一種氮化鉬/氮硼鈦納米復(fù)合多層涂層刀具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種氮化鉬/氮硼化鈦(MoN/TiBN)納米復(fù)合多層涂層刀具，應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)，屬于機(jī)械切削刀具加工領(lǐng)域，本發(fā)明還提供了上述刀具的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，新材料、新技術(shù)越來越受到人們的重視?，F(xiàn)代工業(yè)對制造業(yè)的要求也不斷提高，各種新型材料層出不窮，各種工業(yè)技術(shù)也不斷創(chuàng)新。在制造業(yè)中，高速高效的切削技術(shù)成為了加工制造業(yè)的主流技術(shù)。高速高效切削是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及機(jī)床、刀具和材料等諸多領(lǐng)域技術(shù)配合和技術(shù)創(chuàng)新。高速高效切削加工要獲得良好的應(yīng)用效果，必須是高性能的高速切削機(jī)床、與工件材料相適應(yīng)的刀具和基于特定加工對象的切削工藝的結(jié)合。而傳統(tǒng)刀具硬質(zhì)合金刀片高速銑削鋼件時，由于它在高溫下受到交變熱負(fù)荷的作用，刀具容易因為本身的脆性而剝落，同時在切削過程當(dāng)中因為刀具后隙面磨損嚴(yán)重，刀刃容易大塊崩刃，因此導(dǎo)致其無法滿足高端制造業(yè)對先進(jìn)數(shù)控加工工藝的要求。
[0003]90年代發(fā)展起來的硬質(zhì)合金涂層刀具，集成了強(qiáng)度、韌性和硬度等優(yōu)勢，它的出現(xiàn)是刀具歷史上的一個重要里程碑。硬質(zhì)合金刀具是指在硬質(zhì)合金基體上，利用物理氣相沉積技術(shù)涂覆一層耐磨性好的功能涂層，涂層作為一個化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件之間的化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散，從而減少磨損，延長壽命。
[0004]在涂層刀具的發(fā)展中，刀具結(jié)構(gòu)性能隨著工業(yè)要求的提高而不斷更新?lián)Q代。納米晶復(fù)合多層涂層能兼顧單層涂層的一些性質(zhì)，擁有更加良好的機(jī)械性能，適合更高的機(jī)械加工切削刀具要求，具有良好的市場前景和顯著的競爭力。在這些涂層中，MoN由于其卓越的性能被廣泛研究和應(yīng)用，金屬氮化物薄膜Mo-Nx—般具有較低的摩擦系數(shù)，并且在高溫情況下會形成MoO3,這是一種典型的自潤滑相，能很好的降低摩擦和切削磨損。TiBN涂層可以明顯的提升涂層的硬度、干摩擦性能以及紅硬性。將兩種涂層相互結(jié)合，可以大大改善涂層的性能，具有重要的工業(yè)應(yīng)用前景。
[0005]ZL 201010608461申請了一種類DLC/TiAlN/CrN/Cr多層超硬涂層，所制備涂層硬度較高，但是膜層種類較多。ZL200910044474.5公開了一種周期性沉積的多涂層刀具及其制備方法，該多涂層刀具涂層是以“TiN層到TiSiN層到MoN層到TiSiN層”為一個周期的多周期涂層。此兩項專利技術(shù)所制備涂層雖然硬度較高，但是制備過程復(fù)雜，用于實際生產(chǎn)可操作性不高，沒有太大的工業(yè)化應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種氮化鉬/氮硼化鈦(MoN/TiBN)納米復(fù)合多層涂層刀具，該涂層刀具具有較高的硬度、較好的附著力以及良好的耐磨性能;并且此結(jié)構(gòu)涂層對不同基體材質(zhì)具有廣泛的應(yīng)用性，同時易于產(chǎn)業(yè)推廣。
[0007]實現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采用的技術(shù)方案為:
[0008]—種氮化鉬/氮硼鈦納米復(fù)合多層涂層刀具，至少包括刀具基體，所述的刀具基體上由內(nèi)至外依次附著有過渡層、耐磨層和自潤滑層，過渡層、耐磨層和自潤滑層的總厚度為I?4μπι，其中過渡層為TiN，過渡層厚度為100?200nm，耐磨層由TiBN層和MoN層交替復(fù)合構(gòu)成，自潤滑層為MoN。
[0009]耐磨層中每層TiBN層+MoN層的厚度為5?1nm0[00?0]自潤滑層厚度為20?50nmo
[0011]所述的刀具基體的材質(zhì)為工具鋼、高速鋼或硬質(zhì)合金。
[0012]所述的耐磨層中包含有TiN和MoN納米晶，膜層為超晶格結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明中還提供了制備上述MoN/TiBN納米復(fù)合多層涂層刀具的方法，該制備過程簡單易行，極易于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0014]實現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采用的技術(shù)方案為:
[0015]—種制備上述的氮化鉬/氮硼鈦納米復(fù)合多層涂層刀具的方法，包括以下步驟:
[0016](I )、將表面潔凈的刀具基體放在清洗槽中，加清洗劑，用超聲波清洗的辦法處理干凈，烘干并檢查基體表面是否干凈；
