專利名稱：一種AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著中國工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,切削加工技術(shù)向著高速、高效、干式的方向逐步邁進(jìn)。高速銑削是目前高速切削應(yīng)用的主要工藝，高速銑刀是實(shí)現(xiàn)高速銑削加工的重要技術(shù)之一。高速切削加工技術(shù)集高效、優(yōu)質(zhì)和低耗于一身，不僅切削效率高，而且表面加工質(zhì)量好、單位切削力小，但對刀具材料的耐磨性能和紅硬性能要求也提出了更高的要求。現(xiàn)最普遍使用的硬質(zhì)合金刀具的磨損及高溫軟化問題在高速銑削過程中卻難以避免。這嚴(yán)重制約了刀具使用壽命和工作效率，更影響工件表面質(zhì)量。因此，如何降低刀具磨損及高溫軟化問題顯得尤為重要。刀具涂層技術(shù)的發(fā)展為提高刀具工作效率和增加刀具使用壽命帶來新的思路。刀具涂層技術(shù)是把具有較高硬度的涂層材料涂覆在韌性較好的刀具基體上以解決刀具存在的強(qiáng)度和硬度之間的矛盾。涂層摩擦系數(shù)較低，可降低切削時(shí)的切削力和切削溫度的提高，同時(shí)其熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，能有效改變熱流方式，使刀具和工件的溫度不致過高，大大提高刀具耐用度，同時(shí)也提高刀具工作極限速度。此外，涂層可以有效地提高刀具的抗磨性能，對金屬切削過程中的刀具磨損問題有很好的改善作用。目前，我國刀片中涂層類約占15%，在國外有70%以上的可轉(zhuǎn)位刀片是涂層硬質(zhì)合金刀具，80%左右的新型數(shù)控機(jī)床所用切削刀具使用涂層硬質(zhì)合金刀具。發(fā)展涂層硬質(zhì)合金刀具是提高我國制造加工效率的一個重要方向。將超硬刀具涂層材料鍍于金屬切削刀具表面，正適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)對銑刀刀具的高技術(shù)要求，金屬刀具基體不但保持了較高的強(qiáng)度，而鍍于表面的涂層又能發(fā)揮它“超硬、強(qiáng)韌、耐磨、自潤滑”的優(yōu)勢，從而大大提高金屬切削刀具在現(xiàn)代加工過程中的耐用度和適應(yīng)性。目前常規(guī)涂層為TiN或者是TiAlN涂層。TiN涂層和TiAlN涂層耐溫有限，當(dāng)銑刀使用溫度超過500°C時(shí)，TiN涂層開始失效，而TiAlN的耐溫也在700°C左右，不能滿足銑刀高速加工的要求。AlTiN是將Al元素沉積到TiN中而形成的PVD刀具涂層。迄今為止，通過增加TiAIN、AlTiN涂層中的鋁含量，從而增強(qiáng)刀具涂層的耐高溫性能和硬度，一直是刀具制造商和涂層公司關(guān)注的重大技術(shù)課題。自1995年以來，人們一直在持續(xù)不斷地研究和改進(jìn)相關(guān)的氣相沉積工藝。到2000年，AlTiN涂層中鋁元素與鈦元素的成分比例已從原來的1: 2提高到3: 2，即鋁含量已從33%增加到60%。從實(shí)際使用效果看其耐磨性有待加強(qiáng)。MoN涂層是較新的涂層材料，而元素Mo和N對刀具和工件的摩擦化學(xué)具有獨(dú)特的作用。一般認(rèn)為Mo是形成減摩反應(yīng)膜的主要元素，而N對摩擦副和潤滑油之間的摩擦化學(xué)反應(yīng)具有良好的促進(jìn)作用。MoN涂層不易因磨損脫落產(chǎn)生磨粒，故有利于形成大面積的連續(xù)摩擦化學(xué)反應(yīng)膜，從而減輕摩擦磨損。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供了一種AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀及其制備方法。本發(fā)明產(chǎn)品的技術(shù)方案是:一種AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀，其特征在于:所述銑刀表面有從內(nèi)到外由結(jié)合層、過渡層、耐磨層依次構(gòu)成的復(fù)合涂層，且:結(jié)合層為Mo層；過渡層為MoN層；耐磨層為AlTiN/MoN層。
為進(jìn)一步提聞本發(fā)明廣品的性價(jià)比:
