.7Pa，控制TiSi靶材的功率为1～3KW，峰值脉冲电压为800～1000V，开始沉积TiN过渡层和TiSiN功能层，沉积60～100min，冷却后得到刀具复合涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：王启民，邹长伟，丁继成，郑军，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44