專利名稱：一種具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有CRALTIN超晶格涂層的數(shù)控刀具及其制備方法。
背景技術(shù)：
機床是將金屬毛坯加工成機器零件的機器，是制造機器的機器，習(xí)慣上簡稱機床?，F(xiàn)代機械制造中，但凡屬精度要求較高和表面粗糙度要求較細(xì)的零件，都需在機床上用切削的方法進行最終加工。在一般的機器制造中，機床所擔(dān)負(fù)的加工工作量占機器總制造工作量的40%-60%，機床在國民經(jīng)濟現(xiàn)代化的建設(shè)中起著重大作用。因此，一個國家的機床，尤其是現(xiàn)代的數(shù)控機床已成為衡量一個國家制造工業(yè)的標(biāo)志。隨著新技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，制造工業(yè)對數(shù)控機床的要求也越來越高。以汽摩制造、航空航天、重工機械及精密儀表等為代表的先進制造工業(yè)對金屬材料的要求越來越高，金屬合金的強度、韌性及抗疲勞性能等顯著改善，加工的難度越來越大，對數(shù)控刀具提出了更高的要求。作為數(shù)控機床對金屬及合金材料加工的關(guān)鍵零部件一刀具，對所加工部件的表面光潔度、精度及加工的效率等有著重要的影響及決定性因素。要想使得刀具有高的使用壽命及良好的使用效果，首先刀具的基材要有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、抗腐蝕性及耐磨性。一般刀具的損壞不是折斷，而是表面首先出現(xiàn)磨損及腐蝕后開始的。因此，刀具表面的耐磨處理對刀具的壽命及加工部件的質(zhì)量有著顯著地影響。超細(xì)晶合金涂層刀具結(jié)合了刀具基材高強度、高韌性及硬質(zhì)陶瓷涂層的耐磨及超硬的優(yōu)點，具有高溫穩(wěn)定性好、耐磨及耐腐蝕等，有效改善了刀具的使用效果及使用壽命。由于刀具表面的涂層在磨損后，可以退鍍并再次進行鍍層處理，因而大大降低了數(shù)控刀具加工的成本。刀具表面的耐磨 涂層要求:高溫物理化學(xué)性能穩(wěn)定，抗磨及抗腐蝕性能好，摩擦系數(shù)低，且涂層與襯底有較高的結(jié)合強度等。目前廣泛應(yīng)用的工業(yè)化硬質(zhì)涂層包括TiN、CrN、GiC及TiAlN等，這些材料盡管對數(shù)控刀具的壽命及加工部件的質(zhì)量有顯著改善，但是由于涂層結(jié)構(gòu)基本為柱狀晶或發(fā)達(dá)的柱狀晶結(jié)構(gòu)，雖然涂層的硬度較高，但是耐磨性能差，摩擦系數(shù)較高，已越來越不能適應(yīng)高質(zhì)量的加工部件需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種硬度較高并且耐磨性能好、摩擦系數(shù)較低的具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具及其制備方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
一種具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具,包括超細(xì)晶硬質(zhì)合金刀具本體,所述刀具本體外表面沉積有CrAlTiN超晶格涂層，所述CrAlTiN超晶格涂層由內(nèi)到外包括有粘附層、支持層及耐磨層；所述粘附層為Ti金屬層，所述支持層為TiN層，所述耐磨層為CrAlN層與TiN層交替構(gòu)成的氮化物多層，該氮化物多層為多晶超晶格結(jié)構(gòu)。
