AlC/AlCN叠层涂层刀具及其制备工艺

摘要

本发明属于机械制造切削刀具领域，特别是涉及一种AlC/AlCN叠层涂层刀具及其制备工艺。采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法制备AlC/AlCN叠层涂层刀具，刀具基体表面为AlCN涂层，AlCN涂层与刀具基体之间有Ti过渡层，AlCN涂层与Ti过渡层之间为AlC涂层与AlCN涂层交替的复合叠层涂层结构。本发明制备工艺沉积温度控制在300℃以下，可在更为广泛的刀具基体上制备。本发明所制得的AlC/AlCN叠层涂层刀具综合了AlC涂层和AlCN涂层的优点，具有更优异的化学稳定性和抗高温氧化能力，可显著改善涂层刀具的摩擦磨损性能，提高刀具的切削寿命和加工效率，同时该叠层复合结构的层间界面可阻止涂层柱状晶的生长，阻碍裂纹和缺陷的扩展，提高涂层的硬度、韧性和耐冲击性。

权利要求

1.一种AlC/AlCN叠层涂层刀具的制备工艺，其特征在于：刀具基体的材料为高速钢、工具钢、模具钢、硬质合金、陶瓷中的一种，刀具最外层为AlCN涂层，AlCN涂层与刀具基体之间有Ti过渡层，AlCN涂层与Ti过渡层之间为AlC涂层与AlCN涂层交替的复合叠层结构；沉积方式为采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法，首先在刀具基体上采用电弧镀沉积Ti过渡层，沉积时采用2个电弧Ti靶，然后采用非平衡磁控溅射交替沉积AlC涂层与AlCN涂层的复合叠层，沉积时使用2个复合AlC非平衡磁控溅射靶，最外层为AlCN涂层；其中，AlC非平衡磁控溅射靶中包含重量分数为75%-85%的Al和15%-25%的C；所述制备工艺具体包括以下步骤：(1)前处理：将刀具基体表面抛光，去除表面油污、锈迹等杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各40 min，去除刀具表面油污和其它附着物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至6.0×10-3 Pa，加热至300 ℃，保温35 40 min；

~

(2)离子清洗：通Ar气，其压力为1.6 Pa，开启偏压电源，电压800 V，占空比0.4，辉光放电清洗15 min；降低偏压至600 V，开启离子源离子清洗10 min，开启电弧Ti靶电源，Ti靶电流50 A，偏压300 V，离子轰击1 2 min；

~

(3)沉积Ti过渡层：Ar气压0.5 0.6 Pa，偏压降至200 V，Ti靶电流70 A，沉积温度250 ~℃，电弧镀Ti过渡层5 7 min；

~

(4)沉积AlC层：Ar气压0.5 0.6 Pa，偏压调至250 V，关闭电弧Ti靶电源，开启磁控溅射~AlC靶电流30 A，沉积AlC层4 5 min；

~

(5)沉积AlCN层：开启N2，N2气压为1.2 Pa，Ar气压0.5 Pa，偏压200 V，AlC靶电流35 A，沉积温度280 ℃，复合沉积AlCN层4 5 min；

