一种NbN-TiSiN纳米多层涂层及其制备方法和表面涂覆纳米多层涂层的切削工具技术

本发明专利技术提供了一种NbN

【技术实现步骤摘要】
一种NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层及其制备方法和表面涂覆纳米多层涂层的切削工具


[0001]本专利技术涉及保护性涂层
，具体涉及一种NbN
‑
TiSiN纳米多层涂 层及其制备方法和表面涂覆纳米多层涂层的切削工具。

技术介绍

[0002]在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定 性的影响。许多难以进行切削加工的硬质材料被陆续投入使用时会加快刀具 的损耗和脆断，导致刀具已经无法满足市场上高效耐久的工业需求，刀具的 结构材料以及刀具性能很大程度上会决定刀具的切削性能。硬质纳米多层涂 层是刀具防护涂层中的一个主要类型，由于受到了硬质纳米多层涂层的保 护，刀具可有效的提高其切削使用寿命和综合力学性能进而提高机械加工效 率。
[0003]过渡族金属氮化物NbN具有良好的机械性能、良好的抗疲劳性能和耐 磨性。为了优化NbN涂层的性能，研究者们已经研究了NbN/TiN、NbN/CrN、 NbN/AlN等纳米多层涂层，NbN纳米多层涂层具有较大的界面密度，其中 界面能和表面能占主导地位，与单层涂层相比，可以提高硬度、韧性和耐磨 性等力学性能。例如，Yi等(Yi J,Xiong J,Guo Z,et al.Growth,mechanicalproperties,and tribological performance of TiAlN/NbN and NbN/TiAlN bilayercoatings[J].Ceramics International,2022,48(5):6208
‑
6217.)制备了单层 TiAlN、双层TiAlN/NbN和NbN/TiAlN纳米多层涂层，结果表明与TiAlN涂 层相比，TiAlN/NbN和NbN/TiAlN涂层具有高硬度(20～50GPa)、低粗糙度、 低磨损率。然而，上述硬质纳米多层涂层仍存在高硬度和高韧性无法兼顾的 问题，这极大限制了硬质纳米多层涂层在先进制造领域的应用和发展。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层及其制 备方法和表面涂覆纳米多层涂层的刀具。本专利技术提供的NbN
‑
TiSiN纳米多层 涂层同时具有高硬度和高韧性。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层，包括交替层叠设置的NbN 层和TiSiN层；所述NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层的面层和底层为NbN层。
[0007]优选地，所述TiSiN层中Si和Ti的质量比为1：(7.8～46.8)。
[0008]优选地，所述NbN层的单层厚度为2～6nm。
[0009]优选地，所述TiSiN层的单层厚度为10～14nm。
[0010]优选地，所述NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层的厚度为12～20μm。
[0011]本专利技术提供了上述技术方案所述的NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层的制备方 法，包括以下步骤：
[0012]在氮气气氛和惰性气体中，交替使用Nb靶和Ti
‑
Si复合靶，在基体表面 进行多靶磁控溅射以交替循环沉积NbN层和TiSiN层，在所述基体表面得 到NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层。
[0013]优选地，所述Ti
‑
Si复合靶中Si的体积分数为4～20％。
[0014]优选地，所述多靶磁控溅射的工作条件包括：惰性气体流量为35～40 sccm；氮气流量为4～8sccm；总气压为0.4～0.7Pa；所述NbN层采用直流溅 射得到，直流溅射功率为100～180W，单次直流溅射时间为10～15s；所述 TiSiN层采用射频溅射得到，射频溅射功率为200～350W，单次射频溅射时 间为4～10s；调制周期为100～200T；所述Nb靶和Ti
‑
Si复合靶的靶基距独 立地为40～60cm。
[0015]本专利技术提供了上述技术方案所述的NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层或上述技 术方案所述制备方法制备得到的NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层作为保护层的应 用。
[0016]优选地，所述基体在使用前先进行真空离子清洗，所述真空离子清洗包 括：抽真空至真空度≤5.0
×
10
‑3Pa，通入氮气和惰性气体，对基体进行离子轰 击预溅射。
[0017]本专利技术提供了一种表面涂覆上述技术方案所述的NbN
‑
TiSiN纳米多层 涂层或上述技术方案所述制备方法制备得到的NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层的 切削工具。
[0018]本专利技术提供了一种NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层，包括交替层叠设置的NbN 层和TiSiN层；所述NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层的面层和底层为NbN层。本 专利技术提供的NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层中，NbN层为主体层，TiSiN层为调制 层，交替层叠设置的NbN层和TiSiN层形成共格外延生长，同时也引入了 大量的界面来阻碍位错的运动，实现了涂层的强化，还能够诱导裂纹偏转并 抑制裂纹扩展，使得NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层的硬度和韧性同时提升，能够 作为切削工具的保护层，具体地，本专利技术提供的高硬度和高韧性一体化的 NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层能够弥补传统刀具涂层使用中的不足，提高刀具的 寿命；而且，本专利技术提供的NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层还可以作为切削模具的 保护涂层，因此具有很好的应用前景，拓宽了切削工具涂层的研究范围，推 动了先进制造业的进步与发展。
[0019]如本专利技术实施例结果所示，当Ti
‑
Si复合靶中Si:Ti体积比＝3:22时， NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层的硬度为24.8GPa，弹性模量为280.2GPa，断裂 韧性为1.89MPa
·
m
1/2
，径向裂纹长度为6.68μm，残余压应力为0.21GPa， 说明，本专利技术提供的NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层具有高硬度、高韧性和优异的 抗裂纹扩展性能。
[0020]本专利技术提供的制备方法，工艺简单、成本低、效率高，能实现NbN
‑
TiSiN 纳米多层涂层的批量化生产。
附图说明
[0021]图1为实施例1～5和对比例1～2制备的纳米多层涂层的EPMA含量测 定图；
[0022]图2为实施例1～5和对比例1～2制备的纳米多层涂层的XRD谱图；
[0023]图3为实施例1～5和对比例1～2制备的纳米多层涂层的横截面HRT本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层，包括交替层叠设置的NbN层和TiSiN层；所述NbN
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TiSiN纳米多层涂层的面层和底层为NbN层。2.根据权利要求1所述的NbN
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TiSiN纳米多层涂层，其特征在于，所述TiSiN层中Si和Ti的质量比为1：(7.8～46.8)。3.根据权利要求1所述的NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层，其特征在于，所述NbN层的单层厚度为2～6nm。4.根据权利要求1所述的NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层，其特征在于，所述TiSiN层的单层厚度为10～14nm。5.根据权利要求1～4任一项所述的NbN
‑
TiSiN纳米多层涂层，其特征在于，所述NbN
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TiSiN纳米多层涂层的厚度为12～20μm。6.权利要求1～5任一项所述NbN
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TiSiN纳米多层涂层的制备方法，包括以下步骤：在氮气气氛和惰性气体中，交替使用Nb靶和Ti
‑
Si复合靶，在基体表面进行多靶磁控溅射以交替循环沉积NbN层和TiSiN层，在所述基体表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝新发，符国建，陆红妹，孟漪，陆于佳，李伟，蔡莹芸，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：