進一步，所述數(shù)控刀具本體的基體材質(zhì)為WCSCo系硬質(zhì)合金，合金晶粒度為300_500nmo進一步，所述粘附層的厚度為50-100nm，所述支持層厚度為300-500nm，所述耐磨層厚度為為3-5 μ m。進一步，所述氮化物多層的調(diào)制波長約為6-12nm，其中，CrAlN層與TiN層的厚度比1: f 2:1，所述的CrAlN層為多晶結(jié)構(gòu)，每層厚度約為3_5nm，晶粒尺寸約為3_5nm。根據(jù)Hall-Patch關(guān)系可知，多晶材料的硬度隨著晶格厚度的減少而降低，但當(dāng)晶格厚度降到(3_7nm)時，單層涂層的硬度就能顯著地提高2_4倍，因此，超晶格復(fù)合涂層的硬度也會提高2-4倍；本發(fā)明的氮化物多層的CrAlN層與TiN層的厚度均在此范圍內(nèi)。具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具的制備方法，包括以下幾個步驟: a.將超細(xì)晶合金加工成刀具本體；
b.把刀具本體裝入閉合場非平衡磁控濺射系統(tǒng)內(nèi)進行輝光等離子體清洗，將四個濺射陰極靶包括兩個元素Ti靶及兩個CrAl合金靶，Ar等離子體環(huán)境，真空腔內(nèi)的Ar氣壓力小于0.1Pa,四個靶同時打開，并保持最小功率，濺射清洗時間約為5-15分鐘；
c.在真空度小于0.1Pa情況下，襯底偏壓到-6(T-100V，以沉積Ti金屬粘附層；
d.采用N2氣為反應(yīng)氣體，在真空度約0.1Pa情況下，襯底偏壓到-6(T-100V，Ar的流量為10 — 20SCCM，負(fù)反饋OEM的值為50—100，溫度為300-500°C，以沉積TiN層；
e.在真空腔內(nèi)的壓力約0.1-0.2Pa，負(fù)反饋系統(tǒng)的光強50-100的條件下，沉積CrAlN/TiN多層；
f.沉積完成后，自然冷卻，即得產(chǎn)品。

本發(fā)明所指OEM是現(xiàn)有的光纖光譜儀，本發(fā)明所述的負(fù)反饋系統(tǒng)、負(fù)反饋OEM、光譜儀、光譜控制儀均是指負(fù)反饋光纖光譜儀。進一步，每一層材料的交替沉積通過樣品架的旋轉(zhuǎn)來完成，樣品轉(zhuǎn)到每一個陰極靶前面就完成一層材料的沉積，旋轉(zhuǎn)一周就完成一個周期的沉積。進一步，所述氮化物多層的調(diào)制波長通過樣品架的轉(zhuǎn)速及濺射靶的功率來控制，樣品架的轉(zhuǎn)速為3-8轉(zhuǎn)/分。更進一步,所述Ar采用流量計控制,N2采用負(fù)反饋系統(tǒng)控制,沉積溫度采用熱電偶控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
1.本發(fā)明的數(shù)控刀具采用超細(xì)晶硬質(zhì)合金制作刀具本體，這種材料做刀具比普通工具鋼刀具有更高的硬度、韌性。超細(xì)晶硬質(zhì)合金的晶粒尺寸在500nm內(nèi)均勻分布，具有很高的硬度和抗彎強度、高的韌性、高的耐磨性。2.在刀具的基體上沉積CrTiAlN多層涂層。Ti層及TiN支持層的設(shè)置，使涂層的表面硬度及粘附強度具有顯著改善。經(jīng)測試，本發(fā)明的數(shù)控刀具具有大于35GPa的高顯微硬度，低摩擦系數(shù)(0.4)及優(yōu)異的附著力(60-120N)，耐高溫性能好(IOO(TC)的優(yōu)點；這主要是由于該涂層的致密度高，晶體結(jié)構(gòu)為微晶結(jié)構(gòu)，顯示為非柱狀晶模式，層間的界面能有效控制擴散及應(yīng)力的集中，阻止涂層中裂紋的擴展，使其耐磨、韌性、摩擦系數(shù)及結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性都有顯著改善，因此本發(fā)明的數(shù)控刀具的壽命及加工部件的質(zhì)量都有顯著提高。3.