一种AlCrSiON纳米复合刀具涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种刀具涂层及其制备方法，具体涉及一种AlCrS1N纳米复合刀具涂层及其制备方法，属于薄膜材料技术领域。
【背景技术】
[0002]表面涂层技术已经成为切削刀具领域的一项关键技术，对刀具性能的改善以及加工技术的进步起到了至关重要的作用。TiN是应用最广泛的硬质涂层材料，但TiN涂层一直存在高温氧化的问题，并且随着材料工业的发展它的硬度也已不能满足现代机械加工对刀具的要求。目前有在TiN涂层中添加Cr、Al等元素形成多组元的多元涂层，如TiCrN、TiAlN涂层，显微硬度达到HV 3000，具有比TiN涂层更高的抗机械磨损、抗磨料磨损性能，但仍不能满足现代高速加工对刀具更好性能的要求。近来含Si纳米复合涂层如TiSiN、AlTiSiN、AlCrSiN等涂层，由于具有高硬度和高温抗氧化性等特点，而成为刀具涂层发展的方向之一。
[0003]纳米复合结构涂层是孤立的纳米晶体(如nc-TiN)镶嵌在很薄的非晶基体(如B-Si3N4)中的一种复合结构涂层，纳米晶具有比较高的硬度，非晶相具有高的结构弹性，两相界面有高的内聚能，晶体相和非晶相在热力学上呈分离趋势，因此，这种涂层具有超高硬度、高韧性、优异的高温稳定性和热硬性、高的抗氧化性等，适应于高速加工难加工材料对刀具涂层的要求。
[0004]氧元素在纳米复合氮化物涂层中通常认为是有害的，不利于力学性能的提高。但在真空涂层过程中由于真空室不可避免地存在残留氧气，在涂层中会引入氧元素，过高提高真空度会提高涂层成本且不易实现。如果在纳米复合涂层中引入氧，且仍可保证涂层有良好的性能，在刀具切削及表面防护领域，对低成本制备具有高硬度，低摩擦系数，优越的抗高温氧化及高速切削性能的纳米复合涂层具有重大的应用价值。
[0005]阴极电弧离子镀技术是工业生产上最广泛采用的技术，具有离化率高、涂层沉积速度高、膜基结合力强的特点，利用阴极电弧离子镀技术制备一种含有氧元素，低成本的新型CrAlS1N纳米复合涂层技术还未见报道，在刀具切削及表面防护领域具有重大的应用前景。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种采用多弧离子镀技术在高速钢或者硬质合金刀具表面镀覆AlCrS1N纳米复合刀具涂层的配方和制备方法，本发明在现有技术的基础上，进一步提高切削刀具的技术指标，以满足现代化工业对更好刀具的需求。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种AlCrS1N纳米复合刀具涂层，由如下重量百分含量的成分组成:
Al 10-31 at.%,Cr 20-40 at.%,Si 4-15 at.%,0 3-25 at.%,N 25~47 at.% ;各成分总和为100 at.%o
[0008]所述纳米复合刀具涂层的制备采用阴极电弧离子镀技术。
[0009]本发明还提供了一种AlCrS1N纳米复合刀具涂层的制备方法，包括如下步骤:
(1)将清洗干净的硬质合金和高速钢刀具均匀固定于镀膜机内的转架上，调节工件支架转速为2~12 rpm，打开加热器，升温至300~500°C，抽至本底真空1.0-4.0X10 3 Pa ；
(2)打开Ar气流量阀，调节真空室压力为0.2~0.9 Pa，基体加负偏电压400~1300 V，进行辉光派射清洗15~35 min ；
(3)然后降低基体负偏电压至100~300V，开启纯Cr靶，调节靶材电流为40~150 A，以Cr离子高能轰击基体5~20分钟以活化基体表面并形成Cr金属结合层；
(4)关闭Ar气流量阀，打开队气流量阀，调节气压至0.5-2.5 Pa，温度调节至300~500°C条件下，沉积CrN过渡层5~20 min ；
