本發明屬于機械制造金屬切削刀具領域，特別是涉及一種sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具及其制備工藝。
背景技術：
當代切削加工技術的快速發展對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展的方向。在刀具表面沉積硬質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：
針對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，本發明目的在于提供一種sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具及其制備工藝。
本發明所述的sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具，在刀具基體上從內到外依次為：ti過渡層、sinbc涂層與sinbcn涂層交替的復合疊層結構，最外層為sinbcn涂層；
其中：
刀具基體材料為高速鋼、工具鋼、模具鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石、立方氮化硼中的一種。
本發明所述的sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具的制備工藝，沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧離子鍍復合鍍膜方法，沉積時使用2個非平衡磁控濺射sinbc復合靶，2個電弧離子鍍ti靶：首先采用電弧離子鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積sinbc涂層與sinbcn涂層，最外層為sinbcn涂層。
所述非平衡磁控濺射sinbc復合靶中包含重量分數為40-70wt％的si、20-40wt％的nb和10-20wt％的c，所述非平衡磁控濺射sinbc復合靶采用真空熱壓法制備，其具體包括以下制備步驟：
(1)將重量配比好的粉末純度均為99.9％的si、nb和c的粉末混勻并裝入模具，然后將裝有粉末的模具置于真空熱壓爐；
(2)首先快速升溫，并在升溫開始施加初始壓力20-40mpa，然后慢速升溫至1000～1200℃，保溫，混合粉經熱壓燒結后成型得樣品；
(3)燒結結束后樣品隨爐冷卻降溫至150℃以下后出爐得非平衡磁控濺射sinbc復合靶。
所述的sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具的制備工藝，具體包括以下步驟：
(1)對刀具基體表面預處理；
(2)對刀具基體表面離子清洗；
(3)采用電弧離子鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層；
(4)采用非平衡磁控濺射方法在ti過渡層上沉積sinbc涂層；
(5)采用非平衡磁控濺射方法在sinbc涂層上沉積sinbcn涂層；
(6)采用非平衡磁控濺射方法在sinbcn涂層上沉積sinbc涂層；
(7)重復(5)、(6)、(5)……(6)、(5)，交替沉積sinbcn涂層、sinbc涂層、sinbcn涂層……sinbc涂層、sinbcn涂層，共沉積75min；
(8)后處理：關閉各靶電源、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40min，干燥充分后迅速放入鍍膜機，抽真空至8.0×10-3pa，加熱至280℃，保溫40min。
步驟(2)中通ar氣，調其壓力為1.1pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.2，輝光放電清洗50min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗45min，開啟電弧離子鍍ti靶電源，ti靶電流65a，偏壓250v，占空比0.2，離子轟擊1～2min。
步驟(3)中調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓降至170v，電弧離子鍍ti靶電流90a，沉積溫度260℃，沉積ti過渡層5～6min。
步驟(4)中關閉電弧離子鍍ti靶電源，調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至150v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射sinbc復合靶電流25a，沉積sinbc涂層1～2min。
步驟(5)中開啟n2，調n2氣壓為1.4pa，ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓150v，調非平衡磁控濺射sinbc復合靶電流30a，沉積溫度210℃，復合沉積sinbcn涂層1～2min，沉積完成關閉n2。
步驟(6)中調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至150v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射sinbc復合靶電流25a，沉積sinbc涂層1～2min。
本發明所制備的sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具，在刀具基體上從內到外依次為：ti過渡層、sinbc涂層與sinbcn涂層交替的復合疊層結構，最外層為sinbcn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造成的層間應力，提高了涂層與刀具基體間的結合性能，涂層中的其中si元素改善了涂層硬度和抗化學擴散性能，nb元素提高了涂層的硬度、強度和抗壓、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，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。
本發明采用非平衡磁控濺射+電弧離子鍍的復合鍍膜方法，直接采用非平衡磁控濺射sinbc復合靶作碳源，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。本發明所制備的sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具綜合了sinbc碳化物涂層、sinbcn碳氮化合物涂層及疊層結構的優點，具有高硬度、優異的抗化學擴散和抗氧化性能，刀片表面不易產生積屑瘤，并且保持良好的減摩潤滑及耐摩擦磨損性能，可降低高速干切削過程中的氧化磨損和擴散磨損，提高涂層刀具熱穩定性，減少切屑的粘結和摩擦，相比傳統ticn等涂層刀具，降低刀具磨損量60％以上，提高涂層刀具使用壽命和加工效率80％以上，可廣泛應用于鋼、鐵素體、馬氏體不銹鋼、鑄鐵、鈦合金等絕大多數工件材料的精加工和半精加工。
附圖說明
圖1為本發明的sinbc/sinbcn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、sinbc涂層4、sinbcn涂層5、sinbc涂層與sinbcn涂層交替的復合疊層結構。
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
