本發(fā)明涉及刀具涂層領(lǐng)域，具體涉及一種新型鈦鋯基超硬工具涂層及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、高速切削加工作為一項先進(jìn)的制造技術(shù)，在高精密制造中貢獻(xiàn)了巨大的作用。相較于常規(guī)切削加工技術(shù)，它集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身。在切削過程中，高速加工狀態(tài)必然產(chǎn)生大量的熱量，為保證切削刀具的正常使用，大多數(shù)機械加工中選擇加入切削液降低溫度。但是加工過程中產(chǎn)生的高溫使切削液呈霧狀揮發(fā)，嚴(yán)重污染環(huán)境并威脅操作者的健康。為促進(jìn)高速切削加工綠色轉(zhuǎn)型，提出干式切削技術(shù)。然而，干式切削技術(shù)是在無冷卻條件下進(jìn)行磨削的工藝，缺少切削液的冷卻潤滑與排屑功能，磨削區(qū)刀具與工件之間的摩擦面積加大，切削阻力上升，出現(xiàn)磨削震動加大以及排屑不暢等狀況，大大降低工件表面質(zhì)量和刀具使用壽命。

2、為克服這些難題，通常需要對刀具的表面進(jìn)行處理，通過物理氣相沉積技術(shù)于刀具表面沉積一層保護(hù)涂層，這種涂層可以提高刀具的性能，同時也能延長其使用壽命。然而，對于傳統(tǒng)的刀具涂層，例如tin、crn以及tialn等，已經(jīng)逐漸發(fā)現(xiàn)它們難以滿足這些嚴(yán)格的性能標(biāo)準(zhǔn)。這些傳統(tǒng)的涂層在高溫高壓的環(huán)境下，其性能可能會下降，從而無法達(dá)到更高的使用要求。因此，需要研發(fā)新的涂層材料和制備技術(shù)，以滿足刀具在高溫高壓環(huán)境下的性能需求。

3、在申請?zhí)枮?02310681051.4的中國專利中，通過在刀具基體與多層涂層之間設(shè)置韌性較好、硬度較低的粘結(jié)層提高涂層具有較高的結(jié)合強度，但過渡層單一，粘結(jié)層與周期復(fù)合層之間成分差異較大，存在熱膨脹系數(shù)差異，涂層使用過程中易崩裂性，過早失效；粘結(jié)層厚度過薄，雖然可以提高粘結(jié)強度，但是不能對復(fù)合交替層和功能層起到很好的支撐作用，容易造成涂層早期失效。高溫退火后涂層的硬度是涂層結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的一個主要力學(xué)參量，也是其能否長期使用的一個重要指標(biāo)，該發(fā)明al基涂層抗氧化性能優(yōu)異，但是高溫下力學(xué)性能不足，刀具切削過程中容易發(fā)生磨損。在申請?zhí)枮?01680023831.8的中國專利中，實施例硬度顯示為2200hv-3200hvg，硬度偏低，耐磨損性能有待提高；該發(fā)明目的是提高鈦合金切削過程中抗黏附性能；該發(fā)明涂層成分主要為al元素，抗氧化性能優(yōu)異，但是高溫下力學(xué)性能不足，刀具切削過程中容易發(fā)生磨損；實施例顯示涂層厚度3um左右，涂層厚度較薄，耐沖擊性能有待提高；涂層制備過程中，經(jīng)ar離子蝕刻后直接鍍膜，為進(jìn)行硬度梯度結(jié)果設(shè)計，結(jié)合強度有待提高。在申請?zhí)枮?02310559774.7的中國專利中，使用磁控濺射方式，從實施例附圖可看出涂層與基體間結(jié)合強度(lc1)較弱，氧化前部分實施例不足5n，耐崩裂性能較弱；實施例硬度僅有28.8gpa，耐磨損性能有待提高；涂層厚度較薄，實施例顯示僅1um左右，耐沖擊性能不強；涂層制備過程中，3組靶材同時濺射，工藝復(fù)雜，重復(fù)率低。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明設(shè)計開發(fā)了一種新型鈦鋯基超硬工具涂層，本發(fā)明的發(fā)明目的是解決了現(xiàn)有刀具涂層高溫硬度低、耐磨損性能不強、耐崩裂性能較弱的問題。

