本發(fā)明屬于化工材料領域，具體涉及一種刀具表面涂層的制備方法及制備得到的涂層。
背景技術：
涂層作為化學屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，從而減少了刀具的磨損，因此切削刀具大部分采用涂層工藝來提高它們的使用性能。涂層采用的材料須具有硬度高、耐磨性好、化學性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學反應、耐熱耐氧化以及與基體附著牢固等要求。類金剛石碳膜(Diamond-like carbon films，簡稱DLC膜)作為新型的硬質薄膜材料具有一系列優(yōu)異的性能，如高硬度、高耐磨性、高熱導率、高電阻率等，具有良好的應用前景，但是該涂層硬度高、易脫落，造成刀具的使用壽命降低。此外，在某些場合中，DLC涂層的硬度還是不夠，在處理質地較硬的材料時，容易發(fā)生磨損，損壞。
技術實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術中存在的以上問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種刀具表面涂層的制備方法，該方法可以將DLC膜牢固地涂覆在刀具基體的表面，使制備得到的涂層具有高硬度、高耐磨性等優(yōu)勢，而且制備得到的涂層不易脫落，使刀具具有更長的使用壽命，此外，DLC膜與其他膜的配合，更好地提高了刀具涂層的硬度和耐磨損能力。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種刀具表面多元復合涂層，該涂層利用上述制備方法制備而來，從內到外依次為CrN、CrAlSiN和DLC，CrN涂層作為CrAlSiN涂層與基體間的過渡層，主要目的是增加CrAlSiN涂層與基體間的結合強度，DLC涂層和CrAlSiN涂層之間形成非晶層，可以增大DLC涂層和CrAlSiN涂層間的結合強度，防止DLC涂層的脫落。
為了解決以上技術問題，本發(fā)明的技術方案為：
一種刀具表面涂層的制備方法，包括如下步驟：
1)對刀具的表面進行清潔；
2)在刀具的表面濺射CrN涂層，靶材為CrN合金；
3)在濺射有CrN涂層的刀具表面濺射CrAlSiN涂層，靶材為CrAlSiN合金，濺射環(huán)境為氬氣環(huán)境；
4)在步驟3)處理的刀具表面制備DLC涂層，得到目的涂層。
采用組織成分均勻的CrAlSiN合金靶材，用氬氣進行濺射，最終在CrN涂層表面形成組織成分均勻的CrAlSiN涂層，可以提高CrAlSiN涂層與CrN涂層之間化學結合的均勻性，進而整體提高了CrAlSiN涂層與CrN涂層之間的結合力，成功解決了主耐磨涂層(CrAlSiN 涂層)整體抗磨損能力不均衡、易脫落的問題。在組織成分均勻的CrAlSiN涂層上濺射DLC涂層，兩個涂層緊密結合，大大提高了刀具涂層的硬度，減小了摩擦系數(shù)。
同時，制備的CrAlSiN涂層質地均勻，表面平整，在CrAlSiN涂層上制備的DLC涂層的表面光滑，減小了摩擦系數(shù)，且DLC涂層相對于CrAlSiN涂層起到潤滑緩沖的作用，減小了在使用過程中的磨損，延長了刀具的使用壽命。
優(yōu)選的，步驟1)中，首先對刀具基片表面進行拋光處理，使其達到設定的粗糙度，清洗、干燥后在磁控濺射室中被氬離子清潔，直至達標。
進一步優(yōu)選的，拋光后的刀具基片表面粗糙度為0.04-0.06μm，進一步的粗糙度為0.05μm。有利于提高基體和涂層的結合強度。
進一步優(yōu)選的，采用超聲清洗機對拋光后的刀具基片進行清洗，干燥的溫度為120-200℃。有利于清洗液的干燥揮發(fā)。
進一步優(yōu)選的，刀具在磁控濺射室中被氬離子清潔時，氬氣的壓力為2.5-3.5Pa，施加200-220V偏壓?？商岣呋w表面的潔凈度。
優(yōu)選的，步驟2)中，濺射CrN涂層時，氬氣的壓力為2.0-3.0Pa，施加200-220V偏壓，濺射的時間為15-25min。在這種條件下，CrN涂層和基體有好的結合強度。