本實施例所述的sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具，該刀具為普通的車刀片，其刀具基體材料為：硬質合金p25，在刀具基體上從內到外依次為：ti過渡層、sinbc涂層與sinbcn涂層交替的復合疊層結構，最外層為sinbcn涂層
本實施例所述的sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具的制備工藝，沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧離子鍍復合鍍膜方法，沉積時使用2個非平衡磁控濺射sinbc復合靶，2個電弧離子鍍ti靶：首先采用電弧離子鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積sinbc涂層與sinbcn涂層，最外層為sinbcn涂層。
所述非平衡磁控濺射sinbc復合靶中包含重量分數為70wt％的si、20wt％的nb和10wt％的c。
所述的sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具的制備工藝，具體包括以下步驟：
(1)對刀具基體表面預處理：首先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40min，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8.0×10-3pa，加熱至280℃，保溫40min；
(2)對刀具基體表面離子清洗：通ar氣，調其壓力為1.1pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.2，輝光放電清洗50min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗45min，開啟電弧離子鍍ti靶電源，ti靶電流65a，偏壓250v，占空比0.2，離子轟擊1～2min；
(3)采用電弧離子鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層：調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓降至170v，電弧離子鍍ti靶電流90a，沉積溫度260℃，沉積ti過渡層5～6min；
(4)采用非平衡磁控濺射方法在ti過渡層上沉積sinbc涂層：關閉電弧離子鍍ti靶電源，調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至150v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射sinbc復合靶電流25a，沉積sinbc涂層1～2min；
(5)采用非平衡磁控濺射方法在sinbc涂層上沉積sinbcn涂層：開啟n2，調n2氣壓為1.4pa，ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓150v，調非平衡磁控濺射sinbc復合靶電流30a，沉積溫度210℃，復合沉積sinbcn涂層1～2min，沉積完成關閉n2；
(6)采用非平衡磁控濺射方法在sinbcn涂層上沉積sinbc涂層：調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至150v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射sinbc復合靶電流25a，沉積sinbc涂層1～2min；
(7)重復(5)、(6)、(5)……(6)、(5)，交替沉積sinbcn涂層、sinbc涂層、sinbcn
涂層……sinbc涂層、sinbcn涂層，共沉積75min：
(8)后處理：關閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結束。
實施例2
本實施例所述的sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具，該刀具為普通鉸刀，其刀具基體材料為：高速鋼w18cr4v，在刀具基體上從內到外依次為：ti過渡層、sinbc涂層與sinbcn涂層交替的復合疊層結構，最外層為sinbcn涂層
本實施例所述的sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具的制備工藝，沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧離子鍍復合鍍膜方法，沉積時使用2個非平衡磁控濺射sinbc復合靶，2個電弧離子鍍ti靶：首先采用電弧離子鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積sinbc涂層與sinbcn涂層，最外層為sinbcn涂層。
所述非平衡磁控濺射sinbc復合靶中包含重量分數為40wt％的si、40wt％的nb和20wt％的c。
所述的sinbc/sinbcn疊層復合涂層刀具的制備工藝，具體包括以下步驟：
(1)對刀具基體表面預處理：首先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40min，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8.0×10-3pa，加熱至280℃，保溫40min；
(2)對刀具基體表面離子清洗：通ar氣，調其壓力為1.1pa，開啟偏壓電源，電壓600v，占空比0.2，輝光放電清洗50min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗45min，開啟電弧離子鍍ti靶電源，ti靶電流65a，偏壓250v，占空比0.2，離子轟擊1～2min；
(3)采用電弧離子鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層：調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓降至170v，電弧離子鍍ti靶電流90a，沉積溫度260℃，沉積ti過渡層5～6min；
(4)采用非平衡磁控濺射方法在ti過渡層上沉積sinbc涂層：關閉電弧離子鍍ti靶電源，調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至150v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射sinbc復合靶電流25a，沉積sinbc涂層1～2min；
(5)采用非平衡磁控濺射方法在sinbc涂層上沉積sinbcn涂層：開啟n2，調n2氣壓為1.4pa，ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓150v，調非平衡磁控濺射sinbc復合靶電流30a，沉積溫度210℃，復合沉積sinbcn涂層1～2min，沉積完成關閉n2；
(6)采用非平衡磁控濺射方法在sinbcn涂層上沉積sinbc涂層：調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至150v，沉積溫度210℃，開啟非平衡磁控濺射sinbc復合靶電流25a，沉積sinbc涂層1～2min；
(7)重復(5)、(6)、(5)……(6)、(5)，交替沉積sinbcn涂層、sinbc涂層、sinbcn
涂層……sinbc涂層、sinbcn涂層，共沉積75min：
(8)后處理：關閉各靶電源、離子源及氣體源，涂層結束。