具有复合涂层的机械部件论文和设计-李庆超

全文摘要

本申请的实施例涉及了一种具有复合涂层的机械部件。具有复合涂层的机械部件包括：基体、结合层及交替层。所述结合层形成于所述基体的至少一部分表面上，其中所述结合层的材质为包含TiN、CrN中的任一种；所述交替层形成于所述结合层的表面上，其中所述交替层为包括多层自所述结合层表面向外依序循环堆叠的第一金属陶瓷层、第二金属陶瓷层及第三金属陶瓷层，且所述第一金属陶瓷层的材质为AlTiWN，所述第二金属陶瓷层的材质为AlTiSiWN，以及所述第三金属陶瓷层的材质为TiSiWN。本申请通过提供上述具有复合涂层的机械部件，改善了所述复合涂层对所述机械部件的结合度和高温稳定性，且有效的提升了所述机械部件的硬度及使用寿命，从而优化所述机械部件的综合机械性能。

主设计要求

1.一种具有复合涂层的机械部件，其特征在于，其包括：基体；结合层，其形成于所述基体至少一部分的表面上，其中所述结合层的材质包含TiN、CrN中的任一种；以及交替层，其形成于所述结合层的表面上，其中所述交替层为包括多层自所述结合层表面向外依序循环堆叠的第一金属陶瓷层、第二金属陶瓷层及第三金属陶瓷层，且所述第一金属陶瓷层的材质为AlTiWN，所述第二金属陶瓷层的材质为AlTiSiWN，以及所述第三金属陶瓷层的材质为TiSiWN。

设计方案

1.一种具有复合涂层的机械部件，其特征在于，其包括：

基体；

结合层，其形成于所述基体至少一部分的表面上，其中所述结合层的材质包含TiN、CrN中的任一种；以及

交替层，其形成于所述结合层的表面上，其中所述交替层为包括多层自所述结合层表面向外依序循环堆叠的第一金属陶瓷层、第二金属陶瓷层及第三金属陶瓷层，且所述第一金属陶瓷层的材质为AlTiWN，所述第二金属陶瓷层的材质为AlTiSiWN，以及所述第三金属陶瓷层的材质为TiSiWN。

2.根据权利要求1所述的机械部件，其特征在于，其中所述第一金属陶瓷层、所述第二金属陶瓷层及所述第三金属陶瓷层中的任一者的厚度为2nm～17nm，所述交替层的厚度为0.5μm～6μm。

3.根据权利要求1所述的机械部件，其特征在于，其中所述第一金属陶瓷层、所述第二金属陶瓷层及所述第三金属陶瓷层中的任一者的堆叠层数为80层～120层。

4.根据权利要求1所述的机械部件，其特征在于，其中所述机械部件为刀具。

设计说明书

技术领域

本申请的实施例涉及复合涂层技术领域，更具体地，涉及具有复合涂层的机械部件。

背景技术

涂层技术被广泛的应用在机械部件中，通过采用涂层技术可以有效的提升机械部件的硬度、耐磨性和抗腐蚀性等综合机械性能。从而大幅度地提高机械加工效率和使用，从而提高机械部件使用寿命。

随着工业的发展，对机械部件的加工性能提出了更要的要求，在干式快速切削过程中，要求机械部件具有优异的耐高温性、耐磨性及抗腐蚀等性能，因此对各式复合涂层的改进与优化的需求也应运而生。

实用新型内容

本申请的实施例的目的之一在于提供一种具有复合涂层的机械部件，所述复合涂层具有多层堆叠结构，其中采用物理气相沉积方法(PVD)使得各涂层由不同合金材料的组成，以增强所述复合涂层对机械部件的结合性及高温稳定性，从而使所述机械部件获得在高强度高应力条件下的切削性能要求。

本申请的一些实施例提供了一种具有复合涂层的机械部件，其特征在于，其包括基体、结合层以及交替层。所述结合层形成于所述基体的至少一部分表面上，其中所述结合层的材质包含TiN、CrN中的任一种；所述交替层形成于所述结合层的表面上，其中所述交替层为包括多层自所述结合层表面向外依序循环堆叠的第一金属陶瓷层、第二金属陶瓷层及第三金属陶瓷层，且所述第一金属陶瓷层的材质为AlTiWN，所述第二金属陶瓷层的材质为AlTiSiWN，以及所述第三金属陶瓷层的材质为TiSiWN。