~

(6)沉积AlC层：关闭N2，重复(4)；

(7)沉积AlCN层：开启N2，重复(5)；

(8)重复(6)、(7)、(6)…交替沉积AlC层、AlCN层、AlC层…AlCN层共100min；

(9)后处理：关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

说明书

AlC/AlCN叠层涂层刀具及其制备工艺

技术领域

[0001] 本发明属于机械制造金属切削刀具领域，特别是涉及一种AlC/AlCN叠层涂层刀具及其制备工艺。

背景技术

[0002] 对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具将刀具基体与硬质涂层相结合，使刀具性能大大提高。TiC和TiN涂层是最早应用在刀具表面上的涂层。然而，随着切削加工技术的发展以及高速切削技术的推广，二元氮化物硬质涂层相对较弱的韧性和耐磨性限制了其应用。文献(ActaMaterials.2011,59(1):68-74)报道了TiN硬涂层刀具切削加工时的作用机理及使用性能，但是这种硬涂层由于相对较高的摩擦系数，使用受到了限制。通过制备多元复合结构的涂层可以显著提高涂层的韧性、强度及耐冲击性等综合性能，涂层的多元复合结构已经成为涂层刀具的重要发展方向。TiCN是目前最广泛使用的三元碳氮化合物涂层，TiCN涂层由于兼具TiC的高硬度和TiN的良好韧性，显著提高了其摩擦磨损性能(JinlongLi,ShihongZhang,MingxiLi.InfluenceoftheC2H2flowrateongradientTiCNfilmsdepositedby multi-arcionplating[J].AppliedSurfaceScience,2013(283):134-144.)，已广泛应用于铣削、攻牙、冲压、成型及滚齿的加工，在高速切削时比普通硬质合金刀具的耐磨性高5-8倍。但TiCN涂层存在热稳定性差的缺点，在高温时涂层硬度下降太快(红硬性较差)和摩擦系数增大，限制了其在高速切削和绿色干式切削过程中的推广应用。

[0003] 目前TiCN等碳氮化合物主要通过化学气相沉积技术(CVD)等技术制备，即通过TiCl4(或Ti靶)、CH4(或C2H2)以及N2等气体反应生成，沉积温度通常超过400℃，对基体产生不利影响，同时气体碳源容易对涂层设备造成污染，制约了其广泛应用。中国专利“汽轮机转子轮槽铣刀表面TiCN多层复合涂层制备工艺”(专利号201510564738.5)采用Ti、氮气(N2)与乙炔气体(C2H2)在450℃沉积温度下制备了TiCN涂层铣刀，解决了26NiCrMov145材料转子加工难题。

[0004] 层状复合材料是近几年发展起来的材料增强增韧新技术，这种结构是通过模仿贝壳而来，因此又叫仿生叠层复合材料。自然界中贝壳的珍珠层是一种天然的层状结构材料，其断裂韧性却比普通单一均质结构高出3000倍以上。因此，通过模仿生物材料结构形式的层间设计，制备出的叠层复合涂层可以显著提高目前碳氮化合物涂层的韧性、稳定性及减摩耐磨性等综合性能。

发明内容

[0005] 针对现有三元碳氮化合物涂层刀具性能及制备方法的不足，本发明目的在于提供一种AlC/AlCN叠层涂层刀具及其制备工艺。

[0006] 本发明所述的AlC/AlCN叠层涂层刀具，刀具基体最外层为AlCN涂层，AlCN涂层与刀具基体之间有Ti过渡层，AlCN涂层与Ti过渡层之间为AlC与AlCN交替的复合叠层结构。

[0007] 本发明所述的AlC/AlCN叠层涂层刀具的制备工艺，沉积方式为采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法，首先在刀具基体上采用电弧镀沉积Ti过渡层，沉积时采用2个电弧Ti靶，然后采用非平衡磁控溅射交替沉积AlC与AlCN复合叠层，沉积时采用2个复合AlC非平衡磁控溅射靶，最外层为AlCN涂层；其中，AlC非平衡磁控溅射靶中包含重量分数为75％-85％的Al和15％-25t％的C。

[0008] 刀具基体的材料为高速钢、工具钢、模具钢、硬质合金、陶瓷、金刚石或立方氮化硼中的一种。

[0009] 所述的AlC/AlCN叠层涂层刀具的制备工艺，具体步骤如下：

[0010] (1)对刀具基体表面前处理；

[0011] (2)对刀具基体表面离子清洗；

[0012] (3)采用电弧镀在刀具表面沉积Ti过渡层；

[0013] (4)采用非平衡磁控溅射在Ti过渡层上沉积AlC涂层；

[0014] (5)采用非平衡磁控溅射在AlC涂层上沉积AlCN涂层；

[0015] (6)采用非平衡磁控溅射在AlCN涂层上沉积AlC涂层；

[0016] (7)重复(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉积AlC涂层、AlCN涂层共100min，最后表面为AlCN涂层；

[0017] (8)后处理：关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

[0018] 其中：

[0019] 步骤(1)中刀具基体首先表面抛光，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各40min，去除刀具表面油污、锈迹等杂质，干燥后放入镀膜机，抽真空至6.0×10-3Pa，加热至
300℃，保温35～40min。

