[发明专利](Ti;Al;Zr)N多组元复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法

摘要

一种(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层、具有(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法。合金刀具由刀具基体和(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层构成。刀具基体设置有正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层。(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层包括作为过渡层的TiAlN层、作为功能层的(Ti,Al,Zr)N层。本发明具有该(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其刀具基体与(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层结合性好，整体刀具具有良好的耐磨耐温性能，强度高、抗冲击性能优良。(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，其耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好。 1

主权项

1.一种具有(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：

由刀具基体和设置于刀具基体上的(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层构成；

所述刀具基体包括正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，所述正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列；

所述(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层包括用于沉积于贫钴富立方相层表面作为过渡层的TiAlN层和沉积于过渡层上作为功能层的(Ti,Al,Zr)N层；

所述正常组织层的厚度大于2mm,所述富钴过渡层的厚度为20‑100微米；所述贫钴富立方相层的厚度为20‑50 微米；

所述功能层的厚度为10‑30微米，所述过渡层厚度为0.1‑2微米；所述(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层通过多弧离子镀工艺制备而成；

(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层的具体制备过程如下：

（1）刀具基体及靶材清洗

对真空室进行加热和抽真空，在腔室温度达到400‑500℃、真空度为1.50×10^‑2 ‑2.0×10^‑2Pa时通入高纯度的Ar气，在Ar气流量为250‑300SCCM时保持压强为1.5‑2.5 Pa，利用Ar离子辉光清洗安装于旋转台上的刀具基体25‑40min；

保持旋转台以2‑5rpm的转速旋转，抽真空至10^‑3 Pa时，在刀具基体上加占空比为45‑50% 、脉冲偏压‑1000V，将Ti靶和Al靶通入80‑100A的电流进行烧靶，然后将两个AlTi合金靶通入70‑90A电流烧靶进行烧靶，完成对靶材的清洗；

（2）高能钛离子轰击刀具基体

在脉冲偏压−250至‑150 V、占空比90%、工作压强0.5‑0.8 Pa、N₂流量180‑250 SCCM 的条件下，在Ti靶通入60‑80A电流，在温度380‑420℃利用高能金属Ti离子轰击刀具基体3‑8min，粗化基体表面；

（3）沉积TiAlN层

在Ti金属离子轰击刀具基体后，在脉冲偏压−180至−130 V、占空比为 90%、工作压强为0.5‑0.8Pa、N₂流量为220‑280 SCCM的条件下， Ti靶通入60‑90A电流，沉积15‑30min制备得到作为过渡层的TiAlN层；

（4）沉积功能层

在脉冲偏压‑50V～‑200V、占空比为 90%、压强1.5Pa～3.0Pa的调节下，对Zr靶通 70‑90A电流、AlTi合金靶通60A～90A电流，在温度400 ℃下沉积时间35‑50 min得到(Ti,Al,Zr)N层。

2.根据权利要1所述的具有(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：

多弧离子镀设备以磁过滤驱动电源驱动，采用纯度为99.99%的纯Zr靶、纯Ti靶和两个AlTi合金靶，AlTi合金靶中Al原子与Ti原子的比为67:33；

 (Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层的具体制备过程如下：

（1）刀具基体及靶材清洗

对真空室进行加热和抽真空，在腔室温度达到450℃、真空度为1.52×10^‑2 Pa时通入高纯度的Ar气，在Ar气流量为260SCCM时保持压强为2 Pa，利用Ar离子辉光清洗安装于旋转台上的刀具基体30min；

保持旋转台以3rpm的转速旋转，抽真空至10^‑3 Pa时，在刀具基体上加占空比为50% 、脉冲偏压‑1000V，将Ti靶和Al靶通入90A的电流进行烧靶，然后将两个AlTi合金靶通入80A电流烧靶进行烧靶，完成对靶材的清洗；

（2）高能钛离子轰击刀具基体

在脉冲偏压−200 V、占空比90%、工作压强0.6 Pa、N₂流量 200 SCCM 的条件下，在Ti靶通入70A电流，在温度400℃利用高能金属Ti离子轰击刀具基体5min，粗化基体表面；

（3）沉积TiAlN层

在Ti金属离子轰击刀具基体后，在脉冲偏压−150 V、占空比为 90%、工作压强为0.6 Pa、N₂流量为250 SCCM的条件下， Ti靶通入80A电流，沉积20min制备得到作为过渡层的TiAlN层；

（3）沉积功能层

在脉冲偏压‑150V、占空比为 90%、压强2.0Pa的调节下，对Zr靶通 80A电流、AlTi合金靶通80A电流，在温度400 ℃下沉积时间45 min得到(Ti,Al,Zr)N层。

3.如权利要求1至2任意一项所述的具有(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法，其特征在于：

包括刀具基体的制备和在刀具基体表面制备(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层；(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层通过多弧离子镀工艺制备而成。

4.如权利要求3所述的具有(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法，其特征在于：

(Ti,Al,Zr)N多组元复合涂层的具体制备过程如下：

（1）刀具基体及靶材清洗

对真空室进行加热和抽真空，在腔室温度达到400‑500℃、真空度为1.50×10^‑2 ‑2.0×10^‑2Pa时通入高纯度的Ar气，在Ar气流量为250‑300SCCM时保持压强为1.5‑2.5 Pa，利用Ar离子辉光清洗安装于旋转台上的刀具基体25‑40min；

保持旋转台以2‑5rpm的转速旋转，抽真空至10^‑3 Pa时，在刀具基体上加占空比为45‑50% 、脉冲偏压‑1000V，将Ti靶和Al靶通入80‑100A的电流进行烧靶，然后将两个AlTi合金靶通入70‑90A电流烧靶进行烧靶，完成对靶材的清洗；

（2）高能钛离子轰击刀具基体

在脉冲偏压−250至‑150 V、占空比90%、工作压强0.5‑0.8 Pa、N₂流量180‑250 SCCM 的条件下，在Ti靶通入60‑80A电流，在温度380‑420℃利用高能金属Ti离子轰击刀具基体3‑8min，粗化基体表面；

（3）沉积TiAlN层

在Ti金属离子轰击刀具基体后，在脉冲偏压−180至−130 V、占空比为 90%、工作压强为0.5‑0.8Pa、N₂流量为220‑280 SCCM的条件下， Ti靶通入60‑90A电流，沉积15‑30min制备得到作为过渡层的TiAlN层；

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