所述復(fù)合涂層的厚度為0.62-5微米，其中結(jié)合層厚度在20-200納米之間；過渡層厚度在100-300納米之間；耐磨層厚度在0.5-4.5微米之間。所述銑刀的基體為硬質(zhì)合金、不銹鋼、高速鋼、碳鋼或模具鋼。所述耐磨層為AlTiN層和MoN層交替構(gòu)成的AlTiN/MoN多層涂層；其AlTiN層單層的厚度為3-5納米，MoN層單層的厚度為2-5納米。
本發(fā)明的制備方法的技術(shù)方案是:采用電弧離子鍍技術(shù)制備涂層，由下述步驟依次形
成:
1)對銑刀進(jìn)行輝光清洗后，在其表面沉積結(jié)合層，該結(jié)合層為Mo層；
2)在上步得到的結(jié)合層上沉積過渡層，該過渡層為MoN層；
3)在上步得到的過渡層上沉積耐磨層，該耐磨層為AlTiN/MoN層；自然冷卻，即得。作為優(yōu)選項(xiàng):
所述耐磨層為AlTiN層和MoN層交替構(gòu)成的AlTiN/MoN多層涂層。為進(jìn)一步提高本發(fā)明方法的工效和質(zhì)量，可進(jìn)一步將各步驟的具體條件選擇在:
1)輝光清洗的條件為:溫度為250- 400°C，轉(zhuǎn)速為2rpm到5rpm，氬氣環(huán)境下；
2)結(jié)合層的沉積條件為:氣壓0.01-0.1Pa，偏壓一 800V到一 1000V ；
3)過渡層的沉積條件為:氮?dú)猸h(huán)境下，氣壓0.Ι-lPa，偏壓一 IOOV到一 250V ；
4)耐磨層的沉積條件為:氮?dú)猸h(huán)境下，氣壓0.5-5Pa，偏壓一 IOOV到一 250V。由上述技術(shù)方案可知本發(fā)明是電弧離子鍍的高離化率來制備AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層材料。為提高涂層與銑刀基體的結(jié)合力，本發(fā)明采用輝光清洗，通過輝光放電過程中產(chǎn)生的氬離子清洗銑刀表面氧化層。由于表面氧化層的存在，一般情況下涂層與基體結(jié)合并不牢固，所以表面氧化層的清洗在整個涂層的制得過程中尤其關(guān)鍵。一般的化學(xué)方法清洗氧化層一旦接觸空氣后，氧化層又會重新生成，所以用化學(xué)方法清洗氧化層都不徹底。而本發(fā)明是在真空下用輝光離子清洗表面氧化層，表面不會因接觸空氣而再次形成氧化層，存在其優(yōu)越性。輝光清洗的偏壓為-800V到一 1000V，時(shí)間為30到120分鐘。通過離子清洗，銑刀表面處于比較清潔的狀態(tài)。隨后，本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)制備涂層。開啟Mo靶，Mo靶上Mo離子因高溫而蒸發(fā)，在高偏壓的作用下加速運(yùn)動到銑刀表面，由于銑刀表面有800到1000V的負(fù)高壓，Mo正離子在高電壓下高速撞擊銑刀表面，進(jìn)一步對銑刀表面進(jìn)行清洗，同時(shí)由于Mo正離子高速撞擊，銑刀表面溫度升高，表面粒子內(nèi)能提高，加之Mo正離子的高速運(yùn)動，可能撞至銑刀表面以下5至10納米，在銑刀表面形成基體與Mo的冶金結(jié)合層。在表面沉積的Mo逐漸增多，逐漸由基體和Mo的冶金結(jié)合層過渡至純Mo結(jié)合層，結(jié)合層的厚度為20-200納米。此過程在氣壓0.01-0.1Pa、偏壓一 800V到一 1000V條件下進(jìn)行。由于Mo的高速撞擊與Mo結(jié)合層沉積同時(shí)進(jìn)行，形成非常致密的Mo結(jié)合層，抑制柱狀Mo晶粒的生長。隨后打開氮?dú)馔ǖ溃獨(dú)馀cMo反應(yīng)生成MoN，隨著氮?dú)馔ㄈ肓康闹饾u增加，形成的MoN也逐漸增多，涂層由純Mo逐漸過渡到MoN過渡層，過渡層厚度為100-300納米。此過程在氣壓為0.Ι-lPa、偏壓為一 100V到一 250V的條件下進(jìn)行。在MoN過渡層的基礎(chǔ)上，逐步開啟AlTi靶，AlTi與氮?dú)夥磻?yīng)生成AlTiN涂層，隨著工件架的旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為2rpm到5rpm,當(dāng)統(tǒng)刀轉(zhuǎn)至AlTi祀附近時(shí)多形成AlTiN層，當(dāng)統(tǒng)刀轉(zhuǎn)至Mo祀附近時(shí)多形成MoN層，銑刀的連續(xù)旋轉(zhuǎn)使銑刀表面形成AlTiN-MoN復(fù)合涂層，復(fù)合涂層厚度為0.5-4.5納米，單層AlTiN層厚度為3-5納米，單層MoN層厚度為2-5納米。