[0020] 步骤(2)中向镀膜机中通Ar气，控制压力为1.6Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.4，辉光放电清洗15min；降低偏压至600V，开启离子源离子清洗10min，开启电弧Ti靶电源，Ti靶电流50A，偏压300V，离子轰击1～2min。

[0021] 步骤(3)中调Ar气压0.5～0.6Pa，偏压降至200V，Ti靶电流70A，沉积温度250℃，电弧镀沉积Ti过渡层5～7min。

[0022] 步骤(4)中调Ar气压0.5～0.6Pa，偏压调至250V，关闭电弧Ti靶，非平衡磁控溅射AlC靶电流30A，沉积AlC涂层4～5min。

[0023] 步骤(5)中首先开启N2，N2气压为1.2Pa，Ar气压0.5Pa，偏压200V，非平衡磁控溅射AlC靶电流35A，沉积温度280℃，沉积AlCN涂层4～5min，沉积完成后关闭N2。

[0024] 步骤(6)中调Ar气压0.5～0.6Pa，偏压调至250V，调非平衡磁控溅射AlC靶电流30A，沉积AlC涂层4～5min。

[0025] 本发明所述AlC非平衡磁控溅射靶采用真空热压法制备，即将装有Al粉末、C粉末混合粉的模具置入真空热压炉，经热压烧结后成型所得。

[0026] 本发明采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法所制得的AlC/AlCN叠层涂层刀具，刀具表面为AlCN涂层，刀具基体与涂层间有Ti过渡层，AlCN涂层与Ti过渡层之间是AlC和AlCN交替的复合叠层涂层结构。基体上的Ti过渡层主要作用是减缓因涂层成分突变造成的层间应力，提高了涂层与刀具基体间的结合性能。涂层中的Al不仅起固溶强化作用，还能跟氧结合形成致密的Al2O3保护膜，可改善涂层的高温氧化性能。同时该叠层复合结构的层间界面可阻止涂层柱状晶的生长，阻碍裂纹和缺陷的扩展，提高涂层的硬度、韧性和耐冲击性。

[0027] 本发明与现有技术相比，具有以下有益效果。

[0028] 本发明采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法，沉积温度控制在300℃以下，可在更为广泛的刀具基体上制备。所制得的AlC/AlCN叠层涂层刀具综合了超硬碳氮化合物涂层、碳化物涂层及叠层结构的优点，可明显改善传统TiCN涂层刀具的物理机械性能，使涂层之间的结合力提高20％，涂层的强度和韧性提高15％，稳定性和耐冲击性能提高20-30％，涂层的高温氧化性能提高40％，降低刀具与切屑之间的摩擦10％以上，刀具的使用寿命及切削性能提高30％以上。另外，叠层结构通过不同材料结构和成分组成的层间界面可以减缓涂层的过早剥落和裂纹的扩展。所制得的AlC/AlCN叠层涂层刀具可广泛应用于各种黑色金属和有色金属的高速切削加工，拓展了涂层刀具的使用范围。

附图说明

[0029] 图1、本发明的AlC/AlCN叠层涂层刀具的涂层结构示意图。

[0030] 图中：1、刀具基体2、Ti过渡层3、AlC涂层4、AlCN涂层5、AlC涂层与AlCN涂层交替的叠层结构。

具体实施方式

[0031] 下面给出本发明的最佳实施例：

[0032] 实施例1

[0033] 一种AlC/AlCN叠层涂层刀具，该刀具为普通的铣刀片，其基体材料为：硬质合金YG8，刀具基体最外层为AlCN涂层，AlCN涂层与刀具基体之间有Ti过渡层，AlCN涂层与Ti过渡层之间为AlC涂层与AlCN涂层交替的复合叠层结构。本发明沉积方式为采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法，首先在刀具基体上采用电弧镀沉积Ti过渡层，沉积时采用2个电弧Ti靶，然后采用非平衡磁控溅射交替沉积AlC与AlCN复合叠层，沉积时采用2个复合AlC非平衡磁控溅射靶，最外层为AlCN涂层；其中，AlC非平衡磁控溅射靶中包含重量分数为75％的Al和25％的C。

[0034] 其具体制备工艺为：

[0035] (1)对刀具基体表面前处理：将刀具基体表面抛光，去除表面油污、锈迹等杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各40min，去除刀具表面油污和其它附着物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至6.0×10-3Pa，加热至300℃，保温35～40min；

