本發明屬于機械制造切削刀具領域，特別是涉及一種zralc/zralcn疊層復合涂層刀具及其制備工藝。
背景技術：
隨著切削技術向高速、高效、高精、綠色方向發展，切削加工對刀具的性能提出了更高的要求，無涂層刀具由于表面硬度低、耐磨性差等缺陷，已經難以滿足干式、高速條件下以及對鈦合金等難加工材料的切削加工要求。涂層刀具因具有高的表面硬度、良好的耐磨性和高溫穩定性等，已成為現代切削加工的主要選擇。tic和tin涂層是最早應用在刀具表面上的涂層。然而，隨著切削加工技術的發展以及高速切削技術的推廣，二元氮化物硬質涂層相對較弱的韌性和耐磨性限制了其應用。通過制備多元復合結構的涂層可以顯著提高涂層的韌性、強度及耐沖擊性等綜合性能，涂層的多元復合結構已經成為涂層刀具的重要發展方向。ticn是目前最廣泛使用的三元碳氮化合物涂層，ticn涂層由于兼具tic的高硬度和tin的良好韌性，顯著提高了其摩擦磨損性能(jinlongli,shihongzhang,mingxili.influenceofthec2h2flowrateongradientticnfilmsdepositedbymulti-arcionplating[j].appliedsurfacescience,2013(283):134-144.)，已廣泛應用于銑削、攻牙、沖壓、成型及滾齒的加工，在高速切削時比普通硬質合金刀具的耐磨性高5-8倍。中國專利“汽輪機轉子輪槽銑刀表面ticn多層復合涂層制備工藝”(專利號201510564738.5)利用ti、氮氣(n2)與乙炔氣體(c2h2)在450℃沉積溫度下合成了ticn涂層銑刀，解決了26nicrmov145材料轉子加工難題。
ticn涂層雖然具有高硬度、低摩擦系數的優點，但同時因其熱穩定性和紅硬性較差，僅適合應用于低速切削或具有良好冷卻條件的場合，需要對傳統ticn涂層結構和制備工藝進行改進。目前，多元化是材料改善力學性能、耐蝕性和耐磨性的有效途徑，通過制備多元復合涂層，既可提高涂層與基體的結合強度，又兼顧多種單涂層的綜合性能，顯著提高涂層刀具的性能。
目前ticn等碳氮化合物主要通過化學氣相沉積技術(cvd)等技術制備，即通過ticl4(或ti靶)、ch4(或c2h2)以及n2等氣體反應生成，沉積溫度通常超過400℃，對基體產生不利影響，同時氣體碳源容易對涂層設備造成污染，制約了其廣泛應用。
層狀復合材料是近幾年發展起來的材料增強增韌新技術，這種結構是通過模仿貝殼而來，因此又叫仿生疊層復合材料。自然界中貝殼的珍珠層是一種天然的層狀結構材料，其斷裂韌性卻比普通單一均質結構高出3000倍以上。因此，通過模仿生物材料結構形式的層間設計，制備出的疊層復合涂層可以提高目前碳氮化合物涂層的韌性、穩定性及減摩耐磨性等綜合性能。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服目前現有碳氮化合物涂層刀具性能及制備方法的不足，結合層狀復合材料結構的優點提供一種zralc/zralcn疊層復合涂層刀具及其制備工藝。
本發明所述的zralc/zralcn疊層復合涂層刀具，刀具基體最外層為zralcn涂層，刀具基體與zralcn涂層之間有ti過渡層，zralcn涂層與ti過渡層之間是zralc涂層與zralcn涂層交替的復合疊層結構。
刀具基體的材料為高速鋼、工具鋼、模具鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石或立方氮化硼中的一種。
本發明所述的zralc/zralcn疊層復合涂層刀具的制備工藝，沉積方式為采用中頻磁控濺射+電弧鍍的復合鍍膜方法，沉積時使用2個復合zralc中頻磁控濺射靶，2個電弧ti靶：首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用中頻磁控濺射方法交替沉積zralc涂層與zralcn涂層，最外層為zralcn涂層；其中，zralc中頻磁控濺射靶中包含重量分數為40％-60％的zr、20％-40％的al和10％-20％的c。
具體包括如下步驟：
(1)刀具基體表面前處理；
(2)刀具基體表面離子清洗；
(3)采用電弧鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層；
(4)采用中頻磁控濺射在ti過渡層上沉積zralc涂層；
(5)采用中頻磁控濺射在zralc涂層上沉積zralcn涂層；
(6)采用中頻磁控濺射在zralcn涂層上沉積zralc涂層；
(7)重復(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積zralcn涂層、zralc涂層、zralcn涂層……zralcn涂層共90min；
(8)后處理：關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
其中：