本發(fā)明刀具的CrTiAlN多層涂層采用非平衡磁控濺射方法制備，傳統(tǒng)的磁控濺射鍍膜(即涂層)的優(yōu)點是工藝較易控制，膜層表面光滑，缺點是離化率低，導(dǎo)致膜的致密度低，膜基結(jié)合力差。經(jīng)研究改進，在平衡磁控濺射基礎(chǔ)上發(fā)展了非平衡磁控濺射，本發(fā)明采用的閉合場非平衡磁控濺射的離子流是傳統(tǒng)磁控濺射離子流的100倍，所謂非平衡磁控濺射是將某一磁極的磁場對于另一極性相反磁極的磁場增強或減弱，這就導(dǎo)致了磁場分布的“非平衡”。在保證靶面水平磁場分量有效地約束二次電子運動，可以維持穩(wěn)定的磁控濺射放電的同時，另一部分電子沿著強磁極產(chǎn)生的垂直靶面的縱向磁場，可以使逃逸出靶面飛向鍍膜區(qū)域。這些飛離靶面的電子還會與中性粒子產(chǎn)生碰幢電離，進一步提高鍍膜空間的離子體密度，有利于提高沉積速率，更有利于沉積高品質(zhì)的鍍層。本發(fā)明的制備方法通過將樣品架三軸行星公轉(zhuǎn)，三軸公轉(zhuǎn)布局顯著改善了涂層的均勻性，樣品架的公轉(zhuǎn)使得沉積源的方向不斷改變，再加上高密度等離子體的轟擊，形成的涂層為非柱狀晶沉積模式，CrAlN及TiN每層材料的厚度通過靶功率及樣品架的公轉(zhuǎn)速率來控制；通過這種技術(shù)獲得多層涂層的顯微硬度高于每一層材料的硬度。4.本發(fā)明首次提出將非平衡磁控濺射方法制備的CrTiAlN多層涂層應(yīng)用到數(shù)控刀具，對其性能研究提供技術(shù)參考。


圖1為本發(fā)明沉積CrTiAlN涂層四個陰極靶的排列示意 圖2為本發(fā)明的制備的超細(xì)晶納米超晶格CrTiAlN涂層刀具的透射電鏡 圖3為本發(fā)明制備的超細(xì)晶納米超晶格CrTiAlN涂層刀具的顯微硬度與壓入深度的位移曲線；
圖4為本發(fā)明載荷為60N的劃痕圖。
具體實施例方式下面通過附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護內(nèi)容不僅限于以下實施例。如圖1所示，本發(fā)明所用的非平衡直流磁控濺射離子鍍?yōu)R射系統(tǒng)包括抽真空系統(tǒng)、濺射系統(tǒng)、冷卻及加熱系統(tǒng)，真空系統(tǒng)有設(shè)備機械泵、羅茨泵、擴散泵及真空腔體等；濺射系統(tǒng)包括四個陰極祀(兩個相對布置的位于磁極5的Ti祀材I及兩個對面布置的CrAl靶材2，四個陰極靶成90°排列，兩個2 X 2AE直流電源，樣品架4上接有5000W直流脈沖偏壓電源，樣品架的旋轉(zhuǎn)通過一個小型的電動機帶動，呈行星公轉(zhuǎn)模式，即樣品架4繞中心軸的公轉(zhuǎn)、每個小樣品架4的自轉(zhuǎn)及樣品的自轉(zhuǎn)，樣品的加熱通過一個在真空室3內(nèi)的熱電偶來控制，陰極靶及電源的冷卻通過冷熱集成冷卻系統(tǒng)來控制，冷水的供給通過一個5000W的冷水機及凈水機實現(xiàn)，冷卻水的溫度控制在10-15°C。真空室3內(nèi)配置有四路通氣管道，分別通工作氣體Ar、反應(yīng)氣體N2,工作氣體Ar有固定的工作流量，一般設(shè)置為20ccm，N2流通過光譜反饋控制系統(tǒng)控制。 實施例1