2、本發(fā)明設(shè)計開發(fā)了一種新型鈦鋯基超硬工具涂層的制備方法，本發(fā)明的發(fā)明目的是提供了一種在制備過程中通過引入成分梯度變化的過渡層，將tizralcrn和tizralcrsin復(fù)合構(gòu)建成為超硬強韌耐高溫刀具涂層材料的制備方法。

3、本發(fā)明設(shè)計開發(fā)了一種新型鈦鋯基超硬工具涂層的應(yīng)用，本發(fā)明的發(fā)明目的是解決超硬強韌耐高溫刀具涂層的應(yīng)用問題。

4、本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

5、一種新型鈦鋯基超硬工具涂層的制備方法，包括如下步驟：

6、步驟一、將待鍍樣品清洗后置于鍍膜爐，抽真空后將基體加熱，進(jìn)行離子注入；

7、步驟二、調(diào)節(jié)氬氣流量，保持真空態(tài)，打開tizralcr靶電弧電源沉積tizralcr層后，關(guān)閉tizralcr靶電弧電源，打開tizralcrsi靶電弧電源沉積tizralcrsi層，形成粘結(jié)層后關(guān)閉tizralcrsi靶電弧電源；

8、步驟三、調(diào)節(jié)氮氣和氬氣流量，保持真空態(tài)，打開tizralcr靶電弧電源沉積tizralcrn層后，關(guān)閉tizralcr靶電弧電源，打開tizralcrsi靶電弧電源沉積tizralcrsin層，形成過渡層后關(guān)閉tizralcrsi靶電弧電源；

9、步驟四、同時打開tizralcr靶電弧電源和tizralcrsi靶電弧電源，沉積tizralcrn/tizralcrsin層，形成功能層后冷卻，得到所述新型鈦鋯基超硬工具涂層。

10、優(yōu)選的是，在所述步驟一中，所述待鍍樣品清洗過程包括：將所述待鍍樣品分別浸沒在丙酮、去離子水和無水乙醇中分別超聲波清洗10～20min，并風(fēng)干表面；以及

11、抽真空至5×10-2pa，加熱至400～500℃保溫60min。

12、優(yōu)選的是，在所述步驟一中，離子注入條件包括：選擇陰極為ti，引出電壓為10-15kv，觸發(fā)頻率0-15hz，控制靶流為80-120ma，注入時間為30min。

13、優(yōu)選的是，在所述步驟二中，設(shè)置鍍膜轉(zhuǎn)速為1r/min，真空態(tài)保持至1.0～1.2pa。

14、優(yōu)選的是，在所述步驟三中，設(shè)置鍍膜轉(zhuǎn)速為1r/min，真空態(tài)保持至2.4～3.6pa，氮氣和氬氣分壓比為1：2。

15、優(yōu)選的是，在所述步驟四中，設(shè)置轉(zhuǎn)速為截止鍍膜結(jié)束由1r/min增加至5r/min，真空態(tài)保持至2.4～3.6pa，氮氣和氬氣分壓比為1：2。

16、優(yōu)選的是，設(shè)置tizralcr靶材為tipzrqalrcrs，式中，p、q、r、s滿足0.40≤p≤0.55，0.25≤q≤0.35，0.10≤r≤0.25，0.05≤s≤0.10，p+q+r+s＝1，電流為90～120a，偏壓-50～-350v，持續(xù)2～10min；

