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CN116926470B - 用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层及其制备方法 - Google Patents

用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层及其制备方法

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CN116926470B
CN116926470B CN202310805263.9A CN202310805263A CN116926470B CN 116926470 B CN116926470 B CN 116926470B CN 202310805263 A CN202310805263 A CN 202310805263A CN 116926470 B CN116926470 B CN 116926470B
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Abstract

本发明公开了一种用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层及其制备方法，在旋耕刀具的基材上依次设置Cr金属轰击层、TiAlN过渡层、TiBN/CrYN纳米多层支撑层、TiBCrYN功能梯度层；所述Cr金属轰击层、TiAlN过渡层、TiBN/CrYN纳米多层支撑层和TiBCrYN功能梯度层的厚度比例关系为：1:10:20:40～60；其中，所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层是由多个TiBN涂层和CrN涂层交替沉积构成的纳米多层结构。本发明涂层广泛应用于农机旋耕机上的旋耕刀，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和切削性能，可以大大延长旋耕刀的使用寿命，提高农机的工作效率。

Description

用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于旋耕刀具的涂层技术，具体涉及一种用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层及其制备方法。
背景技术
旋耕机是一种广泛应用于农业领域的机械设备，常用于耕地、翻地等作业。旋耕刀具是旋耕机的关键部件之一，其性能直接影响着旋耕机的作业效率和作业质量；目前，旋耕刀具的制造材料主要包括普通碳钢、合金钢等，但这些材料存在着磨损快、易生锈等问题，无法满足现代农业对高效、高质量作业的要求。
近年来，涂层技术被广泛应用于机械制造领域，其可为材料表面提供一层保护层，具有优异的耐磨性、耐腐蚀性、高温稳定性等性能，能够有效延长机械零部件的使用寿命，提高机械设备的作业效率和稳定性。因此，开发一种适用于旋耕刀具的涂层技术，成为了当前研究的热点之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层及其制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层，在旋耕刀具的基材上依次设置Cr金属轰击层、TiAlN过渡层、TiBN/CrYN纳米多层支撑层、TiBCrYN功能梯度层；所述Cr金属轰击层、TiAlN过渡层、TiBN/CrYN纳米多层支撑层和TiBCrYN功能梯度层的厚度比例关系为：1:10:20:40～60；
其中，所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层是由多个TiBN涂层和CrN涂层交替沉积构成的纳米多层结构。
上述方案中，所述Cr金属轰击层的厚度为50～100nm，所述TiAlN过渡层的厚度为500～1000nm，所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层的总厚度为1000～2000nm，每一层的厚度为10～100nm，所述TiBCrYN功能梯度层的厚度为3000～4000nm。
上述方案中，所述Cr金属轰击层采用电弧离子镀制备；所述TiAlN过渡层采用HIPIMS制备；所述iBN/CrYN纳米多层支撑层中，TiBN涂层采用HIPIMS制备，CrYN涂层采用电弧离子镀制备；所述TiBCrYN功能梯度层采用HIPIMS制备。
本发明实施例还提供一种上述方案中任意一项用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层的制备方法，该方法为：将经过清洗和干燥处理的旋耕刀具基材，放置于真空镀膜设备的沉积室内；
在旋耕刀具的基材表面进行Cr金属轰击层的沉积，制备得到Cr金属轰击层；