根据本申请的一些实施例，其特征在于，所述第一金属陶瓷层、所述第二金属陶瓷层及所述第三金属陶瓷层中的任一者的厚度为2nm～17nm，所述交替层的厚度为0.5μm～6μm。

根据本申请的一些实施例，其特征在于，所述第一金属陶瓷层、所述第二金属陶瓷层及所述第三金属陶瓷层中的任一者的堆叠层数为80层～120层。

根据本申请的一些实施例，其特征在于，所述机械部件为刀具。

附图说明

在下文中将简要地说明为了描述本申请实施例或现有技术所必要的附图以便于描述本申请的实施例。显而易见地，下文描述中的附图仅只是本申请中的部分实施例。对本领域技术人员而言，在不需要创造性劳动的前提下，依然可以根据这些附图中所例示的结构来获得其他实施例的附图。

图1是根据本申请一些实施例的具有复合涂层的机械部件的部分横切面结构示意图。

图2是根据本申请一些实施例的具有复合涂层的机械部件的制备方法的流程图。

图3为本申请一些实施例的具有复合涂层的刀具与对比例1的单层AlTiWN涂层的刀具进行切削测试其刀面损伤对切削长度的变化曲线图。

图4为本申请一些实施例的具有复合涂层的刀具与对比例1的单层AlTiWN涂层的刀具硬度柱状图。

具体实施方式

本申请的实施例将会被详细的描述在下文中。在本申请说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。

在本说明书中，除非经特别指定或限定之外，相对性的用词例如：“中央的”、“纵向的”、“侧向的”、“前方的”、“后方的”、“右方的”、“左方的”、“内部的”、“外部的”、“较低的”、“较高的”、“水平的”、“垂直的”、“高于”、“低于”、“上方的”、“下方的”、“顶部的”、“底部的”以及其衍生性的用词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)应该解释成引用在讨论中所描述或在附图中所描示的方向。这些相对性的用词仅用于描述上的方便，且并不要求将本申请以特定的方向建构或操作。

另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述该范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。

再者，为便于描述，“第一”、“第二”、“第三”等等可在本文中用于区分一个图或一系列图的不同组件。除非经特别指定或限定之外，“第一”、“第二”、“第三”等等不意欲描述对应组件。

近年来涂层技术得到了研究者的青睐，从蒸发镀膜发展到多弧离子镀技术和溅射镀膜技术，镀膜材料范围不断扩大，由最初的金属元素镀膜，例如Ti、Cr等过渡族金属元素，到如今的非金属元素，如C、O等均能取得良好的镀膜效果。在干式快速切削过程中，需要提高机械部件的加工性能如硬度、抗腐蚀性、耐高温性及耐磨性，为了进一步提高涂层的热稳定性能、硬度和韧性，其中一种改进的方式为将具备不同物理性能的多元材料涂层进行多次堆叠以形成具有多层结构的复合涂层。

本申请的实施例通过提供一种具有复合涂层的机械部件及其制备方法，其中所述复合涂层具有良好的热稳定性能、硬度和韧性，使得所述机械部件获得优良的综合机械性能，从而大幅度地提高其机械加工效率，从而提高所述机械部件使用寿命。

为了更好的说明本申请的具有复合涂层的机械部件的有益效果及技术优势，下文中将结合本本申请的实施例以及说明书附图来对其作进一步说明。

图1是根据本申请一些实施例的具有复合涂层的机械部件的部分横切面结构示意图。如图1所示，一种具有复合涂层的机械部件包含基体101、结合层102以及交替层103。所述结合层102形成于所述基体101的至少一部分表面上，且所述交替层103形成于所述结合层102的表面上，其中所述交替层103为包括多层自所述结合层102表面向外依序循环堆叠的第一金属陶瓷层104、第二金属陶瓷层105及第三金属陶瓷层106。本领域技术人员应理解，图1中的所述结合层102及所述交替层103所构成的复合涂层形成于所述基体101上的位置只是方便说明本申请实施例中的具有复合涂层的机械部件结构的示意图，所述复合涂层能够根据实际应用需求单面涂覆或双面涂覆于所述机械部件基体表面上的任何位置。举例而言，当所述机械部件是刀具时，所述复合涂层能够涂覆于刀身、刀背、刀锋或刀尖。

