專利名稱：TiZrN涂層刀具及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械切削刀具制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種硬質(zhì)涂層刀具及其制備 方法。
背景技術(shù)：
TiN薄膜作為一種硬質(zhì)涂層，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機械加工刀具、刃具、各種模具、 各種耐磨涂層和各種金屬的耐腐蝕涂層和裝飾涂層等。TiN基薄膜是比較理想的薄膜體 系，在一個相當(dāng)寬的成分范圍內(nèi)比較穩(wěn)定，而且薄膜合成工藝已經(jīng)成熟。但是TiN涂 層也暴露出了一些問題，如抗氧化溫度低(450'C)、熱硬度低等，而且TiN薄膜一般 呈柱狀結(jié)構(gòu)，這種柱狀結(jié)構(gòu)之間存在著貫穿整個膜層的孔隙(也叫做針孔狀結(jié)構(gòu))，而 使基材得不到保護，耐腐蝕性差，尤其是不耐堿腐蝕。TiN基合金薄膜有著比TiN薄膜 更優(yōu)異的性能，成為新一代硬質(zhì)薄膜研究的重要內(nèi)容之一。
中國專利"專利號200510104988"報道了利用磁控濺射方法制備的至少兩層的 多層結(jié)構(gòu)的Ti基薄膜或Cr基薄膜，Ti基薄膜為Ti層、TiN層、Ti層、TiN層依次交 錯構(gòu)成，Cr基薄膜為Cr層、CrN層、Cr層、CrN層依次交錯構(gòu)成。中國專利"申請?zhí)?200610029133"報道了采用在氬氣氛中的雙靶濺射技術(shù)在拋光的金屬或陶瓷基體表面 交替沉積ZrU層和TiN層得到的Zr(VTiN納米多層涂層，Zr02層的厚度為2 8 ran， TiN層厚為0. 4 1. 2 nm，涂層總厚度為2 5 u m。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種硬質(zhì)涂層刀具及其制備方 法。該刀具其涂層為多層結(jié)構(gòu)，刀具表面為合金氮化物TiZrN層，TiZrN層與刀具基體 之間有Ti和Zr/Ti過渡層，以減小殘余應(yīng)力，增加涂層與刀具基體間的結(jié)合強度。該 硬質(zhì)涂層刀具進行干切削時，可達(dá)到減小摩擦、阻止粘結(jié)、降低切削力和切削溫度、 減小刀具磨損的目的。
本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的。
TiZrN涂層刀具，基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，涂層材料為Ti、 Zr/Ti和TiZrN;刀具表面為合金氮化物TiZrN層，TiZrN層與刀具基體之間有Ti和Zr/Ti過渡層。
TiZrN涂層刀具的制備方法，其特征在于沉積方式為多弧離子鍍膜法鍍Zr、 Zr/Ti 及TiZrN，其制備方法的步驟為
(1) 前處理將刀具基體材料拋光至鏡面，去除表面污染層，依次放入酒精和丙酮 中，超聲清洗各15 min，去除表面汗?jié)n和油污，干燥充分后迅速放入鍍膜機 真空室，真空室本底真空7.0Xl(TPa，加熱至200 °C，保溫30 40min;
(2) 離子清洗通Ar"其壓力為0.6 l,5Pa,開啟偏壓電源，電壓800 900 V， 占空比0.2，輝光放電清洗15min;偏壓降低至200 V/0. 2，開啟離子源離子 清洗15min,開啟電弧源，偏壓400V，靶電流50 70A，離子轟擊Ti靶0.5
(3) 沉積Ti:調(diào)整Ar2壓為0.4 0.5Pa，偏壓降低至150V，電弧鍍Til 2min;
(4) 沉積Ti/Zr:調(diào)整An壓為0.4 0.5Pa,偏壓150V，同時開啟Ti靶和Zr靶， 耙電流50 60A，電弧鍍Ti和Zr 2 3min;