[0036] (2)对刀具基体表面离子清洗：通Ar气，其压力为1.6Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.4，辉光放电清洗15min；降低偏压至600V，开启离子源离子清洗10min，开启电弧Ti靶电源，Ti靶电流50A，偏压300V，离子轰击1～2min；

[0037] (3)采用电弧镀在刀具表面沉积Ti过渡层：Ar气压0.5～0.6Pa，偏压降至200V，Ti靶电流70A，沉积温度250℃，电弧镀Ti过渡层5～7min；

[0038] (4)采用非平衡磁控溅射在Ti过渡层上沉积AlC涂层：Ar气压0.5～0.6Pa，偏压调至250V，关闭电弧Ti靶电源，开启非平衡磁控溅射AlC靶电流30A，沉积AlC涂层4～5min；

[0039] (5)采用非平衡磁控溅射在AlC涂层上沉积AlCN涂层：开启N2，N2气压为1.2Pa，Ar气压0.5Pa，偏压200V，AlC靶电流35A，沉积温度280℃，复合沉积AlCN涂层4～5min，沉积完成后关闭N2；

[0040] (6)采用非平衡磁控溅射在AlCN涂层上沉积AlC涂层：Ar气压0.5～0.6Pa，偏压调至250V，调非平衡磁控溅射AlC靶电流30A，沉积AlC涂层4～5min；

[0041] (7)重复(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉积AlC涂层、AlCN涂层共100min，最外层为AlCN涂层；

[0042] (8)后处理：关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

[0043] 实施例2

[0044] 一种AlC/AlCN叠层涂层刀具及其制备方法，该刀具为普通麻花钻，其刀具基体材料为：高速钢W18Cr4V，刀具基体最外层为AlCN涂层，AlCN涂层与刀具基体之间有Ti过渡层，AlCN涂层与Ti过渡层之间为AlC涂层与AlCN涂层交替的复合叠层结构。本发明沉积方式为采用非平衡磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法，首先在刀具基体上采用电弧镀沉积Ti过渡层，沉积时采用2个电弧Ti靶，然后采用非平衡磁控溅射交替沉积AlC与AlCN复合叠层，沉积时采用2个复合AlC非平衡磁控溅射靶，最外层为AlCN涂层；其中，AlC非平衡磁控溅射靶中包含重量分数为85％的Al和15％的C。

[0045] (1)刀具基体表面前处理：将刀具基体表面抛光，去除表面油污、锈迹等杂质，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各40min，去除刀具表面油污和其它附着物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机，抽真空至6.0×10-3Pa，加热至300℃，保温35～40min；

[0046] (2)刀具基体表面离子清洗：通Ar气，其压力为1.6Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.4，辉光放电清洗15min；降低偏压至600V，开启离子源离子清洗10min，开启电弧Ti靶电源，Ti靶电流50A，偏压300V，离子轰击1～2min；

[0047] (3)采用电弧镀在刀具表面沉积Ti过渡层：Ar气压0.5～0.6Pa，偏压降至200V，Ti靶电流70A，沉积温度250℃，电弧镀Ti过渡层5～7min；

[0048] (4)采用非平衡磁控溅射在Ti过渡层上沉积AlC涂层：Ar气压0.5～0.6Pa，偏压调至250V，关闭电弧Ti靶电源，开启非平衡磁控溅射AlC靶电流30A，沉积AlC涂层4～5min；

[0049] (5)采用非平衡磁控溅射在AlC涂层上沉积AlCN涂层：开启N2，N2气压为1.2Pa，Ar气压0.5Pa，偏压200V，非平衡磁控溅射AlC靶电流35A，沉积温度280℃，复合沉积AlCN涂层4～5min，沉积完成后关闭N2；

[0050] (6)采用非平衡磁控溅射在AlCN涂层上沉积AlC涂层：Ar气压0.5～0.6Pa，偏压调至250V，调非平衡磁控溅射AlC靶电流30A，沉积AlC涂层4～5min；

[0051] (7)重复(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉积AlC涂层、AlCN涂层共100min，最后表面为AlCN涂层；

[0052] (8)后处理：关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。