一种抗疲劳耐高温数控机床刀具用合金钢材料及其制备方法与流程

本发明涉及合金材料，具体涉及一种抗疲劳耐高温数控机床刀具用合金钢材料及其制备方法。

背景技术：

1、数控机床刀具主要是指数控车床、数控铣床、加工中心等机床上所使用的刀具。随着制造业的发展，难加工材料的使用日益增多，材料的力学性能不断提高，而且对加工效率的要求也不断提高，刀具材料的发展经历了：高碳钢→高速钢→一般硬质合金材料到现在的陶瓷材料、pcbn材料、新型硬质合金及涂层硬质合金。在材料表面沉积一层或多层与其性质完全不同的薄膜成为提高基体材料性能的有效途径之一。在硬质合金刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜（如tic、tialn、al2o3等）的涂层刀具，结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，降低了刀具与工件之间的摩擦因数，提高刀具耐磨性而不降低基体的韧性，延长刀具的寿命。

2、目前单一涂层如tic和tin等刀具大量生产使用，但是这类涂层刀在工作温度超过500℃后抗氧化性能急剧下降。为了进一步提高涂层刀具的综合使用性能，将合金元素（如al、zr、cr、v等）引入aln涂层，形成多元涂层体系，可以提高刀具涂层的高温硬度和抗氧化性。其中，以tialn为代表的多元合金复合涂层得到广泛研究和应用。与aln相比，随着ti的加入，tialn涂层的抗氧化温度由aln的500℃提升至近900℃，而涂层的纳米硬度也由20gpa左右提高到近40gpa。tialn涂层刀具除了具有硬度高、氧化温度高的优点，还具有热硬性好、结合强度高、摩擦系数小以及导热率低等优点，适合不锈钢、高温合金钢、钛合金以及镍合金等难加工材料的高速切削。但是tialn涂层在制备过程中依旧存在着难以保证涂层均匀性以及涂层沉积效率低等问题，限制了其在数控机床刀具中的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种抗疲劳耐高温数控机床刀具用合金钢材料及其制备方法，解决以下技术问题：现有的tialn涂层在制备过程中依旧存在着难以保证涂层均匀性以及涂层沉积效率低等问题，限制了其在数控机床刀具中的应用。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种抗疲劳耐高温数控机床刀具用合金钢材料的制备方法，包括如下步骤：

4、s1：将基体清洗、干燥、辉光清洗，得到预处理基体；

5、s2：在预处理基体表面沉积tic层；

6、s3：在tic层表面沉积ticn层；

7、s4：在ticn层表面沉积ti1-xalxn层，0.3≤x≤0.66；

8、s5：在ti1-xalxn层表面沉积al2o3层；

9、s6：在al2o3层涂层表面沉积ti1-yalyn层，0.3≤y≤0.66，得到抗疲劳耐高温数控机床刀具用合金钢材料。

10、作为本发明的进一步方案：s1中清洗的具体步骤为：依次经过丙酮、无水乙醇及去离子水超声清洗10-60min。

11、作为本发明的进一步方案：s1中辉光清洗的具体步骤为：将清洗、干燥后的基体置于真空室中，抽真空至5×10-4-6×10-3pa后通入氩气至压强2-5pa，设置基体的负偏压为-1000v～-500v，占空比为0.3-0.5%，用ar+轰击基体表面，辉光清洗20min。

12、作为本发明的进一步方案：沉积tic层的具体步骤为：采用ticl4作为ti源、ch4作为c源，氢气作为载气，在预处理基体表面沉积tic层；tic层中c元素的质量百分数为30-80%，tic层沉积厚度为1-10nm。

13、作为本发明的进一步方案：ticn层沉积的具体步骤为：在920-980℃、200-500mbar条件下，采用ticl4作为ti源、ch4作为c源、n2作为n源，氢气作为载气，在tic层表面沉积ticn层；其中各原料的重量百分比为：0.2-10% ticl4、0.2-10% ch4、2-50% n2、余量为h2，原料重量百分比之和为100%；ticn层沉积厚度为0.5-1µm。