在本申请的一些实施例中，所述机械部件可以是本领域技术人员熟知的任何需要高硬度和优异的高温性能的机械部件，例如，但不限于，刀具、切削工具、模具及零部件。

在本申请的一些实施例中，所述基体101的材质可以是本领域中任何合适的常规金属材料，举例来说其包含，但不限于，硬质合金、高塑钢及钨钢中的一种或多种。

在本申请的一些实施例中，所述结合层102能够通过PVD法形成于所述基体101的表面上，所述结合层102的材质包含TiN及CrN中的任一种，所述结合层能够更紧密的贴附于所述基体101的表面，所述交替层通过所述结合层能够进一步提升所述复合涂层对机械部件的结合力。

在本申请的一些实施例中，所述结合层102的厚度为0.01μm～1μm。

在本申请的一些实施例中，所述第一金属陶瓷层104、所述第二金属陶瓷层105及所述第三金属陶瓷层106也能够通过PVD法形成于先前形成的沉积层上，所述第一金属陶瓷层104的材质为AlTiWN，所述第二金属陶瓷层105的材质为AlTiSiWN，以及所述第三金属陶瓷层106的材质为TiSiWN。其中通过在所述第二金属陶瓷层及所述第三金属陶瓷层的材质中加入钨(W)可以有效的提升所述交替层的硬度及高温稳定性，从而优化具有所述复合涂层的机械部件的耐高温性和抗磨性。

在本申请的一些实施例中，所述第一金属陶瓷层的材质AlTiWN除去氮(N)以外其他元素按原子百分比计，包括50％～60％的铝(Al)、30％～40％的钛(Ti)及0％～20％的钨(W)。

在本申请的一些实施例中，所述第二金属陶瓷层的材质AlTiSiWN除去氮(N)以外其他元素按原子百分比计，包括25％～30％的铝(Al)、55％～65％的钛(Ti)、5％～10％的硅(Si)及0％～15％的钨(W)。

在本申请的一些实施例中，所述第三金属陶瓷层的材质TiSiWN除去N以外其他元素按原子百分比计，包括75％～90％的钛(Ti)、10％～20％的硅(Si)及0％～5％的钨(W)。

在本申请的一些实施例中，所述第一金属陶瓷层104、所述第二金属陶瓷层105及所述第三金属陶瓷层106个别的单层厚度为2nm～17nm，所述交替层的总厚度为0.5μm～6μm。

在本申请的一些实施例中，所述交替层103包含的所述第一金属陶瓷层104、所述第二金属陶瓷层105及所述第三金属陶瓷层106中的任一者的堆叠层数为80层～120层。

在本申请的一些实施例中，所述具有复合涂层的机械部件的涂层显微硬度为38GPa～42GPa，且其能在1200℃的高温下维持涂层结构稳定。

图2是根据本申请实施例的具有复合涂层的机械部件的制备方法的流程图。

如图2所示，本申请实施例的具有复合涂层的机械部件的制备方法包括以下步骤：首先可视需要进行步骤200，将基体的表面进行预处理以清除所述基体的表面上残留的灰尘、水汽、油脂或碎屑。

在本申请的一些实施例中，所述预处理步骤可以是本领域人员所惯用的所有表面清洁方式中的一种或多种，举例来说，其包括，但不限于，化学药品去除表面油污、清水漂洗和高温空气干燥。

随后进行步骤201，采用PVD工艺于所述基体的至少一部分表面上沉积结合层，其中所述结合层的材质包含TiN、CrN中的任一种。

在本申请的一些实施例中，步骤201进一步包含以下步骤：将经预处理未涂层的基体装入镀膜机中，将镀膜机中的炉腔内抽真空至1×10^{-3<\/sup>Pa～7×10^{-3<\/sup>Pa，并将炉腔内的温度加热至300℃～500℃；随后通入纯度为99.999％的氩气(Ar)以将炉腔内的气压固定为0.1Pa～1Pa，并在负偏压为100V～800V的条件下，进行等离子体清洗所述基体表面15分钟～200分钟。随后将负偏压调至600V～1000V，打开所述结合层的靶材的靶，其中所述结合层的靶材包括钛(Ti)、铬(Cr)或其混合物，通过调整弧源电流至80A～100A将钛(Ti)或铬(Cr)高能轰击所述基体以活化其表面；随后调低负偏压调至20V～200V并通入氮气将炉腔内的气压固定为1Pa～6Pa，沉积所述结合层在所述基体的表面上约5分钟～20分钟。}}

