本發(fā)明屬于機(jī)械制造金屬切削刀具領(lǐng)域，特別是涉及一種zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具及其制備工藝。
背景技術(shù)：
當(dāng)代切削加工技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)刀具的材料和性能提出了更高的要求，干式、高速切削成為刀具切削發(fā)展的方向。在刀具表面沉積硬質(zhì)薄膜成為改善和提高刀具使用性能的重要途徑。ticn是目前最廣泛使用的三元碳氮化合物硬質(zhì)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(yīng)用于銑削、攻牙、沖壓、成型及滾齒的加工，在高速切削時(shí)比普通硬質(zhì)合金刀具的耐磨性高5-8倍。中國專利“汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽銑刀表面ticn多層復(fù)合涂層制備工藝”(專利號(hào)201510564738.5)利用ti、氮?dú)?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(zhuǎn)子加工難題。
ticn涂層雖然具有高硬度、低摩擦系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)因其熱穩(wěn)定性和紅硬性較差，僅適合應(yīng)用于低速切削或具有良好冷卻條件的場合，需要對(duì)傳統(tǒng)ticn涂層結(jié)構(gòu)和制備工藝進(jìn)行改進(jìn)。目前，多元化是材料改善力學(xué)性能、耐蝕性和耐磨性的有效途徑，通過制備多元復(fù)合涂層，既可提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)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(xué)氣相沉積技術(shù)(cvd)等技術(shù)制備，即通過ticl4(或ti靶)、ch4(或c2h2)以及n2等氣體反應(yīng)生成，沉積溫度通常超過400℃，對(duì)基體產(chǎn)生不利影響，同時(shí)氣體碳源容易對(duì)涂層設(shè)備造成污染，制約了其廣泛應(yīng)用。
層狀復(fù)合材料是近幾年發(fā)展起來的材料增強(qiáng)增韌新技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)是通過模仿貝殼而來，因此又叫仿生疊層復(fù)合材料。自然界中貝殼的珍珠層是一種天然的層狀結(jié)構(gòu)材料，其斷裂韌性卻比普通單一均質(zhì)結(jié)構(gòu)高出3000倍以上。因此，通過模仿生物材料結(jié)構(gòu)形式的層間設(shè)計(jì)，制備出的疊層復(fù)合涂層可以提高目前碳氮化合物涂層的韌性、穩(wěn)定性及減摩耐磨性等綜合性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有碳氮化合物涂層刀具性能及制備方法的不足，結(jié)合層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明目的在于提供一種zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具及其制備工藝。
本發(fā)明所述的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具，包括刀具基體，在刀具基體表面沉積有涂層，所述涂層自內(nèi)到外依次為：ti過渡層、zrnbc涂層與zrnbcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)，最外層為zrnbcn涂層；
其中：
刀具基體材料為高速鋼、工具鋼、模具鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石、立方氮化硼中的一種。
本發(fā)明所述的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具的制備工藝，沉積方式為采用非平衡磁控濺射+中頻磁控濺射復(fù)合鍍膜方法，沉積時(shí)使用2個(gè)非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶，2個(gè)中頻磁控濺射ti靶：首先采用中頻磁控濺射沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積zrnbc涂層與zrnbcn涂層，最外層為zrnbcn涂層。
所述非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶中包含重量分?jǐn)?shù)為60-80wt％的zr、10-20wt％的nb和10-20wt％的c，所述非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶采用真空熱壓法制備，其制備方法具體包括以下步驟：
(1)對(duì)刀具基體表面前處理：首先將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各40min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)，抽真空至7.0×10-3pa，加熱至260℃，保溫35min；
(2)對(duì)刀具基體表面離子清洗：通ar氣，調(diào)其壓力為1.2pa，開啟偏壓電源，電壓500v，占空比0.4，輝光放電清洗30min；降低偏壓至400v，占空比0.3，開啟離子源離子清洗30min，開啟中頻磁控濺射ti靶電源，調(diào)ti靶電流30a，偏壓300v，占空比0.2，離子轟擊2～3min；
(3)在刀具基體表面沉積ti過渡層：調(diào)ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓降至210v，中頻磁控濺射ti靶電流35a，沉積溫度200℃，沉積ti過渡層4～5min；
(4)采用中頻磁控濺射在ti過渡層上沉積zrnbc涂層：調(diào)ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶電流35a，沉積zrnbc涂層2～3min；