優(yōu)選的，步驟3)中，濺射CrAlSiN涂層時，氬氣的壓力為2.0-3.0Pa，施加35-45V偏壓，濺射的時間為30-50min。
這種條件下形成的CrAlSiN涂層厚度均勻，晶體顆粒小，涂層硬度、強度和耐磨損性能好。
優(yōu)選的，步驟4)中，DLC涂層采用乙炔和四甲基硅烷制備，用PACVD(plasma assistedchemical vapor deposition)方法制成，時間為110-130min。
利用上述制備方法制備得到的多元復合涂層，從刀具基片表面到外依次包括CrN涂層、CrAlSiN涂層和DLC涂層。
優(yōu)選的，CrN涂層的厚度為150-200nm，CrAlSiN涂層的厚度為1700-2300nm，DLC涂層厚度為700-1200nm。這樣的厚度可以保證涂層刀具表層既有足夠的強度，又有好的摩擦磨損性能。
進一步優(yōu)選的，CrN涂層的厚度為170-190nm，CrAlSiN涂層的厚度為1900-2100nm，DLC涂層厚度為900-1100nm。
優(yōu)選的，所述CrAlSiN涂層的微觀硬度為4000HV，DLC涂層的微觀硬度為2000HV。
一種涂覆有上述多元復合涂層的刀具。
本發(fā)明的有益效果為：
本發(fā)明利用CrN過渡層，增大CrAlSiN涂層與刀具基片間的結合強度，利用DLC涂層和CrAlSiN涂層間形成的非晶層，增大DLC涂層和CrAlSiN涂層間的結合強度，在硬質合金刀具表層形成高硬度、高耐磨損性能、結合強度高的梯度涂層，有效防止了刀具在使用過程中CrAlSiN涂層和DLC涂層的脫落問題。由于CrAlSiN涂層的組織均勻，表面均勻，所以，在CrAlSiN涂層表面制備的DLC涂層具有更小的摩擦系數(shù)，進一步降低了刀具與工件材料之間的摩擦，大大降低了涂層在刀具使用過程中的磨損，延長了涂層刀具的使用壽命。
本發(fā)明采用磁控離子濺射工藝，真空室氣壓低，得到的涂層厚度均勻、組織成分均勻，晶體顆粒小，涂層的硬度、強度以及耐磨損性能好。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1
一種硬質合金刀片表面CrN-CrAlSiN-DLC涂層的制備方法，包括如下步驟：
1.硬質合金刀片基片的清潔和干燥
刀片基片表面進行拋光處理，粗糙度值為Ra＝0.05μm，然后經超聲波清洗機清洗，再放入恒溫干燥箱中干燥，溫度120℃。
2.硬質合金刀片基片的清潔
刀片基片放入磁控濺射室中，氣壓抽至6×10-5Pa之下后，基片被加熱到合適的溫度，然后通入氬氣，在3Pa壓力下，施加220V偏壓，刀具基片被氬離子清理20分鐘。
3.濺射CrN涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為2.5Pa，施加220V偏壓，濺射功率為120W，靶材采用CrN合金，濺射時間為20分鐘。
4.濺射CrAlSiN涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為2.5Pa，濺射功率為200W，施加40V偏壓，靶材采用CrAlSiN合金，濺射時間為40分鐘。
5.制備DLC涂層
DLC涂層采用乙炔和四甲基硅烷，用PACVD(plasma assisted chemical vapor deposition)方法制成，時間120分鐘。
在CA6140型車床上進行刀片壽命試驗測試：
材料為45鋼，平均硬度為HB188。刀具前角-6°，后角6°，刃斜角-6°，主偏角75°，刀尖角90°，刀片邊長12.7mm，刀片厚度4.76mm。走刀量0.41mm/r，切削深度2mm，切削速度200m/min，刀片連續(xù)切削50-200s后，測量后刀面磨損值VB，當VB達到0.3mm時，累計切削時間作為刀片壽命。
得到的CrN涂層的厚度為150nm，CrAlSiN涂層的厚度為2000nm，DLC涂層的厚度為1000nm。