(5)通入O2气，并控制气压在0.4~3.0 Pa，O 2比例在3~30%，打开AlCrSi (60:30:10)靶，调节弧源电流50~180A沉积AlCrS1N纳米复合层，沉积时间保持在60~150 min ；
(6)完成镀膜后，刀具及涂层随炉降温至80~100°C后取出常温冷却。
[0010]在衬底和涂层之间有Cr金属结合层，厚度为80~450 nm左右；
在衬底和涂层之间有CrN过渡层，厚度为100~800nm左右。
[0011 ] 本发明的有益效果是:针对现代化的金属切削加工中，对刀具高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性的要求，本发明采用工业生产中应用最广泛的阴极电弧离子镀技术，制备出高性能的AlCrS1N纳米复合涂层，该纳米复合涂层具有高硬度，低摩擦系数，优越的抗高温氧化及高速切削性能，能大大提高被保护工具的实用寿命，且可以低成本制备，在刀具切削及表面防护领域具有重大的应用前景。
【附图说明】
[0012]图1 AlCrS1N纳米复合涂层的截面SEM图像；
图2不同氧含量的AlCrS1N纳米复合涂层的XRD曲线；
图3不同氧含量的AlCrS1N纳米复合涂层的硬度和摩擦系数值。
【具体实施方式】
[0013]下面通过实例对本发明做进一步详细说明，这些实例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
[0014]实施例1
一种AlCrS1N纳米复合刀具涂层，由如下重量百分含量的成分组成:
Al 1at.%，Cr 20at.%，Si 15 at.%，O 25 at.%，N 30 at.% ；
一种AlCrS1N纳米复合刀具涂层的制备方法，包括如下步骤:
将清洗干净的硬质合金铣刀均匀固定于镀膜机内的转架上，调节工件支架转速为4rpm,同时打开加热器，升温至400°C，抽至本底真空4.0X 10 3 Pa ;打开Ar气流量阀，调节真空室约为0.6 Pa，基体加负偏电压1200 V，进行辉光溅射清洗25 min ;然后降低基体负偏电压至200 V，开启纯Cr靶，调节靶材电流为80 A，以Cr离子高能轰击基体10分钟以活化基体表面并形成Cr金属结合层；关闭Ar气流量阀，打开队气流量阀，调节气压至IPa，温度调节至400°C条件下，沉积CrN过渡层10 min ;通入O2气，并控制气压在1.0 Pa，02比例在10%，打开CrAlSi革E，调节弧源电流120A沉积AlCrS1N纳米复合层，沉积时间保持在120min;完成镀膜后，刀具及涂层随炉降温至80°C后取出常温冷却。
[0015]制备的纳米复合AlCrS1N的SEM图像如图1所示，CrN过渡层厚度在100 nm左右，AlCrS1N纳米复合涂层厚度在2 μ m左右，复合涂层结合力良好。
[0016]图2给出了 AlCrS1N涂层的XRD图像，从图中可以看出CrN的衍射峰，表明为纳米晶结构，没有发现Al2O3或者Si 3N4的衍射峰，表明为非晶结构，可以推断出AlCrS1N涂层是一种纳米晶CrN镶嵌于非晶Al2O3或者Si 3N4基体的纳米复合结构。
[0017]图3是涂层的硬度及摩擦系数随成分不同的数值，可以看出涂层具有较高的硬度以及较低的摩擦系数。
[0018]实施例2
一种AlCrS1N纳米复合刀具涂层，由如下重量百分含量的成分组成:
Al 3lat.%? Cr 20at.%，Si 4at.%，O 20 at.%，N 25at.% ；
一种AlCrS1N纳米复合刀具涂层的制备方法，包括如下步骤:
将清洗干净的硬质合金立铣刀均匀固定于镀膜机内的转架上，调节工件支架转速为4rpm，同时打开加热器，升温至300°C，抽至本底真空1.2X 10 3 Pa ;打开Ar气流量阀，调节真空