此過程在氣壓為0.5_5Pa、偏壓為一 IOOV到一 250V的條件下進(jìn)行。通過控制工件架的轉(zhuǎn)速，就能夠?qū)崿F(xiàn)在其它條件一定的情況下，控制銑刀表面在電弧靶前停留的時(shí)間，進(jìn)而控制復(fù)合涂層的層間厚度。本發(fā)明一種AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀不但硬度高，而且銑刀表面的耐磨損性和耐腐蝕性都得到提高。與單層的AlTiN涂層銑刀相比，MoN材料的加入，使涂層具有良好的耐磨損性能。與單層的MoN涂層銑刀相比，AlTiN材料的加入，使涂層具有更高的硬度和強(qiáng)度。使用AlTiN-MoN復(fù)合涂層，不但同時(shí)提高銑刀表面的硬度和耐磨性，而且由于其多層復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)，使銑刀表面具有良好的耐腐蝕性能。同時(shí)，結(jié)合層、過渡層、耐磨層的設(shè)計(jì)，使表面高硬度的AlTiN-MoN涂層與基體之間具有良好的硬度梯度，提高了涂層與基體的結(jié)合力，當(dāng)銑刀加工高硬度材料時(shí)涂層不會因基體塑性變形而脫落失效。因此本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):第一，與普通直流磁控濺射方法相比，本發(fā)明所采用電弧離子鍍技術(shù)來制備涂層，由于其離化率高涂層具有較好的結(jié)合力，解決磁控濺射法離化率低導(dǎo)致結(jié)合力低的問題；第二，由于本發(fā)明中銑刀的涂層具有三層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了成分與結(jié)構(gòu)的漸變，同時(shí)涂層與基體為冶金結(jié)合，提高了涂層對基體的附著力；第三，由于本發(fā)明采用多層復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)，制得的涂層厚度可達(dá)5微米；第四，與常規(guī)電弧離子鍍技術(shù)相比，本發(fā)明采用多層結(jié)構(gòu)能抑制柱狀晶的生長，提高涂層致密度的同時(shí)，進(jìn)而提高涂層的耐磨性，同進(jìn)耐蝕性也得到大幅提高；第五，本發(fā)明將AlTiN涂層與MoN涂層結(jié)合形成多層復(fù)合涂層，在國內(nèi)外也是個嘗試，尤其是將其應(yīng)用到銑刀表面，可大幅度提高銑刀的切削加工性能；第六，本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)，與現(xiàn)有涂層設(shè)備相近，且涂層設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)生成由Mo、MoN、AlTiN-MoN依次構(gòu)成的納米復(fù)合涂層銑刀，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)成分與硬度梯度的漸變，所制備的AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀具有良好的結(jié)合力和耐磨耐蝕性能，同時(shí)具有良好的紅硬性，很好地克服了銑刀耐溫性和耐磨性不足的問題，保證了銑刀的長期穩(wěn)定工作，使銑刀加工性能大幅度提高，加工質(zhì)量穩(wěn)定，加工效率高，降低了廠家的生產(chǎn)成本，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。


圖1.為本發(fā)明中所采用的涂層制備裝置示意 圖2.為本發(fā)明制備的AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)示意 圖3.為本發(fā)明制備的AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層表面形貌；
其中圖1中:1.抽氣口 ；2.加熱器;3.AlTi革巴；4.爐門；5.爐壁;6.Mo革巴；7.工件架。
圖2中:1.基體；2.Mo結(jié)合層；3.MoN過渡層；4.AlTiN/MoN耐磨層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施本發(fā)明方法的裝置如圖1所示，該裝置真空室由爐壁5圍成，真空室高度為
