一种低应力切削刀具涂层的制备方法与流程

本发明涉及刀具制造，具体涉及一种低应力切削刀具涂层的制备方法。

背景技术：

1、采用气相沉积技术在硬质合金、高速钢(hss)及陶瓷等刀具表面沉积难熔金属或非金属化合物涂层，以提高材料的表面性能，解决在高速切削、重切削和极速高温加工条件下的损伤及磨损问题，可有效增加切削刀具的可靠性和使用寿命。刀具涂层应具有表面硬度高、耐磨性好、耐热以及耐氧化等特性，然而涂层在服役过程中常常因出现剥落或开裂等不稳定因素导致结合失效，大量的工业实例以及研究表明，涂层在制备过程中产生的高残余应力是导致其发生结合失效的主要原因。

2、早在上世纪90年代有学者提出，在涂层的沉积过程中，高能惰性气体离子(ar+)在晶格缺陷或间隙位置的夹持会导致涂层产生过高残余压应力，而金属离子(成膜离子)因其主要结合在晶格位置，可以减少沉积过程中所产生的生长应力，并且金属离子辐照同样具有惰性气体离子轰击的所有优点。

3、目前制备低应力涂层主要有以下两个方向：

4、一是从涂层结构设计角度出发，如中国专利cn116180075a利用交替多层结构，通过软硬结合的方式使得涂层内部应力得到释放，但是这种方法一般要求涂层具有较大的厚度，且工艺流程较为繁杂；

5、二是从涂层沉积参数角度出发，如cn108411265a采用磁控溅射技术，是通过降低偏压的方式来降低离子轰击能量，进而使得涂层应力得到降低，对于磁控溅射而言，离子轰击能量的大小同时影响涂层致密性以及如硬度、弹性模量等力学性能，采用降低离子轰击能量得到的低应力涂层，其整体性能必然会有所损失，因此有必要提出一种新的制备低应力涂层的方法。

6、综上所述，有必要对现有技术做进一步创新。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种低应力切削刀具涂层的制备方法,其构思合理，利用高功率脉冲磁控溅射方法制备cr-crn复合涂层，在降低涂层残余应力的同时提高了涂层的硬度、弹性模量及结合力，解决了目前切削刀具涂层残余应力与整体性能两者难以同时满足工业要求的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的一种低应力切削刀具涂层的制备方法，其主要包括以下步骤：

3、(1)预先选择好基体并对其进行预处理；

4、(2)将预处理后的基体置于真空室内,向真空室内通入高纯氩气,先对预处理后的基体进行高功率脉冲磁控溅射清洗,再对完成高功率脉冲磁控溅射的靶材进行清洗；

5、(3)在真空室内,利用cr靶对清洗后的基体的表面进行高功率脉冲磁控溅射,以沉积一层cr过渡层；

6、(4)向真空室内通入高纯氮气，再利用cr靶在沉积完cr过渡层的表面进行高功率脉冲磁控溅射,以沉积一层crn涂层；

7、(5)将沉积完cr过渡层和crn涂层后得到的基体在真空室内冷却后取出，最终在基体表面制得低应力cr-crn复合涂层。

8、所述低应力切削刀具涂层的制备方法，其中：所述步骤(1)中对基体进行预处理的过程为：先对基体进行机械打磨，然后对打磨后的基体进行抛光，接着对抛光后的基体进行超声清洗处理，再将超声清洗处理后的基体进行干燥处理。

9、所述低应力切削刀具涂层的制备方法，其中：所述机械打磨是选用150#～2300#水砂纸进行打磨；所述抛光是采用0.2μm～0.4μm金刚石抛光膏进行抛光。

10、所述低应力切削刀具涂层的制备方法，其中，所述基体进行超声清洗处理的过程为：先将基体在丙酮中进行超声清洗10min～20min去污，接着在去离子水中超声清洗3min～10min过水，最后在乙醇中超声清洗5min～15min脱水。

11、所述低应力切削刀具涂层的制备方法，其中，所述步骤(2)的具体过程为：首先，将真空室抽至真空度为1×10-3pa～5×10-3pa，通入150～200sccm高纯氩气，真空室的主阀角度调至40％～60％，使其工作真空为1.0～1.5pa，打开加载在基体上的直流偏压电源，在基体上施加-800v～-600v的偏压，使用cr靶溅射，时间为10min～20min，以清洗其表面，清洗时基体表面背对着cr靶；随后关闭偏压电源，打开直流的cr靶电源，直流电源采用的是恒流模式，设置直流电源的电流参数为1a～3a，将氩气流量调至120～200sccm，主阀角度调至70％～90％，使工作真空为0.4～0.6pa，溅射10～15min，以实现靶材清洗。