(5)采用非平衡磁控濺射在zrnbc涂層上沉積zrnbcn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.2pa，調(diào)ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓180v，非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶電流40a，沉積溫度210℃，復(fù)合沉積zrnbcn涂層2～3min，沉積完成后關(guān)閉n2；
(6)采用非平衡磁控濺射在zrnbcn涂層上沉積zrnbc涂層：調(diào)ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶電流35a，沉積zrnbc涂層2～3min；
(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)…(5)，交替沉積zrnbcn涂層、zrnbc涂層、zrnbcn涂層···zrnbcn涂層，最外層為zrnbcn涂層，共沉積80min：
(8)后處理：關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
本發(fā)明所制備的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具，在刀具基體表面沉積有涂層，所述涂層從內(nèi)到外依次為：ti過渡層、zrnbc涂層與zrnbcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)，最外層為zrnbcn涂層。刀具基體上的ti過渡層主要作用是減緩因涂層成分突變?cè)斐傻膶娱g應(yīng)力，提高了涂層與刀具基體間的結(jié)合性能，涂層中的zr元素對(duì)涂層起到固溶強(qiáng)化作用，提高了涂層的硬度、強(qiáng)度和抗磨損特性，nb元素提高了涂層的硬度、強(qiáng)度和抗壓、耐磨、耐蝕性能，涂層中的c元素降低了涂層表面的摩擦系數(shù)，使涂層具備優(yōu)異的減摩潤滑及耐摩擦磨損性能。所述zrnbc涂層與zrnbcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)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(kuò)展，提高涂層的硬度、韌性和耐沖擊性，同時(shí)可阻止涂層柱狀晶的生長，阻礙裂紋和缺陷的擴(kuò)展，提高涂層的硬度、韌性和耐沖擊性。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果。
本發(fā)明采用非平衡磁控濺射+中頻磁控濺射的復(fù)合鍍膜方法，直接采用非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶為碳源，且沉積溫度控制在300℃以下，可在更為廣泛的刀具或工具基體上制備。所制備的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具綜合了zrnbc碳化物涂層、zrnbcn碳氮化合物涂層及疊層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有很高的硬度和韌性，良好的減摩潤滑及耐摩擦磨損性能，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和抗剝離性，能夠顯著提高涂層刀具的切削性能。所制備zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具可減小干切削過程中刀-屑之間的摩擦和粘結(jié)，相比傳統(tǒng)ticn涂層刀具，降低切削力和切削溫度45％以上，減小刀具磨損量50％以上，提高涂層使用壽命70％以上。本發(fā)明所制備的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具可廣泛應(yīng)用于大多數(shù)淬硬鋼，不銹鋼，鑄鐵，非鐵金屬和高溫合金的連續(xù)或斷續(xù)切削加工。
附圖說明
圖1、本發(fā)明的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1、刀具基體2、ti過渡層3、zrnbc涂層4、zrnbcn涂層5、zrnbc涂層與zrnbcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
下面給出本發(fā)明的二個(gè)最佳實(shí)施例：
實(shí)施例1
本實(shí)施例所述的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具，該刀具為普通的銑刀片，其刀具基體材料為：硬質(zhì)合金m05，在刀具基體表面沉積有涂層，所述涂層自內(nèi)到外依次為：ti過渡層、zrnbc涂層與zrnbcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)，最外層為zrnbcn涂層。
本實(shí)施例所述的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具的制備工藝，沉積方式為采用非平衡磁控濺射+中頻磁控濺射復(fù)合鍍膜方法，沉積時(shí)使用2個(gè)非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶，2個(gè)中頻磁控濺射ti靶：首先采用中頻磁控濺射沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積zrnbc涂層與zrnbcn涂層，最外層為zrnbcn涂層。
所述非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶中包含重量分?jǐn)?shù)為60wt％的zr、20wt％的nb和20wt％的c。
所述的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具的制備工藝，具體包括以下步驟：
(1)對(duì)刀具基體表面前處理：首先將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各40min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)，抽真空至7.0×10-3pa，加熱至260℃，保溫35min；