步驟(1)中首先將刀具基體表面拋光，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，去除刀具基體表面油污、銹跡等雜質，干燥后放入鍍膜機，抽真空至5.0×10-3pa，加熱至280℃，保溫25～30min。
步驟(2)中通入ar氣，控制其壓力為1.5pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.3，輝光放電清洗20min；降低偏壓至400v，開啟離子源離子清洗15min，開啟電弧ti靶電源，ti靶電流60a，偏壓300v，離子轟擊1～2min。
步驟(3)中調ar氣壓0.6～0.7pa，偏壓降至250v，ti靶電流60a，沉積溫度220℃，電弧鍍ti過渡層4～5min。
步驟(4)中調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至200v，關閉電弧ti靶電源，開啟中頻磁控濺射zralc靶電流35a，沉積zralc涂層3～4min。
步驟(5)中開啟n2，n2氣壓為1.5pa，調ar氣壓0.5pa，偏壓220v，中頻磁控濺射zralc靶電流40a，沉積溫度250℃，沉積zralcn涂層3～4min，沉積完成后關閉n2。
步驟(6)中調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至200v，關閉電弧ti靶電源，開啟中頻磁控濺射zralc靶電流35a，沉積zralc涂層3～4min。
本發明所述zralc中頻磁控濺射靶采用真空熱壓法制備，即將裝有zr粉末、al粉末、c粉末混合粉的模具置入真空熱壓爐，經熱壓燒結后成型所得。
本發明所述的zralc/zralcn疊層復合涂層刀具，刀具表面為zralcn涂層，刀具基體與涂層間有ti過渡層，zralcn涂層與ti過渡層之間是zralc涂層和zralcn涂層交替的復合疊層結構。基體上的ti過渡層主要作用是減緩因涂層成分突變造成的層間應力，提高了涂層與刀具基體間的結合性能，zr元素對涂層起到固溶強化作用，提高了涂層的硬度、強度和抗磨損特性，al元素能夠形成致密的al2o3保護膜，改善涂層的高溫氧化性能，使涂層刀具具有更優異的化學穩定性和抗高溫氧化能力，可顯著改善涂層刀具的摩擦磨損性能，提高刀具的切削壽命和加工效率，c元素降低了涂層表面的摩擦系數，使涂層具備優異的減摩潤滑及耐摩擦磨損性能。同時該疊層復合結構的層間界面可阻止涂層柱狀晶的生長，阻礙裂紋和缺陷的擴展，提高涂層的硬度、韌性和耐沖擊性。
本發明與現有技術相比，具有以下有益效果。
本發明沉積方式為采用中頻磁控濺射+電弧鍍的復合鍍膜方法，且沉積溫度控制在300℃以下，可在更為廣泛的刀具基體上制備。本發明所制得的zralc/zralcn疊層復合涂層刀具，綜合了超硬碳氮化合物涂層、碳化物涂層及疊層結構的優點，可明顯改善傳統ticn涂層刀具的物理機械性能，該疊層復合刀具可使切削過程的切削力和切削溫度降低25-30％，涂層刀具熱穩定性提高50％，刀具磨損減小30-35％，涂層刀具使用壽命提高35％以上。同時，zralc/zralcn疊層復合結構通過不同材料結構和成分組成的層間界面可以減緩涂層的過早剝落和裂紋的擴展，該zralc/zralcn疊層復合涂層刀具可廣泛應用于冷硬鑄鐵、球墨鑄鐵、有色金屬及合金的粗精加工，以及高錳鋼、淬火鋼及合金鋼等的半精加工與精加工。
附圖說明
圖1、本發明的zralc/zralcn疊層復合涂層刀具的涂層結構示意圖。
圖中：1、刀具基體2、ti過渡層3、zralc涂層4、zralcn涂層5、zralc涂層與zralcn涂層交替的疊層復合結構。
具體實施方式
下面給出本發明的二個最佳實施例：
實施例1
一種zralc/zralcn疊層復合涂層刀具及其制備工藝，該刀具為普通的銑刀片，其基體材料為：硬質合金yg8，刀具基體最外層為zralcn涂層，刀具基體與zralcn涂層之間有ti過渡層，zralcn涂層與ti過渡層之間是zralc涂層與zralcn涂層交替的復合疊層結構。本發明沉積方式為采用中頻磁控濺射+電弧鍍的復合鍍膜方法，沉積時使用2個復合zralc中頻磁控濺射靶，2個電弧ti靶：首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用中頻磁控濺射方法交替沉積zralc涂層與zralcn涂層，最外層為zralcn涂層，其中，zralc中頻磁控濺射靶中包含重量分數為40％的zr、40％的al和20％的c。
制備工藝具體包括如下步驟：
(1)刀具基體表面前處理：將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風干燥充分后迅速放入鍍膜機，抽真空至5.0×10-3pa，加熱至280℃，保溫25～30min；
