[发明专利]一种硬质合金刀片的AlCrNbSiTiBN基纳米复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硬质合金刀片的AlCrNbSiTiBN基纳米复合涂层及其制备方法。高熵合金氮化物涂层采用梯度层结构，由结合层、过渡层和耐磨耐温层构成。结合层为电弧离子镀方法制备的纯CrN层，过渡层为CrN/AlCrTiSiYN纳米复多层膜，耐温耐磨层为AlCrNbSiTiBN/AlCrTiSiYN高熵合金氮化物纳米复合多层膜。其制备方法是：对经过清洗的硬质合金刀片进行离子刻蚀，然后采用电弧离子镀方法依次沉积CrN结合层、CrN/AlCrTiSiYN过渡层和AlCrNbSiTiBN/AlCrTiSiYN耐磨耐温层。涂层为多种涂层材料的组合，具有梯度结构，可以降低涂层和基体的应力。此外纳米多层结构的采用可以大幅度提高涂层的韧性，较好克服涂层硬质合金刀片容易崩刃的缺点，大幅度提高硬质合金刀片的加工寿命和切削适应性。

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，涉及一种刀片涂层，具体涉及一种硬质合金刀片的AlCrNbSiTiBN基纳米复合涂层及其制备方法。

背景技术

数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的，但也发生了明显的变化。它是解决零件品种多变、批量小、形状复杂、精度高等问题和实现高效化和自动化加工的有效途径。数控刀片是可转位车削刀片的总称，在现代金属切削应用领域中具有重要的地位，目前主要应用于金属的车削、铣削切断等领域。数控刀片材料繁多，可分为涂层刀片、金属陶瓷刀片、非金属陶瓷刀片、硬质合金刀片等。和最初的高速钢刀片相比，数控刀片特点是高效率、高耐磨，寿命长，加工效率提高4倍以上。硬质合金刀片是数控刀片中用量最大的刀片材料，硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能。硬质合金是采用优质碳化钨+金属粉料经配方配比混合后通过压制烧结制成，作为现代工业的牙齿，数控硬质合金刀片对制造业的发展起着基础性的推动作用。

当硬质合金刀片加工铸铁等高硬度材料时，经常会由于铸铁中的高硬度碳化物导致刀片迅速磨损。为了提高刀片的切削寿命，刀片表面采用物理气相沉积技术(PVD)制备高硬度涂层是常用的技术手段。通过表面PVD涂层材料的制备可以大幅度提高刀片的表面硬度，使涂层刀片具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应，从而减少了基体的磨损。因此涂层刀片具有表面硬度高、耐磨性好、摩擦系数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀片寿命提高3～5倍以上。工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是TiN，但TiN与基体结合强度不及TiC涂层，涂层易剥落，且硬度也不如TiC高，在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。TiCN兼有TiC和TiN两种材料的优点，它在涂覆过程中可通过连续改变C、N的成份控制TiCN性质，并形成不同成份的多层结构，可降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩展，减少崩刃，但耐温性能较差。新型耐温耐磨低导热涂层材料的研制具有极其重要的价值。

2004年，台湾学者叶均蔚教授突破合金设计的传统观念，创新性地提出多主元高熵合金(high-entropy alloy，HEA)概念，被誉为近几十年来合金化理论的三大突破之一。在高熵合金中没有主要元素和次要元素的区别，最佳组成元素个数为5-13之间，每种元素的含量均介于5％-35％之间。根据玻尔兹曼假设，如果合金(固溶体)中有w种原子混合，则其摩尔混合熵ΔS＝Rlnw。当w越大时，混合熵就越高。根据吉布斯自由能与混合熵的关系ΔG_mix＝ΔH_mix-TΔS_mix，熵的增加会大大降低吉布斯自由能，而吉布斯自由能更低的结构在凝固时将会优先形成。高熵合金中的高熵效应会导致系统自由能的降低，在凝固过程中将优先形成体心立方结构(BCC)和面心立方结构(FCC)等高熵固溶体，而不会形成脆性金属间化合物。合金材料按照混合熵可分为低熵合金、中熵合金以及高熵合金。由于高熵合金具有热力学上的高熵效应、结晶学方面的晶格畸变效应、动力学上的迟缓扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应。因而使其具有高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性等优异性能而受到国内外的广泛关注。