[发明专利]SiCN/TiCN多层膜刀具涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别涉及一种SiCN/TiCN多层膜刀具涂层及其制备方法。

背景技术

在金属刀具表面沉积硬质涂层可以提高刀具的使用性能，降低加工成本，提高加工效率和质量，延长刀具使用寿命。目前常见的刀具涂层采用TiN、TiCN、TiAlN、CrN和DLC等，包括它们的单层或多层复合结构涂层。随着现代加工技术的发展，特别是高速高精度数控机床加工向以车代磨、以铣代磨、以钻代铰的方向发展，对刀具涂层在切削性能、硬度、抗氧化性能和表面光洁度等方面提出了更高的要求。

SiCN薄膜是在碳氮二元薄膜基础上发展起来的一种三元薄膜，研究表明SiCN薄膜具有很高的硬度。采用磁控溅射制备的SiCN薄膜硬度可达到30GPa[S.L.Ma，B.Xu，G.Z.Wu，et al.，Surf.Coat.Technol.202(2008)5379-5382.]，甚至达到40GPa[J.M.Kormunda，J.et a].，Diamond Relat.Mater.12(2003)1287-1294]。SiCN薄膜的另一大优点是可以得到相对光滑的表面，通过选择合适工艺和优化参数可以得到很低的表面粗糙度。J.等采用直流磁控溅射技术制备了1.0-1.5μm厚的SiCN薄膜，其表面粗糙度小于0.8nm[J.M.Kormunda，J.et al.，Surf.Coat.Technol.160(2002)74-81]，高鹏等人采用微波电子磁旋共振技术在Si(100)/Al₂O₃表面制备了厚度约为1.8nm的SiCN薄膜，测得薄膜的表面粗糙度仅为0.094nm[Gao Peng，Xu Jun，Ding Wanyu，et al.，Chin.Phys.Lett.26(2009)065203.]。SiCN薄膜的摩擦系数在一定范围内可调，碳含量较高时，摩擦系数较低。因硅和氮元素的存在，SiCN薄膜具有良好的耐高温氧化性能。

SiCN涂层脆性较大，并且厚度增加后内应力也随之提高，因此如果作为刀具单一涂层使用必然存在弱点。将两种或两种以上不同材料相互交替沉积形成的多层涂层结构，可以实现不同材料性能优势互补，提高涂层的综合性能；也可以改善涂层结构，实现单一涂层难以达到的特殊性能，能满足一些特殊应用的需求。TiCN涂层是在TiN和TiC基础上发展起来的一种刀具涂层，它具有较高的硬度与耐磨性，通过调制C、N和Ti的成分，可以降低涂层内应力，提高韧性，阻止裂纹扩展，减少崩刃。因此将SiCN涂层和TiCN涂层结合使用，可以优势互补，克服单一涂层的缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种具有低摩擦、高硬度、抗氧化和表面光洁度良好的SiCN/TiCN多层膜刀具涂层及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种SiCN/TiCN多层膜刀具涂层，其特征是：在刀具基体的基础上，依次交替沉积TiCN层和SiCN层，紧贴刀具基体的是TiCN层，最外层是SiCN层。

每一TiCN层和SiCN层的厚度可根据具体要求确定。

TiCN层和SiCN层交替沉积的次数可根据具体要求确定。

SiCN和TiCN中，各元素百分含量也可根据需要调整。

选择的刀具基体为硬质合金材料。

一种制备SiCN/TiCN多层膜刀具涂层的方法，包括以下步骤：

a.预处理：对刀具基体进行清洗，去除表面的油污及其他附着物，吹干后放入镀膜机中，抽真空至预先设定的真空度。

b.溅射清洗：用离子清洗刀具基体表面。

c.沉积TiCN层：利用气相沉积方法沉积TiCN层，通过控制沉积参数控制TiCN层厚度。

d.沉积SiCN层：利用气相沉积方法沉积SiCN层，通过控制沉积参数控制SiCN层厚度。

e.重复c、d步骤，最外层为SiCN层。

f.后处理：根据需要对沉积的涂层进行原位退火或在一定真空度下自然冷却至室温。

g.关闭真空设备，涂层沉积完成。