本發明屬于機械制造金屬切削刀具領域，特別是涉及一種sizrcn梯度復合涂層刀具及其制備方法。

背景技術：

現代金屬切削加工要求刀具具有高切削速度、高進給量、長壽命、高精度等優良特性。高速鋼或硬質合金作為傳統的刀具材料，越來越難以滿足現代機械加工業的發展需要。因此，刀具表面涂層技術應運而生。刀具表面涂層技術是近幾十年發展起來的材料表面處理技術。在適當的工藝技術條件下，涂層具有很高的硬度，較低的摩擦系數，并且與基體材料有良好的結合力，因此可以大大提高金屬切削刀具的使用壽命。目前工業發達國家的涂層刀具使用量已占刀具總數的80％以上，數控機床上所用的刀具90％以上是涂層刀具。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多層復合涂層制備方法”(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涂層結構和制備方法進行改進。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400-500℃，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。

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，結合多元復合涂層結構的優點提供一種sizrcn梯度復合涂層刀具及其制備方法。該刀具采用非平衡磁控濺射和電弧鍍的復合鍍膜方法，直接采用sizrc復合靶提供碳源，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。該涂層結構為涂層刀具表面為氮含量梯度漸變的sizrcn梯度復合涂層，刀具基體與涂層間依次為ti過渡層和sizrc過渡層。該梯度復合涂層刀具中的si元素改善了涂層硬度和抗化學擴散性能，zr元素對涂層起到固溶強化作用，提高了涂層的硬度和抗磨損性能，使涂層刀具具有更優異的化學穩定性和紅硬性，可顯著提高刀具的切削壽命和加工效率。同時該多層梯度結構能夠減緩涂層與基體之間的熱膨脹系數和彈性模量差異，改善結構和性能上的匹配性，增大涂層與基體的結合力和涂層的耐沖擊性能。

為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

本發明sizrcn梯度復合涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、工具鋼、模具鋼、硬質合金、陶瓷或立方氮化硼中的一種，涂層刀具由內到外依次為刀具基體、ti過渡層、sizrc過渡層和氮含量梯度漸變的sizrcn梯度復合涂層。

本發明所述的sizrcn梯度復合涂層刀具的制備方法，沉積方式采用非平衡磁控濺射和電弧鍍的復合鍍膜方法，沉積時使用2個非平衡磁控濺射sizrc復合靶，2個電弧鍍ti靶，首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法沉積sizrc過渡層和氮含量梯度漸變的sizrcn梯度復合涂層，其制備方法的具體步驟如下：

(1)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25min，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6.0×10^-3pa，加熱至250℃，保溫20～25min；

(2)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0.4，輝光放電清洗20min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗30min，開啟電弧鍍ti靶電源，ti靶電流60a，偏壓300v，離子轟擊2～3min；

(3)沉積ti過渡層：ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓降至220v，ti靶電流80a，沉積溫度200℃，電弧鍍ti過渡層5～6min；

(4)沉積sizrc過渡層：ar氣壓0.6～0.7pa，偏壓調至200v，關閉電弧鍍ti靶電源，開啟非平衡磁控濺射sizrc靶電流40a，沉積sizrc過渡層5～6min；

(5)沉積sizrcn梯度復合層：開啟n2，n2氣壓為0.9pa，ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓180v，sizrc靶電流40a，沉積溫度220℃，沉積sizrcn復合層14～15min，其它參數不變，升高n2氣壓，n2氣壓每次升高0.1pa，沉積sizrcn復合層14～15min，直至n2氣壓升至1.4pa，再沉積sizrcn復合層14～15min；

(6)后處理：關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。

通過上述工藝制備的sizrcn梯度復合涂層刀具，刀具表面為氮含量梯度漸變的sizrcn梯度復合涂層，刀具基體與涂層間依次為ti過渡層和sizrc過渡層，以減小殘余應力，增加涂層與刀具基體間的結合強度。該梯度復合涂層刀具中的si元素改善了涂層硬度和抗化學擴散性能，zr元素zr元素對涂層起到固溶強化作用，提高了涂層的硬度和抗磨損性能，使涂層刀具具有更優異的化學穩定性和可靠性，且涂層結構成分氮含量梯度漸變，可改善傳統碳氮化合物涂層刀具的物理機械性能。同時該多層梯度結構能夠減緩涂層與基體之間的熱膨脹系數和彈性模量差異，改善結構和性能上的匹配性，增大涂層與基體的結合力和涂層的耐沖擊性能。

