[发明专利]AlNbCN多元梯度复合涂层刀具及其制备方法

说明书

本发明属于机械加工切削刀具领域，涉及一种AlNbCN多元梯度复合涂层刀具及其制备方法，涂层刀具由内至外依次为：刀具基体、Ti过渡层、AlNbC过渡层以及氮含量梯度渐变的AlNbCN多元梯度复合涂层，采用中频磁控溅射和电弧镀的复合镀膜方法制备。该AlNbCN超硬碳氮化合物涂层由于在涂层中同时增加了Al、Nb等两种元素，且涂层结构成分氮含量梯度渐变，可显著提高刀具的切削加工性能。该AlNbCN多元梯度复合涂层刀具具有很高的硬度和强度，较低的表面摩擦系数，良好的抗高温氧化性能和优异的摩擦磨损特性。切削过程中该刀具可减小刀具表面的摩擦和切屑粘结，降低切削力和切削温度45％以上，提高涂层刀具热稳定性65％以上，提高刀具使用寿命和耐用度60％以上。

技术领域

本发明属于机械制造金属切削刀具领域，特别是涉及一种AlNbCN多元梯度复合涂层刀具及其制备方法。

背景技术

切削刀具材料不仅需要有很高的硬度和耐磨性，而且需要有较好的抗弯强度和冲击韧性。刀具表面的硬质薄膜对材料有如下要求：①硬度高、耐磨性能好；②化学性能稳定，不与工件材料发生化学反应；③耐热耐氧化，摩擦系数低，与基体附着牢固等。随着高速切削的发展，切削加工中所产生的切削热对刀具的磨损比常规切削高得多，因此对刀具材料的硬度、强度、耐磨性、韧性和抗冲击能力以及高的红硬性和化学稳定性有更高的要求。传统单一涂层材料很难全部达到上述技术要求，涂层技术已由单层向多元、多层、梯度发展。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(Jinlong Li,Shihong Zhang,Mingxi Li.Influenceofthe C₂H₂flow rate on gradient TiCN films deposited by multi-arc ion plating[J].Applied Surface Science,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。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)利用Ti、氮气(N₂)与乙炔气体(C₂H₂)在450℃沉积温度下合成了TiCN涂层铣刀，解决了26NiCrMov145材料转子加工难题。

TiCN涂层虽然具有高硬度、低摩擦系数的优点，但同时因其热稳定性和红硬性较差，仅适合应用于低速切削或具有良好冷却条件的场合，需要对传统TiCN涂层结构和制备方法进行改进。目前，多元化是材料改善力学性能、耐蚀性和耐磨性的有效途径，通过制备多元复合涂层，既可提高涂层与基体的结合强度，又兼顾多种单涂层的综合性能，显著提高涂层刀具的性能。

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400-500℃，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。

发明内容

本发明的目的在于克服目前现有碳氮化合物涂层刀具性能及制备方法的不足，结合多元复合涂层结构的优点提供一种AlNbCN多元梯度复合涂层刀具及其制备方法。该刀具采用中频磁控溅射+电弧镀的复合镀膜方法，直接采用AlNbC复合靶提供碳源，且沉积温度控制在300℃以下，可在更为广泛的刀具、工具及模具基体上制备。该涂层结构由基体到涂层表面依次为：Ti过渡层、AlNbC过渡层以及氮含量梯度渐变的AlNbCN多元梯度复合涂层。