[0017](2)、確保基體表面無污染后，將基體裝夾在工件架上，開始對爐體進(jìn)行抽真空;待真空抽到5 X 10—3Pa以下，同時溫度加熱到在300?500 °C時，進(jìn)行下一步；
[0018](3)、向爐體內(nèi)充氬氣，使?fàn)t體內(nèi)保持氣壓為1.5?2.5Pa的氬氣環(huán)境，同時在基體偏壓為一 600?一 800V、占空比為80%的條件下，開始用氬等離子體對刀具基體進(jìn)行輝光清洗30?90分鐘；
[0019](4)、輝光清洗結(jié)束后，關(guān)閉氬氣，開始向爐體內(nèi)充氮氣，使?fàn)t體內(nèi)氣壓保持為0.3?0.7Pa、同時偏壓設(shè)定為一 100?一 250V，打開Ti靶，靶電流設(shè)定為60?100A，開始在刀具基體上沉積TiN過渡層，持續(xù)時間為5分鐘；
[0020](5)、過渡層沉積完畢后，關(guān)閉Ti靶，調(diào)節(jié)氮氣氣壓和基體偏壓，在氮氣氣壓為1.0?4.0Pa、偏壓為一 100?一250V的條件下，打開TiB2靶和Mo靶，靶電流為60?100A，開始在過渡層上沉積耐磨層，沉積時間為40分鐘到120分鐘；
[0021](6)、耐磨層沉積完畢后，關(guān)閉TiB2靶，打開Mo靶，調(diào)節(jié)氮氣氣壓和基體偏壓，在氮氣氣壓為1.0?5.0Pa、偏壓為一 100?一 250V的條件下，開始沉積MoN自潤滑層，靶電流為60?10A，沉積時間為I?2分鐘。
[0022]所述的刀具基體的材質(zhì)為工具鋼、高速鋼或硬質(zhì)合金。
[0023 ] 步驟(2)、( 3)、( 4)、( 5)、( 6)中，沉積過程中工件架轉(zhuǎn)速為3?6rpm。
[0024]本發(fā)明在進(jìn)行涂層之前先沉積一層過渡層，過渡層可以極大的提高涂層的附著力;然后在一定條件下沉積TiBN/MoN納米復(fù)合多層涂層，通過控制工件架轉(zhuǎn)速和氮氣氣壓，來實現(xiàn)多層復(fù)合薄膜調(diào)制周期的變化，以調(diào)節(jié)一個雙層周期的厚度。最后在涂層表面沉積一層很薄的MoN自潤滑層。因此與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點:第一，與磁控濺射相比，本發(fā)明采用了陰極電弧離子鍍技術(shù)來制備涂層，由于離化率高使涂層具有較好的結(jié)合力和硬度，克服了磁控濺射法制備的涂層結(jié)合力較低的問題;第二，本發(fā)明得到的TiBN/MoN納米復(fù)合多層涂層為超晶格結(jié)構(gòu)，最高硬度值約比普通單元涂層平均硬度提升30%左右，可達(dá)到25-30GPa;第三，本發(fā)明得到的涂層表面為MoN層，具有自潤滑功能，可以有效提高涂層的耐磨性能。第四，本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)與現(xiàn)行涂層設(shè)備相近，而且涂層設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，易控制，工業(yè)應(yīng)用前景良好。
[0025]本發(fā)明所制備TiBN/MoN納米復(fù)合多層涂層刀具有較高的硬度、良好的結(jié)合力和良好的耐磨性，涂層兼具了兩種單層涂層的某些特性，提高了涂層的整體性能，保證了刀具長期穩(wěn)定工作，使刀具機(jī)械性能大幅度提尚，大幅度提尚生廣效率，降低廠家的生廣成本，在工業(yè)上具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明所提供的氮化鉬/氮硼鈦納米復(fù)合多層涂層刀具的制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為圖1的俯視圖；
[0028]圖3為本發(fā)明所提供的氮化鉬/氮硼鈦納米復(fù)合多層涂層的截面形貌圖；
[0029]圖中:1-爐門，2-真空室，3_TiB2靶，4-Mo靶，5_抽真空系統(tǒng)，6_工件架，7_十字交叉擋板，8-Ti靶。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做詳細(xì)具體的說明，但是本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容不局限于以下實施例。
[0031]本發(fā)明所提供的下列實施例中用來制備MoN/TiBN納米復(fù)合多層涂層刀具的裝置如圖1和圖2所示，該裝置的真空室2由爐壁圍成，真空室2高度為1000mm，直徑為900mm。真空室側(cè)面設(shè)有爐門I，以方便工件的裝卸。真空室設(shè)有抽真空系統(tǒng)5，抽真空機(jī)組通過抽真空口對真空室進(jìn)行抽真空，極限真空可達(dá)到5 X 10—4Pa。兩個電弧源TiB2靶3和Mo靶4分兩邊對稱安裝在爐壁上，Ti靶8安裝在爐門I內(nèi)壁，樣品裝在工件架6上，工件架6上設(shè)置有十字交叉擋板7，工件架6的下方設(shè)置有轉(zhuǎn)動裝置，用于帶動工件架轉(zhuǎn)動。該布局使真空室中等離子體密度大幅度增加，工件完全浸沒在等離子體中。使沉積速率、硬度、附著力得到較大提高。
[0032]實施例1
[0033]本實施例中所提供的MoN/TiBN納米復(fù)合多層涂層刀具的制備方法如下:
[0034]首先，將刀具放在清洗槽中用超聲波清洗的方法處理干凈，烘干后檢查表面是否潔凈，確定表面無任何污染后，將刀具基體裝夾在工件架上，關(guān)閉爐門，開始進(jìn)行前期抽真空及加熱等操作。待真空達(dá)到5X