接下来依序进行步骤202、203及204，即采用PVD工艺于所述表面结合层的表面上依序沉积第一金属陶瓷层、第二金属陶瓷层及第三金属陶瓷层，其中所述第一金属陶瓷层、所述第二金属陶瓷层及所述第三金属陶瓷层分别通过PVD工艺沉积于前次金属陶瓷层沉积所形成的沉积层上，且所述第一金属陶瓷层的材质为AlTiWN，所述第二金属陶瓷层的材质为AlTiSiWN，以及所述第三金属陶瓷层的材质为TiSiWN。

在本申请的一些实施例中，步骤202、203及204进一步包括以下步骤：在炉腔内温度为300℃～500℃，氮气压力为1Pa～6Pa以及所述负偏压为20V～200V的条件下，打开包含AlTiW靶材的靶，所述AlTiW靶材的弧源电流为80A～300A以沉积所述第一金属陶瓷层0.1分钟～2分钟于所述结合层或所述第三金属陶瓷层上；随后打开包含所述AlTiW靶材及TiSiW靶材的靶，以沉积所述第二金属陶瓷层0.1分钟～2分钟于所述第一金属陶瓷层上；以及随后关闭包含所述AlTiW靶材的靶并且打开包含所述TiSiW靶材的靶，以沉积所述第三金属陶瓷层0.1分钟～2分钟于所述第二金属陶瓷层上。

通过重复依序进行步骤202、203及204，以形成具有多层结构的交替层。在对基体表面形成具有多层结构的复合涂层后，将镀膜机中的炉腔温度降至150℃～220℃，随后将所述具有复合涂层的机械部件取出镀膜机常温冷却即完成所述具有复合涂层的机械部件的制备。

在本申请的一些实施例中，步骤202、203及204被依序重复执行约80次～约120次，其中所述第一金属陶瓷层、所述第二金属陶瓷层及所述第三金属陶瓷层中的任一者的堆叠层数为约80层～约120层。

下文中将列举本申请的一些具体的实施例，并对部分实施例进行了切削测试以更好地对本申请具有复合涂层的机械部件的有益效果进行说明。本领域的技术人员将理解，下文中描述的制备方法仅是示范实施例，其他任何合适的制备方法均在本申请的范围内。

实施例1

(1)使用钨钢刀具进行预处理，使用超声波碱洗(0.0005mol\/L的亚硝酸钠溶液)6分钟，去离子漂洗2分钟，随后使用干燥洁净压缩空气吹干刀具表面。将经预处理未涂层的刀具装入镀膜机转架上，调整支架转速为4rpm，炉腔内抽真空至1×10^{-3<\/sup>Pa，同时打开加热器，加热至400℃，通入纯度为99.999％的氩气(Ar)将炉腔内的气压调节为0.4Pa，将负偏压调为800V，对所述刀具表面进行等离子体清洗8分钟。然后降低所述负偏压至700V，并开启纯钛(Ti)靶，调节靶材的弧源电流为80A以钛粒子高能轰击所述刀具20分钟以活化所述刀具表面；随后降低所述负偏压为100V，通入氮气使得炉腔内的气压升至4Pa，在温度400℃下，使靶材的弧源电流为80A以沉积结合层15分钟，其中所述结合层的材质为TiN。}

(2)在镀膜机的炉腔内维持所述负偏压为100V，打开AlTiW靶材的靶(其中所述AlTiW靶材的各成分的原子百分比为Al 60％、Ti 35％和W5％)，调节弧源电流至120A，沉积第一金属陶瓷层1分钟。然后同时打开所述AlTiW靶材的靶和TiSiW靶材的靶(其中所述TiSiW靶材的各成分的原子百分比为Ti 85％、Si 10％及W 5％)，并维持在弧源电流为120A以及负偏压为100V的条件下，沉积第二金属陶瓷层0.5分钟。然后关闭所述AlTiW靶材的靶，调节所述TiSiW靶材的弧源电流为120A，基体负偏压为100V，沉积第三金属陶瓷层1分钟。