0.5cm，體積50 X 50 X 50cm，真空室一側(cè)設(shè)有抽氣口 I，抽氣機(jī)組由擴(kuò)散泵、機(jī)械泵和分子泵組成，極限真空可低至0.0005Pa,真空室側(cè)面設(shè)有爐門4，方便操作者裝卸工件，AlTi靶3和Mo靶6分別位于真空室兩側(cè)，其直徑皆為100mm，且裝有強(qiáng)性磁鐵用于約束靶弧形狀，加熱器2位于真空室中央，其四周為工件架7，可在最大限度地利用熱能的同時(shí)，使工件受熱均勻。通過調(diào)整工件架7的轉(zhuǎn)速，能夠改變工件在不同的靶前滯留的時(shí)間，進(jìn)而改變涂層間的厚度。如此布置，極大增加了真空室中等離子體的空間密度，使工件最大限度地沉浸于等離子體中，提高靶材使用效率、涂層沉積速率和涂層均勻度，減少涂層間內(nèi)應(yīng)力，以達(dá)到高的涂層硬度、致密度和附著力，得到優(yōu)良的硬質(zhì)涂層。以下結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明:
實(shí)施例1:在250°C、轉(zhuǎn)速為5rpm、氬氣 環(huán)境下，對高速鋼和硬質(zhì)合金銑刀經(jīng)過輝光清洗結(jié)束后，在0.01 &，一 800￥條件沉積20納米厚的過渡金屬M(fèi)o結(jié)合層；在0.1Pa, - 100V條件沉積100納米厚的MoN層；最后在0.5Pa氣壓，一 100V偏壓條件下沉積AlTiN/MoN多層涂層；AlTiN/MoN多層膜中，單層AlTiN納米層厚度為3納米，單層MoN層厚度為2納米。AlTiN/MoN多層膜厚度為0.5微米。涂層總厚度在控制在0.62微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀。實(shí)施例2:在300°C、轉(zhuǎn)速為4rpm、氬氣環(huán)境下，對高速鋼和硬質(zhì)合金銑刀經(jīng)過輝光清洗結(jié)束后，在0.05Pa, - 900V條件沉積50納米厚的過渡金屬M(fèi)o結(jié)合層；在0.5Pa，一150V條件沉積150納米厚的MoN層；最后在IPa氣壓，一 150V偏壓條件下沉積AlTiN/MoN多層涂層；AlTiN/MoN多層膜中，單層AlTiN納米層厚度為4納米，單層MoN層厚度為3納米。AlTiN/MoN多層膜厚度為2微米。涂層總厚度在控制在2.2微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀。實(shí)施例3:在350°C、轉(zhuǎn)速為3rpm、lS氣環(huán)境下,對高速鋼和硬質(zhì)合金統(tǒng)刀經(jīng)過輝光清洗結(jié)束后，在0.07Pa, - 900V條件沉積100納米厚的過渡金屬M(fèi)o結(jié)合層；在0.5Pa，一200V條件沉積200納米厚的MoN層；最后在2Pa氣壓，一 200V偏壓條件下沉積AlTiN/MoN多層涂層；AlTiN/MoN多層膜中，單層AlTiN納米層厚度為4納米，單層MoN層厚度為4納米。AlTiN/MoN多層膜厚度為3微米。涂層總厚度在控制在3.3微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀。實(shí)施例4:在400°C、轉(zhuǎn)速為2rpm、lS氣環(huán)境下,對高速鋼和硬質(zhì)合金統(tǒng)刀經(jīng)過輝光清洗結(jié)束后，在0.1Pa，一 1000V條件沉積200納米厚的過渡金屬M(fèi)o結(jié)合層；在IPa，一 250V條件沉積300納米厚的MoN層；最后在5Pa氣壓，一 250V偏壓條件下沉積AlTiN/MoN多層涂層；AlTiN/MoN多層膜中，單層AlTiN納米層厚度為5納米，單層MoN層厚度為5納米。AlTiN/MoN多層膜厚度為4.5微米。涂層總厚度在控制在5微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀。上述實(shí)施例中銑刀的基體可以換為不銹鋼、碳鋼或模具鋼，且不影響涂層效果。
圖2.為本發(fā)明制備的AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀結(jié)構(gòu)示意圖:從圖中可以看出，涂層結(jié)構(gòu)上存在成分和結(jié)構(gòu)梯度的漸變，降低了涂層的應(yīng)力，可沉積較厚的涂層。圖3.為本發(fā)明制備的AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀表面形貌:從圖中可以看出涂層表面表面光滑，涂層致密。