(5) 沉積TiZrN:調(diào)整工作氣壓為0. 4 0. 5 Pa，偏壓150 V, Ti靶和Zr靶的靶電 流90 100A;開啟N2，調(diào)整N2與Ar2的分壓比為1:1，電弧鍍TiZrN 60 80 min;
(6) 后處理關(guān)閉鈦靶、鋯靶，關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
通過上述工藝制備的TiZrN涂層刀具，刀具表面為合金氮化物TiZrN層，TiZrN 層與刀具基體間具有Ti和Zr/Ti過渡層，可減小殘余應(yīng)力，增加涂層與刀具基體間的 結(jié)合強度。由于Zr摻雜，造成涂層的混晶強化、晶格畸變，使得涂層硬度很大；TiN 薄膜柱狀結(jié)構(gòu)的孔隙大為減少，涂層抗腐蝕性能提高。該涂層刀具可廣泛應(yīng)用于干切 削和難加工材料的切削加工以及有色金屬的切削加工，利用TiZrN涂層刀具進行干切 削是一種環(huán)境效益和經(jīng)濟效益俱佳的工藝選擇，具有廣闊應(yīng)用前景。


附圖為本發(fā)明的TiZrN涂層刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。圖中l(wèi)為刀具基體、2為Ti 層、3為Zr/Ti層、4為TiZrN層。
具體實施例方式下面給出本發(fā)明的二個最佳實施例
實施例一如附圖所示，TiZrN涂層刀具及其制備方法，該刀具的基體材料為 W18Cr4V高速鋼；涂層材料為Ti、 Zr/Ti和TiZrN;沉積方式為多弧離子鍍膜法鍍 Ti、 Zr/Ti和TiZrN。其制備工藝步驟如下
(1) 前處理將W18Cr4V高速鋼刀具基體材料拋光至鏡面，去除表面污染層，依次放入 酒精和丙酮中，超聲清洗各15 rnin，去除表面汗?jié)n和油污，干燥充分后迅速放入 鍍膜機真空室，真空室本底真空7.0X10—3Pa，加熱至200 'C，保溫30 min;
(2) 離子清洗通Ar"其壓力為0.8Pa，開啟偏壓電源，電壓800 V，占空比0.2, 輝光放電清洗15 min;偏壓降低至200 V/0. 2，開啟離子源離子清洗15 min，開 啟電弧源，偏壓400 V，靶電流50 A，離子轟擊Ti靶0.5 min;
(3) 沉積Ti:調(diào)整Ar2氣壓為0.4 Pa，偏壓降低至150 V，電弧鍍Ti 2 min;
(4) 沉積Ti/Zr:調(diào)整An氣壓為0. 4 Pa，偏壓150 V,同時開啟Ti靶和Zr靶，靶電 流60A，電弧鍍Ti和Zr 3 min;
(5) 沉積TiZrN:調(diào)整工作氣壓為0.4 Pa,偏壓200 V， Ti靶和Zr靶的靶電流90 A; 開啟N2，調(diào)整N2與Ar2的分壓比為1:1，電弧鍍TiZrN 60 min;
(6) 后處理關(guān)閉鈦耙、鋯耙，關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
實施例二如附圖所示，TiZrN涂層刀具及其制備方法，該刀具的基體材料為YT15 硬質(zhì)合金；涂層材料為Ti、 Zr/Ti和TiZrN;沉積方式為多弧離子鍍膜法鍍Ti、 Zr/Ti 和TiZrN。其制備工藝步驟如下
(1) 前處理將YT15硬質(zhì)合金刀具基體材料拋光至鏡面，去除表面污染層，依次放入 酒精和丙酮中，超聲清洗各15 min,去除表面汗?jié)n和油污，干燥充分后迅速放入 鍍膜機真空室，真空室本底真空7.0X10—3pa，加熱至200 。C，保溫40 min;
(2) 離子清洗通Ar"其壓力為l.OPa,開啟偏壓電源，電壓900 V，占空比0.2, 輝光放電清洗15 min;偏壓降低至200 V/0.2，開啟離子源離子清洗15 min，開 啟電弧源，偏壓400 V，靶電流70 A，離子轟擊Ti靶O. 5 min;