首先將制備好的硬質(zhì)合金刀具清洗干凈，裝夾在樣品架上，開始抽真空，當(dāng)本底真空度抽到低于1.0X 10_3Pa時，開始加熱，溫度穩(wěn)定在300°C，樣品架的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在4轉(zhuǎn)/分，通入Ar氣，并打開陰極靶的水冷裝置開始冷卻，同時打開四個陰極靶及偏壓電源，陰極靶功率保持最低打開，偏壓保持在500V，濺射清洗30分鐘；輝光清洗結(jié)束后，逐步降低襯底偏壓到100V，元素Ti靶逐漸增加功率，兩個合金靶仍然保持在最低功率狀態(tài)。以沉積金屬Ti粘附層；完成此工作后，調(diào)整Ti靶功率，此靶為光譜控制靶，光譜控制打開后，功率不再調(diào)整，打開光譜控制儀，把光強調(diào)到80，通反應(yīng)氣體N2,得到300-500nm的TiN層；調(diào)整兩個合金靶的濺射功率，已獲得表面的CrAlN/TiN多層，厚度約為2 μ m。完成整個濺射工藝后，關(guān)閉加熱電偶，樣品自然冷卻至室溫，即獲得有超晶格多層涂層的超細(xì)晶合金刀具樣品。實施例2
首先將制備好的WCSCo系硬質(zhì)合金刀具清洗干凈，裝夾在樣品架上，開始抽真空，當(dāng)本底真空度抽到低于1.0X 10_3Pa時，開始加熱，溫度穩(wěn)定在350°C，樣品架的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3轉(zhuǎn)/分，通入Ar氣，并打開陰極靶的水冷裝置開始冷卻，同時打開四個陰極靶及偏壓電源，陰極靶功率保持最低打開，偏壓保持在500V，濺射清洗30分鐘；輝光清洗結(jié)束后，逐步降低襯底偏壓到100V，元素Ti靶逐漸增加功率，兩個合金靶仍然保持在最低功率狀態(tài)。以沉積金屬Ti粘附層；完成此工作后，調(diào)整Ti靶功率，此靶為光譜控制靶，光譜控制打開后，功率不再調(diào)整，打開光譜控制儀，把光強調(diào)到80，通反應(yīng)氣體N2，得到300-500nm的TiN層；調(diào)整兩個合金靶的濺射電流，已獲得表面的CrAlN/TiN多層，厚度為3 μ m。完成整個濺射工藝后，關(guān)閉加熱電偶，樣品自然冷卻至室溫，即獲得有超晶格多層涂層的超細(xì)晶合金刀具樣品。圖2是本發(fā)明的超細(xì)·晶納米超晶格CrTiAlN涂層刀具的透射電鏡圖，從圖中可以看出:黑色的為TiN層，灰色的為CrAlN層，每一層厚度約為5nm。圖3是本發(fā)明制備的超細(xì)晶納米超晶格CrTiAlN涂層刀具的顯微硬度與壓入深度的位移曲線，從圖中可以看出:測試深度不超過涂層厚度的10%，測試結(jié)果顯示涂層的顯微硬度為35GPa。圖4是本發(fā)明載荷為60N的劃痕圖(采用CETR公司UMT-3多功能摩擦磨損試驗機)，從圖中可以看出:涂層的粘附強度能達(dá)到60N。以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明結(jié)構(gòu)的前提下，還可以作出若干變形和改進，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護范圍，這些都不會影響本發(fā)明實施的效果和專利的實用性。
權(quán)利要求
1.一種具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具，其特征在于，包括超細(xì)晶硬質(zhì)合金刀具本體，所述刀具本體外表面沉積有CrAlTiN超晶格涂層，所述CrAlTiN超晶格涂層由內(nèi)到外包括有粘附層、支持層及耐磨層；所述粘附層為Ti金屬層，所述支持層為TiN層，所述耐磨層為CrAlN層與TiN層交替構(gòu)成的氮化物多層，該氮化物多層為多晶超晶格結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具，其特征在于，所述數(shù)控刀具本體的基體材質(zhì)為WC8Co系硬質(zhì)合金，合金晶粒度為300-500nm。