12、所述低应力切削刀具涂层的制备方法，其中，所述步骤(3)的具体过程为：在真空室内,将通入真空室内的氩气流量保持在120～150sccm，设置真空室的主阀角度在70％～90％，设置工作真空气压在0.4～0.6pa，cr靶接入高功率脉冲电源，通过转动装置将基体的表面转至cr靶正对面，此时设置cr靶和基体的距离在70mm～100mm，设置cr靶的电源参数为电压700～800v、脉宽80～100μs、频率80～100hz,设置基体的偏压为-100～-150v，对基体的表面溅射10～20min，以沉积一层cr过渡层。

13、所述低应力切削刀具涂层的制备方法，其中，所述步骤(4)的具体过程为：先向真空室内通入高纯氮气，且通入高纯氮气与高纯氩气的流量比范围在1:12～1:6；接着设置cr靶的电源电压在600～800v、脉宽在60～100μs、频率在100～260hz,使cr靶的电源的平均功率在0.7～1kw；设置基体偏压在-80v～-120v；设置真空室的真空工作气压在0.4～0.6pa；设置cr靶和基体的距离为70～90mm；然后利用cr靶在沉积完cr过渡层的基体表面溅射40～60min,以沉积得到crn涂层。

14、所述低应力切削刀具涂层的制备方法，其中:所述步骤(5)中是将沉积完cr过渡层和crn涂层后得到的基体在真空室内冷却30～60min后取出，最终在基体的表面制得低应力cr-crn复合涂层。

15、所述低应力切削刀具涂层的制备方法，其中：所述高功率脉冲磁控溅射使用的cr靶的尺寸为ф72.6×6mm，纯度为99.999％。

16、所述低应力切削刀具涂层的制备方法，其中：所述高纯氩气为纯度为99.99％的氩气；所述高纯氮气为纯度为99.99％的氮气。

17、采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

18、本发明低应力切削刀具涂层的制备方法构思合理,利用高功率脉冲磁控溅射技术可在切削刀具的基体(例如硬质合金基体、高速钢基体或陶瓷基体)的表面制备低应力cr-crn复合涂层，相对与传统的直流磁控溅射，本发明采用的高功率脉冲磁控溅射方法的金属离化率高达70％，更有利于提高金属离子与惰性气体离子的通量比。结合等离子体全谱分析仪和离子流采集装置可实现涂层在沉积过程中对等离子体中离子通量的有效监测与调控，并使得涂层的残余应力显著下降，且涂层的硬度、弹性模量以及结合力都得到有效提升。

19、本发明结合工程应用背景，可通过在硬质合金、高速钢或陶瓷的基体上沉积cr-crn复合涂层，通过对等离子体中的金属离子与惰性气体离子的比例调控，利用金属离子辐照替代惰性气体离子辐照，大幅度的降低惰性气体离子轰击对涂层生长造成的危害，在有效降低涂层残余应力的同时，使得涂层的整体性能得到提升，并且该方法对于金属离子的种类没有限制，具有一定的普适性。

20、本发明在实施前利用高功率脉冲磁控溅射方法与等离子体全谱分析仪，通过增大金属离子与惰性气体离子比例，利用金属离子辐照来替代惰性气体离子辐照，在降低涂层残余应力的同时提高涂层的力学性能，解决了目前切削刀具涂层残余应力与整体性能两者难以同时满足工业要求的问题。

21、本发明从降低涂层生长应力的角度，通过增大等离子体中金属离子与惰性气体离子的比例，用金属离子辐照替代惰性气体离子辐照，在保证离子辐照的优势的同时减弱了惰性气体离子辐照带来的危害，解决了目前切削刀具表面涂层因高残余应力而导致发生结合失效的问题。其中,切削刀具的涂层的整体性能与涂层的厚度和应力状态有极大的关联，但随着厚度的增加，涂层的应力也会逐渐的增大，当应力达到一定极限后，就会出现涂层的断裂或者脱落，尤其是在工作状态下；因此现有的制备方法无法实现涂层厚度的进一步增加,而本发明的制备方法，可以获得更低应力的切削用涂层，因为涂层的厚度可以有效的增加，由此获得更高的使用寿命等有益效果。