(3) 沉積Ti:調(diào)整Ar2氣壓為0.45 Pa，偏壓降低至150 V，電弧鍍Ti 2 min;
(4) 沉積Ti/Zr:調(diào)整Ar2氣壓為0. 45 Pa，偏壓150 V，同時開啟Ti靶和Zr靶，靶電流60 A，電弧鍍Ti和Zr 3 min:
(5) 沉積TiZrN:調(diào)整工作氣壓為0. 45 Pa，偏壓150 V， Ti靶和Zr靶的耙電流100 A; 開啟&，調(diào)整N2與Ar2的分壓比為1:1，電弧鍍TiZrN 80 min;
(6) 后處理關(guān)閉鈦靶、鋯耙，關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
權(quán)利要求
1、TiZrN涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，其特征是涂層材料為Ti、Zr/Ti和TiZrN；刀具表面為合金氮化物TiZrN層，TiZrN層與刀具基體之間有Ti和Zr/Ti過渡層。
2、 TiZrN涂層刀具的制備方法，其特征在于沉積方式為多弧離子鍍膜法鍍Ti、 Zr/Ti和TiZrN，其制備方法的步驟為(1) 前處理將刀具基體材料拋光至鏡面，去除表面污染層，依次放入酒精和丙 酮中，超聲清洗各15 min,去除表面汗?jié)n和油污，干燥充分后迅速放入鍍 膜機真空室，真空室本底真空7. 0X l(TPa，加熱至200 °C ，保溫30 40 min;(2) 離子清洗通Ar"其壓力為0,6 1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓800 900 V, 占空比0.2，輝光放電清洗15min;偏壓降低至200 V/0.2，開啟離子源離 子清洗15 min，開啟電弧源，偏壓400 V，靶電流50 70 A，離子轟擊Ti 耙0. 5 min;(3) 沉積Ti:調(diào)整Ar2氣壓為0.4 0.5 Pa，偏壓降低至150 V，電弧鍍Ti l 2 min;(4) 沉積Ti/Zr:調(diào)整Ar2氣壓為0. 4 0. 5 Pa，偏壓150 V，同時開啟Ti靶和 Zr靶，靶電流50 60 A,電弧鍍Ti和Zr 2 3min;(5) 沉積TiZrN:調(diào)整工作氣壓為0. 4 0. 5 Pa,偏壓150 V， Ti靶和Zr靶的靶 電流90 100A;開啟N2，調(diào)整N2與An的分壓為1:1，電弧鍍TiZrN 60 80 min;(6) 后處理關(guān)閉鈦靶、鋯靶，關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明屬于機械切削刀具制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種硬質(zhì)涂層刀具及其制備方法。該刀具為采用多弧離子鍍膜法制備的TiZrN+Zr/Ti+Ti復(fù)合涂層刀具，刀具表面為合金氮化物TiZrN層，TiZrN層與刀具基體之間具有Ti和Zr/Ti過渡層。該刀具表面的TiZrN層有著很高的硬度和強度、較低的摩擦系數(shù)、較好的抗氧化性能和熱穩(wěn)定性、高抗熱震性能，優(yōu)異的抗磨損和抗腐蝕性能，切削過程中可達(dá)到減小摩擦、阻止粘結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。該涂層刀具可廣泛應(yīng)用于干切削和難加工材料的切削加工以及有色金屬的切削加工。
文檔編號B23B27/00GK101596607SQ20091001486
公開日2009年12月9日 申請日期2009年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月4日
發(fā)明者宋文龍, 鄧建新, 培 顏 申請人:山東大學(xué)