(3)按照步骤(2)，重复沉积80次，完成镀膜以获得具有复合涂层的刀具。完成镀膜后，刀具随镀膜机中的炉腔冷却至200℃后取出常温冷却即可。

实施例2

与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例2中所述TiSiW靶材的各成分的原子百分比为Ti 86％、Si 10％及W 4％。

实施例3

与实施例2的制备方法相同，不同的地方是实施例3中所述TiSiW靶材的各成分的原子百分比为Ti 87％、Si 10％及W 3％。

实施例4

与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例4中所述TiSiW靶材的各成分的原子百分比为Ti 88％、Si 10％及W 2％。

实施例5

与实施例3的制备方法相同，不同的地方是实施例5中按照步骤(2)重复沉积120次。

对比例1

使用与实施例1相同钨钢刀具，并通过镀膜机沉积单层的AlTiWN涂层(其中所述AlTiW靶材的各成分的原子百分比为Al 60％、Ti 35％和W5％)，其涂层厚度为3μm。

上述实施例及对比例的镀膜刀具成品完成后，记录其各涂层的厚度。

各个实施例的材质比例和涂层厚度测量结果如下表1所示。

表1

随后通过对上述实施例1-4及对比例1进行以下硬度测试与切削测试，从而比较本申请实施例中的具有复合涂层的刀具的与现有技术的单层涂层的刀具在硬度上及机械性能表现上的提升。

切削测试：

将待测的刀具对淬硬钢进行高速切削，其中使用的所述淬硬钢为SKD11(HRC＝55)，待测的刀具的切削速度为：200m\/s，切入深度为：0.1mm，切入宽度为：2mm。进行高速切削的同时记录待测的刀具的刀面损伤及其切削长度。

硬度测试：

采用纳米压痕仪(仪器型号NHT2；Anton Paar)于待测的刀具涂覆涂层的表面随机选择10个不同的地点进行显微硬度测量，从而取得相应的平均硬度值。

图3为本申请一些实施例的具有复合涂层的刀具与对比例1的单层AlTiWN涂层的刀具进行切削测试其刀面损伤对切削长度的变化曲线图。

图4为本申请一些实施例的具有复合涂层的刀具与对比例1的单层AlTiWN涂层的刀具硬度对比图。

如图3所示，本申请实施例1-4具有复合涂层的刀具的切削寿命相对于对比例1的单层AlTiWN涂层的刀具皆有显著的提升。特别是，本申请实施例3具有复合涂层的刀具的在刀面损伤低于200μm的条件下，其切削长度可达到115m，与之相对的，对比例1所提供的单层AlTiWN涂层的刀具其切削长度则只有55m。可知本申请实施例中具有复合涂层的机械部件，通过其具有多层结构的复合涂层设计能够有效的提高其机械部件的耐高温性和抗磨性，所述具有多层结构的机械部件在快速干式切削下的寿命可以达到单层涂层的机械部件的两倍。

此外，如图4所示，相较于单层AlTiWN涂层的刀具，本申请实施例中的具有复合涂层的刀具能够有效的提高刀具的硬度。通过表1可以得知，本申请实施例中钨(W)在交替层中不同的添加比例可以提升其形成的复合涂层的硬度及高温稳定性，当使用钨(W)的含量为3％的TiSiW靶材，并且使用铝(Al)的含量为60％、钛(Ti)的含量为35％和钨(W)的含量为5％的AlTiW靶材时，所述具有复合涂层的刀具达到其表面最大硬度35.6GPa，且刀面损伤低于200μm的条件下其切割测试的长度能够达到最大值130m。此外，所述复合涂层的热稳定性能和力学性能还可通过不同沉积次数从而改变涂层厚度的方式来实现。

上文说明摘要整理出数个实施例的特征，这使得所属技术领域中具有通常知识者能够更加理解本申请的多种方面。所属技术领域中具有通常知识者可轻易地使用本申请作为基础，以设计或修改其他组合物，以便实现与此处申请的实施例相同的目的及\/或达到相同的优点。所属技术领域中具有通常知识者亦可理解，这些均等的实例并未悖离本申请的精神与范畴，且其可对本申请进行各种改变、替换与修改，而不会悖离本申请的精神与范畴。虽然本文中所揭示的方法已参考以具体次序执行的具体操作加以描述，但应理解，可在不脱离本申请的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序及分组不是对本申请的限制。

设计图

具有复合涂层的机械部件论文和设计

具有复合涂层的机械部件论文和设计-李庆超

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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