17、設(shè)置tizralcrsi靶材為tiazrbalccrdsie，式中a、b、c、d、e、滿足0.40≤a≤0.55，0.25≤b≤0.35，0.10≤c≤0.25，d＝0.05，e＝0.05，a+b+c+d+e＝1，電流為90～120a，偏壓-50～-350v，持續(xù)2～10min；以及

18、其中，0≤|p-a|≤0.15，0≤|q-b|≤0.15，0≤|r-c|≤0.15，0≤|s-d|≤0.10。

19、一種新型鈦鋯基超硬工具涂層，使用所述的新型鈦鋯基超硬工具涂層的制備方法制備得到，所述新型鈦鋯基超硬工具涂層包括依次沉積的粘結(jié)層、過渡層和功能層；

20、其中，所述粘結(jié)層包括依次沉積的tizralcr層和tizralcrsi層，所述過渡層包括依次沉積的tizralcrn層和tizralcrsin層，所述功能層包括周期性的交替沉積的tizralcrn層和tizralcrsin層；以及

21、所述tizralcr層的化學(xué)組成及其質(zhì)量百分比為：ti：40％～55％，zr：25％～35％，al：10％～25％，cr：5％～10％；

22、所述tizralcrsi層的化學(xué)組成及其質(zhì)量百分比為：ti：40％～55％，zr：25％～35％，al：10％～25％，cr：5％，si：5％；

23、所述tizralcrn層的化學(xué)組成及其質(zhì)量百分比為：ti：20％～27.5％，zr：12.5％～17.5％，al：5％～12.5％，cr：2.5％～5％，n：50％；

24、所述tizralcrsin層的化學(xué)組成及其質(zhì)量百分比為：ti：20％～27.5％，zr：12.5％～17.5％，al：5％～12.5％，cr：2.5％，si：2.5％，n：50％。

25、優(yōu)選的是，所述新型鈦鋯基超硬工具涂層厚度為3～6um。

26、一種新型鈦鋯基超硬工具涂層在超硬強韌耐高溫刀具中的應(yīng)用，使用所述的新型鈦鋯基超硬工具涂層。

27、本發(fā)明所述的有益效果：

28、1、本發(fā)明提供的新型鈦鋯基超硬工具涂層的成分中，tizr基涂層，高溫下zr元素會直接促進(jìn)熱力學(xué)穩(wěn)定的金紅石型tio2的形成，并進(jìn)一步導(dǎo)致形成致密的基于tio2的結(jié)構(gòu)(當(dāng)zr取代tio2中的ti形成(ti，zr)o2時)，增加涂層高溫力學(xué)性能(高溫硬度和高溫耐磨損性能)；引入小半徑si元素，在涂層中si元素主要以si3n4非晶形式存在，使得涂層逐漸致密，增加涂層硬度；al、cr會在氧化過程中生成al2o3、cr2o3保護(hù)性氧化層，可以有效地阻止氧氣向硬質(zhì)合金內(nèi)的進(jìn)一步擴(kuò)散，保證涂層高的抗氧化性能，所制備涂層具有較高的混合熵，趨向于形成簡單固溶體或是非晶結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到高熵合金的強化要求；

29、2、本發(fā)明提供的新型鈦鋯基超硬工具涂層結(jié)構(gòu)中，引入厚的粘結(jié)層，提高抗沖擊能力，避免雞蛋殼效應(yīng)；引入成分梯度變化的過渡層(si含量變化)，形成熱膨脹系數(shù)梯度過渡，增加結(jié)合力和抗崩裂性能力；

30、3、本發(fā)明提供的新型鈦鋯基超硬工具涂層的制備方法中，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速(1r/min-5r/min)，交替沉積單層超過50nm-25nm厚度的納米涂層，實現(xiàn)功能層的梯度結(jié)構(gòu)制備，接近表面的功能層部分形成納米多層結(jié)構(gòu)，該部分能夠產(chǎn)生明顯的“超晶格”強化效應(yīng)，提高涂層硬度的同時也抑制了裂紋的層間擴(kuò)展。