(2)對(duì)刀具基體表面離子清洗：通ar氣，調(diào)其壓力為1.2pa，開啟偏壓電源，電壓500v，占空比0.4，輝光放電清洗30min；降低偏壓至400v，占空比0.3，開啟離子源離子清洗30min，開啟中頻磁控濺射ti靶電源，調(diào)ti靶電流30a，偏壓300v，占空比0.2，離子轟擊2～3min；
(3)在刀具基體表面沉積ti過渡層：調(diào)ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓降至210v，中頻磁控濺射ti靶電流35a，沉積溫度200℃，沉積ti過渡層4～5min；
(4)采用中頻磁控濺射在ti過渡層上沉積zrnbc涂層：調(diào)ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶電流35a，沉積zrnbc涂層2～3min；
(5)采用非平衡磁控濺射在zrnbc涂層上沉積zrnbcn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.2pa，調(diào)ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓180v，非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶電流40a，沉積溫度210℃，復(fù)合沉積zrnbcn涂層2～3min，沉積完成后關(guān)閉n2；
(6)采用非平衡磁控濺射在zrnbcn涂層上沉積zrnbc涂層：調(diào)ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶電流35a，沉積zrnbc涂層2～3min；
(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)…(5)，交替沉積zrnbcn涂層、zrnbc涂層、zrnbcn涂層···zrnbcn涂層，最外層為zrnbcn涂層，共沉積80min：
(8)后處理：關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
實(shí)施例2
本實(shí)施例所述的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具，該刀具為普通的銑刀片，其刀具基體材料為：高速鋼w18cr4v，在刀具基體表面沉積有涂層，所述涂層自內(nèi)到外依次為：ti過渡層、zrnbc涂層與zrnbcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)，最外層為zrnbcn涂層。
本實(shí)施例所述的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具的制備工藝，沉積方式為采用非平衡磁控濺射+中頻磁控濺射復(fù)合鍍膜方法，沉積時(shí)使用2個(gè)非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶，2個(gè)中頻磁控濺射ti靶：首先采用中頻磁控濺射沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積zrnbc涂層與zrnbcn涂層，最外層為zrnbcn涂層。
所述非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶中包含重量分?jǐn)?shù)為80wt％的zr、10wt％的nb和10wt％的c。
所述的zrnbc/zrnbcn疊層涂層刀具的制備工藝，具體包括以下步驟：
(1)對(duì)刀具基體表面前處理：首先將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各40min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)，抽真空至7.0×10-3pa，加熱至260℃，保溫35min；
(2)對(duì)刀具基體表面離子清洗：通ar氣，調(diào)其壓力為1.2pa，開啟偏壓電源，電壓500v，占空比0.4，輝光放電清洗30min；降低偏壓至400v，占空比0.3，開啟離子源離子清洗30min，開啟中頻磁控濺射ti靶電源，調(diào)ti靶電流30a，偏壓300v，占空比0.2，離子轟擊2～3min；
(3)在刀具基體表面沉積ti過渡層：調(diào)ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓降至210v，中頻磁控濺射ti靶電流35a，沉積溫度200℃，沉積ti過渡層4～5min；
(4)采用中頻磁控濺射在ti過渡層上沉積zrnbc涂層：調(diào)ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶電流35a，沉積zrnbc涂層2～3min；
(5)采用非平衡磁控濺射在zrnbc涂層上沉積zrnbcn涂層：開啟n2，n2氣壓為1.2pa，調(diào)ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓180v，非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶電流40a，沉積溫度210℃，復(fù)合沉積zrnbcn涂層2～3min，沉積完成后關(guān)閉n2；
(6)采用非平衡磁控濺射在zrnbcn涂層上沉積zrnbc涂層：調(diào)ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調(diào)至160v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射zrnbc復(fù)合靶電流35a，沉積zrnbc涂層2～3min；
(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)…(5)，交替沉積zrnbcn涂層、zrnbc涂層、zrnbcn涂層···zrnbcn涂層，最外層為zrnbcn涂層，共沉積80min：
(8)后處理：關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。