之后，在所述Cr金属轰击层表面进行TiAlN过渡层的沉积，制备得到TiAlN过渡层；
之后，在所述TiAlN过渡层表面进行TiBN/CrYN纳米多层支撑层的沉积，制备得到TiBN/CrYN纳米多层支撑层；
之后，在所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层表面进行TiBCrYN功能梯度层的沉积，制备得到TiBCrYN功能梯度层。
上述方案中，所述在旋耕刀具的基材表面进行Cr金属轰击层的沉积，制备得到Cr金属轰击层，具体为：采用电弧离子镀制备，沉积参数为温度350℃条件下，真空室压力为5×10-3Pa，偏压为-200～1000V，靶电流为50～100A，Ar气流量为50～200sccm，沉积压强为0.05～1.0Pa，沉积时间为5～30min。
上述方案中，所述在所述Cr金属轰击层表面进行TiAlN过渡层的沉积，制备得到TiAlN过渡层，具体为：采用HIPIMS制备，沉积参数为脉冲频率为50～300Hz，脉冲宽度为50～200μs，脉冲占空比为10％，氩气流量为20-200sccm，氮气流量为20～100sccm，工作压力为0.05～1.0Pa，沉积温度为350℃，沉积时间为30～60min。
上述方案中，在所述TiAlN过渡层表面进行TiBN/CrYN纳米多层支撑层的沉积，制备得到TiBN/CrYN纳米多层支撑层，具体为：所述TiBN涂层采用HIPIMS制备，沉积参数为脉冲频率为50～300Hz，脉冲宽度为50～200μs，脉冲占空比为10％，氩气流量为20-200sccm，氮气流量为20～100sccm，工作压力为0.05～1.0Pa，沉积温度为350℃，沉积时间为30～60min；所述CrYN涂层采用电弧离子镀制备，沉积参数为温度350℃条件下，真空室压力为5×10-3Pa，偏压为-50～200V，靶电流为50～100A，氮气流量为50～500sccm，沉积压强为0.05～1.0Pa，沉积时间为10～20min。
上述方案中，在所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层表面进行TiBCrYN功能梯度层的沉积，制备得到TiBCrYN功能梯度层，具体为：采用HIPIMS制备，沉积参数为脉冲频率为50～300Hz，脉冲宽度为50～200μs，脉冲占空比为10％，氩气流量为20-200sccm，氮气流量为20～100sccm，工作压力为0.05～1.0Pa，沉积温度为350℃，沉积时间为60～120min。
与现有技术相比，本发明涂层广泛应用于农机旋耕机上的旋耕刀，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和切削性能，可以大大延长旋耕刀的使用寿命，提高农机的工作效率。
附图说明
此处所说明的附图用来公开对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供一种用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层的结构I示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
本发明实施例提供一种用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层，如图1所示，在旋耕刀具的基材上依次设置Cr金属轰击层、TiAlN过渡层、TiBN/CrYN纳米多层支撑层、TiBCrYN功能梯度层；所述Cr金属轰击层、TiAlN过渡层、TiBN/CrYN纳米多层支撑层和TiBCrYN功能梯度层的厚度比例关系为：1:10:20:40～60；
其中，Cr金属轰击层位于基体表面最外层，是涂层与基体之间的连接层。TiAlN过渡层位于Cr金属轰击层上方，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，是涂层的重要保护层。
TiBN/CrYN纳米多层支撑层位于TiAlN过渡层之上，包含TiBN涂层和CrYN涂层交替沉积构成；TiBN涂层具有良好的硬度和抗氧化性能，能够有效地提高涂层的耐磨性能；CrYN涂层具有良好的致密性和平滑度，能够增加涂层的结构紧密度，提高涂层的耐腐蚀性能。
TiBCrYN功能梯度层位于TiBN/CrYN纳米多层支撑层上方，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，同时还具有优异的切削性能。
所述Cr金属轰击层的厚度为50～100nm，TiAlN过渡层的厚度为500～1000nm，所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层的总厚度为1000～2000nm，每一层的厚度为10～100nm，TiBCrYN功能梯度层的厚度为3000～4000nm。