14、作为本发明的进一步方案：ti1-xalxn层沉积的具体步骤为：采用ticl4作为ti源、ti0.33al0.67（at.%）合金靶材作为ti源和al源、n2作为n源，氢气作为载气，在ticn层表面沉积ti1-xalxn层；其中，0.3≤x≤0.66，ti1-xalxn层沉积厚度为0.3µm-0.7µm；ti1-yalyn层沉积的具体步骤为：采用ticl4作为ti源、ti0.33al0.67（at.%）合金靶材作为ti源和al源、n2作为n源，氢气作为载气，在al2o3层表面沉积ti1-yalyn层；其中，0.3≤y≤0.66，ti1-yalyn层沉积厚度为1µm-6µm；其中，x≤y。

15、作为本发明的进一步方案：al2o3层沉积的具体步骤为：在900-1020℃、50-200mbar条件下，利用气体混合物在ti1-xalxn层表面沉积al2o3层；气体混合物包括如下重量百分比的原料：0.1-10% alcl3、1-10% co、0.5-5% co2、5-15% hcl、0.01-1% h2s、余量为h2，原料重量百分比之和为100%；al2o3层沉积厚度为1µm-2µm。

16、一种抗疲劳耐高温数控机床刀具用合金钢材料，由上述任意一项抗疲劳耐高温数控机床刀具用合金钢材料的制备方法制成。

17、本发明的有益效果：本技术先对基体进行预处理，不仅清洗基体表面，而且增强基体表面的活性，促进涂层的形成和附着，从而提高涂层与基体的结合强度，而且基体在高能离子的轰击下温度升高，起到预轰击加热的作用。本技术在预处理基体表面沉积tic层；tic层作为基体-涂层界面，tic满足基体与涂层高的结合强度，避免热膨胀系数不匹配导致裂纹产生及涂层脱落的问题，不仅消除脆性相的形成，还可与基体保持相当好的结合，解决了硬质合金与涂层的结合问题。本技术在tic层表面沉积ticn层；本技术制备的ticn涂层内没有疏松、孔隙和枝状结晶，具有耐磨性好、韧性高、抗热震性能好的特点，在使用时，即使刀具刃口部分温度很高，也不容易产生热裂纹，有效延长刀具的使用寿命。本技术在基体表面沉积ti1-xalxn层之前首先在基体表面沉积tic层和ticn层，有效提高ti1-xalxn层与基材之间的涂层粘着性以及赋予涂层良好的抗热震性能。

18、本技术在ticn层表面沉积ti1-xalxn层；本技术制备的ti1-xalxn层在氧化过程中，al元素向外扩散和o元素向内扩散同时发生，纳米晶tialn涂层由于al元素沿晶界快速向外扩散，促进ti1-xalxn层表面形成完整al2o3保护膜；本技术继续在ti1-xalxn层表面沉积al2o3层，al2o3层与ti1-xalxn层表面产生的al2o3保护膜复合，大大提高al2o3层与基材的附着强度；al2o3层能有效阻止刀具在切削过程中氧化物质向其它涂层材料扩散的情况发生，大幅度提高刀具在干式、高速、重切削条件下的抗高温氧化性能，显著提高刀具的使用寿命。本技术在al2o3层表面沉积ti1-yalyn层，ti1-yalyn层与al2o3层结合强度高，有效提高ti1-yalyn层的涂层均匀性以及涂层沉积效率。ti1-yalyn作为涂层表面，与工作环境直接发生交互作用，对抗磨料磨损、氧化磨损以及粘结磨损效果好。

19、本技术在ticn层表面依次沉积ti1-xalxn层、al2o3层、ti1-yalyn层，其中，x≤y；本技术依次设置相对低al含量的ti1-xalxn层、再设置相对高al含量的ti1-yalyn层，解决了al2o3层对于间断切削的震动较敏感的问题，大大提高数控机床刀具用合金钢材料抗疲劳的问题。