涂層的硬度為48GPa，表面粗糙度為1.8納米，摩擦系數(shù)為0.09，采用劃痕試驗測得涂層與基體間的結合力為73N，刀片壽命為22min。
對比例1
與實施例1的區(qū)別為CrAlSiN涂層的制備方法：利用CrAlSi復合靶材在真空室內進行沉積CrAlSiN層，復合靶材由射頻陰極控制，濺射氣氛采用Ar與N2的混合氣體，其余的參數(shù)與實施例1相同，得到2μm的CrAlSiN涂層。
制備得到的涂層的硬度為35GPa，表面粗糙度為3.5納米，摩擦系數(shù)為0.25，涂層與基體間的結合力為62N，刀片壽命為14min。
對比例2
與實施例1的區(qū)別為：沒有CrN涂層的制備，直接將CrAlSiN涂層濺射到刀片的基體上，其他參數(shù)與實施例1相同。
制備得到的涂層的硬度為41GPa，表面粗糙度為3.1納米，摩擦系數(shù)為0.23，涂層與基體間的結合力為68N，刀片壽命為17min。
實施例2
一種刀具表面CrN-CrAlSiN-DLC涂層的制備方法，包括如下步驟：
1.硬質合金刀片基片的清潔和干燥
刀具基片表面進行拋光處理，粗糙度值為Ra＝0.05μm，然后經超聲波清洗機清洗，再放入恒溫干燥箱中干燥，溫度180℃。
2.硬質合金刀具基片的清潔
刀具基片放入磁控濺射室中，氣壓抽至6×10-5Pa之下后，基片被加熱到合適的溫度，然后通入氬氣，在2Pa壓力下，施加210V偏壓，刀具基片被氬離子清理25分鐘。
3.濺射CrN涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為2.5Pa，施加220V偏壓，靶材采用CrN合金，濺射時間為25分鐘。
5.濺射CrAlSiN涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為3Pa，施加45V偏壓，靶材采用CrAlSiN合金，濺射時間為50分鐘。
5.制備DLC涂層
DLC涂層采用乙炔和四甲基硅烷，用PACVD(plasma assisted chemical vapor deposition)方法制成，時間120分鐘。
得到的CrN涂層的厚度為170nm，CrAlSiN涂層的厚度為2210nm，DLC涂層的厚度為1050nm。
涂層的硬度為45GPa，表面粗糙度為2.2納米，摩擦系數(shù)為0.14，采用劃痕試驗測得涂層與基體間的結合力為72N，刀片壽命為20min。
實施例3
一種刀具表面CrN-CrAlSiN-DLC涂層的制備方法，包括如下步驟：
1.硬質合金刀片基片的清潔和干燥
刀具基片表面進行拋光處理，粗糙度值為Ra＝0.06μm，然后經超聲波清洗機清洗，再放入恒溫干燥箱中干燥，溫度200℃。
2.硬質合金刀具基片的清潔
刀具基片放入磁控濺射室中，氣壓抽至6×10-5Pa之下后，基片被加熱到合適的溫度，然后通入氬氣，在3Pa壓力下，施加200V偏壓，刀具基片被氬離子清理20分鐘。
3.濺射CrN涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為2.0Pa，施加220V偏壓，靶材采用CrN合金，濺射時間為20分鐘。
6.濺射CrAlSiN涂層
在磁控濺射室中通入氬氣，壓力為2.0Pa，施加40V偏壓，靶材采用CrAlSiN合金，濺射時間為40分鐘。
5.制備DLC涂層
DLC涂層采用乙炔和四甲基硅烷，用PACVD(plasma assisted chemical vapor deposition)方法制成，時間120分鐘。
得到的CrN涂層的厚度為157nm，CrAlSiN涂層的厚度為1950nm，DLC涂層的厚度為950nm。
涂層的硬度為46GPa，表面粗糙度為2.2納米，摩擦系數(shù)為0.10，采用劃痕試驗測得涂層與基體間的結合力為71N，刀片壽命為21min。
上述雖然結合對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍內。