該sizrcn梯度復合涂層刀具具有很高的硬度、熱穩定性，同時具有良好的抗擴散磨損性、抵抗塑性變形能力和優異的摩擦磨損特性。切削過程中該刀具可有效防止切削刃崩刃及熱裂紋的產生，保證工件加工表面質量，同時提高刀具使用壽命70％以上，該sizrcn梯度復合涂層刀具可廣泛應用于鑄鐵、鐵基p/m材料、耐熱合金、鈦合金等材料的高速、高精密切削加工。

附圖說明

圖1為本發明的sizrcn梯度復合涂層刀具的截面示意圖；

圖中：1為刀具基體、2為ti過渡層、3為sizrc過渡層、4為sizrcn梯度復合涂層。

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：

本發明sizrcn梯度復合涂層刀具及其制備方法，該刀具為普通的銑刀片，其基體材料為：硬質合金p20，涂層刀具由內到外依次為刀具基體、ti過渡層、sizrc過渡層和氮含量梯度漸變的sizrcn梯度復合涂層。沉積時采用非平衡磁控濺射和電弧鍍的復合鍍膜方法，使用2個非平衡磁控濺射sizrc復合靶，2個電弧鍍ti靶。首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法沉積sizrc過渡層和氮含量梯度漸變的sizrcn梯度復合涂層，具體步驟如下：

(1)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25min，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6.0×10^-3pa，加熱至250℃，保溫20min；

(2)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0.4，輝光放電清洗20min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗30min，開啟電弧鍍ti靶電源，ti靶電流60a，偏壓300v，離子轟擊2min；

(3)沉積ti過渡層：ar氣壓0.7pa，偏壓降至220v，ti靶電流80a，沉積溫度200℃，電弧鍍ti過渡層5min；

(4)沉積sizrc過渡層：ar氣壓0.6pa，偏壓調至200v，關閉電弧鍍ti靶電源，開啟非平衡磁控濺射sizrc靶電流40a，沉積sizrc過渡層5min；

(5)沉積sizrcn梯度復合層：開啟n2，n2氣壓為0.9pa，ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓180v，sizrc靶電流40a，沉積溫度220℃，沉積sizrcn復合層14min，其它參數不變，升高n2氣壓，n2氣壓每次升高0.1pa，沉積sizrcn復合層14min，直至n2氣壓升至1.4pa，再沉積sizrcn復合層14min；

(6)后處理：關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。

實施例2：

本發明sizrcn梯度復合涂層刀具及其制備方法，該刀具為普通面銑刀，其刀具基體材料為：高速鋼w18cr4v，涂層刀具由內到外依次為刀具基體、ti過渡層、sizrc過渡層和氮含量梯度漸變的sizrcn梯度復合涂層。沉積方式為采用非平衡磁控濺射和電弧鍍的復合鍍膜方法，沉積時使用2個非平衡磁控濺射sizrc復合靶，2個電弧鍍ti靶，首先采用電弧鍍沉積ti過渡層，然后采用非平衡磁控濺射方法沉積sizrc過渡層和氮含量梯度漸變的sizrcn梯度復合涂層，具體步驟如下：

(1)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25min，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6.0×10^-3pa，加熱至250℃，保溫25min；

(2)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0.4，輝光放電清洗20min；降低偏壓至400v，占空比0.2，開啟離子源離子清洗30min，開啟電弧鍍ti靶電源，ti靶電流60a，偏壓300v，離子轟擊3min；

(3)沉積ti過渡層：ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓降至220v，ti靶電流80a，沉積溫度200℃，電弧鍍ti過渡層6min；

(4)沉積sizrc過渡層：ar氣壓0.7pa，偏壓調至200v，關閉電弧鍍ti靶電源，開啟非平衡磁控濺射sizrc靶電流40a，沉積sizrc過渡層6min；

(5)沉積sizrcn梯度復合層：開啟n2，n2氣壓為0.9pa，ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓180v，sizrc靶電流40a，沉積溫度220℃，沉積sizrcn復合層15min，其它參數不變，升高n2氣壓，n2氣壓每次升高0.1pa，沉積sizrcn復合層15min，直至n2氣壓升至1.4pa，再沉積sizrcn復合層15min；

(6)后處理：關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。