(2)刀具基體表面離子清洗：通ar氣，其壓力為1.5pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.3，輝光放電清洗20min；降低偏壓至400v，開啟離子源離子清洗15min，開啟電弧ti靶電源，ti靶電流60a，偏壓300v，離子轟擊1～2min；
(3)采用電弧鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層：ar氣壓0.6～0.7pa，偏壓降至250v，ti靶電流60a，沉積溫度220℃，電弧鍍ti過渡層4～5min；
(4)采用中頻磁控濺射在ti過渡層上沉積zralc涂層：ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至200v，關閉電弧ti靶電源，開啟中頻磁控濺射zralc靶電流35a，沉積zralc層3～4min；
(5)采用中頻磁控濺射在zralc涂層上沉積zralcn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.5pa，ar氣壓0.5pa，偏壓220v，中頻磁控濺射zralc靶電流40a，沉積溫度250℃，復合沉積zralcn涂層3～4min；
(6)采用中頻磁控濺射在zralcn涂層上沉積zralc涂層：ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至200v，調中頻磁控濺射zralc靶電流35a，沉積zralc涂層3～4min；
(7)重復(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積zralcn涂層、zralc涂層、zralcn涂層……zralcn涂層共90min；
(8)后處理：關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
實施例2
一種zralc/zralcn疊層復合涂層刀具及其制備工藝，該刀具為普通麻花鉆，其刀具基體材料為：高速鋼w18cr4v，刀具基體最外層為zralcn涂層，刀具基體與zralcn涂層之間有ti過渡層，zralcn涂層與ti過渡層之間是zralc涂層與zralcn涂層交替的復合疊層結構。本發明沉積方式為采用中頻磁控濺射+電弧鍍的復合鍍膜方法，沉積時使用2個復合zralc中頻磁控濺射靶，2個電弧ti靶：首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用中頻磁控濺射方法交替沉積zralc涂層與zralcn涂層，最外層為zralcn涂層；其中，zralc中頻磁控濺射靶中包含重量分數為60％的zr、20％的al和20％的c。
制備工藝具體包括如下步驟：
(1)刀具基體表面前處理：將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風干燥充分后迅速放入鍍膜機，抽真空至5.0×10-3pa，加熱至280℃，保溫25～30min；
(2)刀具基體表面離子清洗：通ar氣，其壓力為1.5pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.3，輝光放電清洗20min；降低偏壓至400v，開啟離子源離子清洗15min，開啟電弧ti靶電源，ti靶電流60a，偏壓300v，離子轟擊1～2min；
(3)采用電弧鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層：ar氣壓0.6～0.7pa，偏壓降至250v，ti靶電流60a，沉積溫度220℃，電弧鍍ti過渡層4～5min；
(4)采用中頻磁控濺射在ti過渡層上沉積zralc涂層：ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至200v，關閉電弧ti靶電源，開啟中頻磁控濺射zralc靶電流35a，沉積zralc層3～4min；
(5)采用中頻磁控濺射在zralc涂層上沉積zralcn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.5pa，ar氣壓0.5pa，偏壓220v，中頻磁控濺射zralc靶電流40a，沉積溫度250℃，復合沉積zralcn涂層3～4min；
(6)采用中頻磁控濺射在zralcn涂層上沉積zralc涂層：ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至200v，調中頻磁控濺射zralc靶電流35a，沉積zralc涂層3～4min；
(7)重復(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積zralcn涂層、zralc涂層、zralcn涂層……zralcn涂層共90min；
(8)后處理：關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。