3.如權(quán)利要求1所述的具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具，其特征在于，所述粘附層的厚度為50-100nm，所述支持層厚度為300-500nm，所述耐磨層厚度為為3_5 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具，其特征在于，所述氮化物多層的調(diào)制波長約為6-12nm，其中，CrAlN層與TiN層的厚度比1: f 2:1，所述的CrAlN層為多晶結(jié)構(gòu)，每層厚度約為3-5nm,晶粒尺寸約為3_5nm。
5.一種上述具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具的制備方法，包括以下幾個步驟:a.超細(xì)晶合金采用微波燒結(jié)技術(shù)，制備好的合金加工成刀具本體； b.把刀具本體裝入閉合場非平衡磁控濺射系統(tǒng)內(nèi)進行輝光等離子體清洗，將四個濺射陰極靶包括兩個元素Ti靶和兩個對稱的CrAl合金靶，Ar等離子體環(huán)境，真空腔內(nèi)的Ar氣壓力小于0.1Pa,四個靶同時打開，并保持最小功率，濺射清洗時間約為5-15分鐘； c.在真空度小于0.1Pa情況下，襯底偏壓到-6(T-100V，以沉積Ti金屬粘附層； d.采用N2氣為反應(yīng)氣體，在真空度約0.1Pa情況下，襯底偏壓到-6(T-100V，Ar的流量為20CCM，負(fù)反饋OEM的值為50-100，溫度為300-500°C，以沉積TiN層； e.在真空腔內(nèi)的壓力約0.1-0.2Pa，負(fù)反饋系統(tǒng)的光強50-100的條件下，沉積CrAlN/TiN多層； f.沉積完成后，自然冷卻，即得產(chǎn)品。
6.如權(quán)利要求5所述的具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具的制備方法，其特征在于，所述Ar采用流量計控制，N2采用負(fù)反饋系統(tǒng)控制，沉積溫度采用熱電偶控制。
7.如權(quán)利要求5或6所述的具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具的制備方法，其特征在于，每一層材料的交替沉積通過樣品架的旋轉(zhuǎn)來完成，樣品轉(zhuǎn)到每一個陰極靶前面就完成一層材料的沉積，旋轉(zhuǎn)一周就完成一個周期的沉積。
8.如權(quán)利要求7所述的具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具的制備方法，其特征在于，所述氮化物多層的調(diào)制波長通過樣品架的轉(zhuǎn)速及濺射靶的功率來控制，樣品架的轉(zhuǎn)速為3-8轉(zhuǎn)/分。
全文摘要
本發(fā)明屬于薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有CrAlTiN超晶格涂層的數(shù)控刀具及其制備方法，包括超細(xì)晶硬質(zhì)合金刀具本體，所述刀具本體外表面沉積有CrAlTiN超晶格涂層，所述CrAlTiN超晶格涂層由內(nèi)到外包括有粘附層、支持層及耐磨層；所述粘附層為Ti金屬層，所述支持層為TiN層，所述耐磨層為CrAlN層與TiN層交替構(gòu)成的氮化物多層，該氮化物多層為多晶超晶格結(jié)構(gòu)；本發(fā)明能解決現(xiàn)有技術(shù)中的數(shù)控刀具耐磨性能差，摩擦系數(shù)較高的問題，具有硬度較高并且耐磨性能好、摩擦系數(shù)較低的優(yōu)點，可以顯著提高刀具的壽命，改善加工部件的表面質(zhì)量。
文檔編號B23B27/14GK103212729SQ20131013256
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者周天勇, 石永敬, 王聯(lián), 蔣顯全, 潘復(fù)生 申請人:重慶市硅酸鹽研究所