權(quán)利要求
1.一種AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀，其特征在于:所述銑刀表面有從內(nèi)到外由結(jié)合層、過渡層、耐磨層依次構(gòu)成的復(fù)合涂層，且: 1)結(jié)合層為Mo層； 2)過渡層為MoN層； 3)耐磨層為AlTiN/MoN層。
2.如權(quán)利要求1所述的AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀，其特征在于:所述復(fù)合 層的厚度為0.62-5微米，其中: O結(jié)合層厚度為20-200納米； 2)過渡層厚度為100-300納米； 3)耐磨層厚度為0.5-4.5微米。
3.如權(quán)利要求1所述的超硬自潤滑AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀，其特征在于:所述銑刀的基體為硬質(zhì)合金、不銹鋼、高速鋼、碳鋼或模具鋼。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀，其特征在于:所述耐磨層為AlTiN層和MoN層交替構(gòu)成的AlTiN/MoN多層涂層；其AlTiN層單層的厚度為3_5納米，MoN層單層的厚度為2-5納米。
5.—種如權(quán)利要求1所述的AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀的制備方法，其特征在于由下述步驟依次形成: 1)對銑刀進(jìn)行輝光清洗后，在其表面沉積結(jié)合層，該結(jié)合層為Mo層； 2)在上步得到的結(jié)合層上沉積過渡層，該過渡層為MoN層； 3)在上步得到的過渡層上沉積耐磨層，該耐磨層為AlTiN/MoN層；自然冷卻，即得。
6.如權(quán)利要求5所述的AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀的制備方法，其特征在于:所述耐磨層為AlTiN層和MoN層交替構(gòu)成的AlTiN/MoN多層涂層。
7.如權(quán)利要求5-6任一所述的AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀的制備方法，其特征在于: 1)所述的輝光清洗的條件為:溫度為250- 400°C，轉(zhuǎn)速為2rpm到5rpm，氬氣環(huán)境下； 2)所述結(jié)合層的沉積條件為:氣壓0.01-0.1Pa，偏壓一 800V到一 1000V ； 3)所述過渡層的沉積條件為:氮?dú)猸h(huán)境下，氣壓0.Ι-lPa，偏壓一 IOOV到一 250V ； 4)所述耐磨層的沉積條件為:氮?dú)猸h(huán)境下，氣壓0.5-5Pa，偏壓一 IOOV到一 250V。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超硬自潤滑AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀及其制備方法。本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)生成由Mo、MoN、AlTiN-MoN依次構(gòu)成的納米復(fù)合涂層銑刀，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)成分與硬度梯度的漸變，所制備的AlTiN-MoN納米多層復(fù)合涂層銑刀具有良好的結(jié)合力和耐磨耐蝕性能，同時(shí)具有良好的紅硬性和自潤滑性能，很好地克服了銑刀耐溫性和耐磨性不足的問題，保證了銑刀的長期穩(wěn)定工作，使銑刀加工性能大幅度提高，加工質(zhì)量穩(wěn)定，加工效率高，降低了廠家的生產(chǎn)成本，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
文檔編號C23C14/32GK103143761SQ201310094138
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者楊小芳, 楊兵, 王如意, 劉輝東, 萬強(qiáng) 申請人:武漢大學(xué)