所述Cr金属轰击层采用电弧离子镀制备；所述TiAlN过渡层采用HIPIMS制备；所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层中，TiBN涂层采用HIPIMS制备，CrYN涂层采用电弧离子镀制备；所述TiBCrYN功能梯度层采用HIPIMS制备。
本发明实施例还提供一种用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层的制备方法，该方法为：
步骤1：将经过清洗和干燥处理的旋耕刀具基材，放置于真空镀膜设备的沉积室内；
步骤2：在旋耕刀具的基材表面进行Cr金属轰击层的沉积，制备得到Cr金属轰击层；
具体地，采用电弧离子镀制备，沉积参数为温度350℃条件下，真空室压力为5×10-3Pa，偏压为-200V、-400V、-800V、-1000V，靶电流为80A，Ar气流量为200sccm，沉积压强为1.0Pa，沉积时间为20min。
步骤3：在所述Cr金属轰击层表面进行TiAlN过渡层的沉积，制备得到TiAlN过渡层；
具体地，采用HIPIMS制备，沉积参数为脉冲频率为200Hz，脉冲宽度为100μs，脉冲占空比为10％，氩气流量为90sccm，氮气流量为35sccm，工作压力为1.0Pa，沉积温度为350℃，沉积时间为30min。
步骤4：在所述TiAlN过渡层表面进行TiBN/CrYN纳米多层支撑层的沉积，制备得到TiBN/CrYN纳米多层支撑层；
具体地，TiBN涂层采用HIPIMS制备，沉积参数为脉冲频率为200Hz，脉冲宽度为100μs，脉冲占空比为10％，氩气流量为90sccm，氮气流量为35sccm，工作压力为1.0Pa，沉积温度为350℃，沉积时间为60min；CrYN涂层采用电弧离子镀制备，沉积参数为温度350℃条件下，真空室压力为5×10-3Pa，偏压为100V，靶电流为70A，氮气流量为500sccm，沉积压强为1.0Pa，沉积时间为20min。
步骤5：在所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层表面进行TiBCrYN功能梯度层的沉积，制备得到TiBCrYN功能梯度层。
具体地，采用HIPIMS制备，沉积参数为脉冲频率为150Hz，脉冲宽度为100μs，脉冲占空比为10％，氩气流量为90sccm，氮气流量为30sccm，工作压力为1.0Pa，沉积温度为350℃，沉积时间为120min。
在本发明涂层的制备工艺中，Cr金属轰击层采用了电弧离子镀制备技术，该技术可以通过高能离子轰击使涂层与基体更好地结合，提高涂层的结合力，从而增加涂层的耐磨性和耐腐蚀性。TiAlN过渡层采用了HIPIMS制备技术，该技术可以在涂层表面形成一个致密的氧化铝层，保护涂层不受腐蚀和氧化，同时提高涂层的硬度和抗磨性。TiBN/CrYN纳米多层支撑层中，TiBN涂层采用了HIPIMS制备技术，可以提高涂层的硬度和抗氧化性能；CrYN涂层采用电弧离子镀制备技术，可以提高涂层的致密性和平滑度，从而提高涂层的耐磨性和耐腐蚀性。TiBCrYN功能梯度层采用了HIPIMS制备技术，可以提高涂层的耐磨性和耐腐蚀性，同时具有良好的切削性能，可以满足在高温、高压和高速等复杂工况下的使用需求。
综上所述，本发明所采用的涂层结构具有多层复合、功能分层的特点，能够提高刀具的整体性能，包括硬度、耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性和切削性能等。其中，TiAlN过渡层能够提高涂层的耐磨性和耐腐蚀性，延长使用寿命；TiBN/CrYN纳米多层支撑层能够提高涂层的硬度、抗氧化性能、致密性和平滑度；TiBCrYN功能梯度层能够提高涂层的耐磨性、耐腐蚀性和切削性能。
在沉积过程中，不同的制备工艺和沉积参数能够对涂层的性能产生不同的影响，因此需要根据具体应用场景进行优化选择。本发明采用的制备工艺包括电弧离子镀和HIPIMS，具有高效、环保、能量稳定等优点，能够实现高质量、高稳定性的涂层沉积。
因此，本发明所采用的涂层结构和制备工艺具有广阔的应用前景，可以广泛应用于高速切削、高温环境下的摩擦和磨损等领域，为提高工业生产效率和降低生产成本做出贡献。
实施例1：
一、Cr金属轰击层的制备工艺
技术特点
采用电弧离子镀制备，沉积参数为温度350℃条件下，真空室压力为5×10-3Pa，偏压为-200V、-400V、-800V、-1000V，靶电流为80A，Ar气流量为50～200sccm，沉积压强为1.0Pa，沉积时间为20min。
实施步骤
(1)在真空反应室中放置经抛光、超声等前处理基底；
(2)开启反应室，在温度350℃条件下，真空室压力为5×10-3Pa，通入Ar气流量为200sccm；
(3)设置偏压为-200V、-400V、-800V、-1000V，靶电流为80A，沉积压强为1.0Pa；
(4)开始沉积，沉积时间为20min。
二、TiAlN过渡层的制备工艺
技术特点
采用HIPIMS制备，沉积参数为脉冲频率为200Hz，脉冲宽度为100μs，脉冲占空比为10％，氩气流量为90sccm，氮气流量为35sccm，工作压力为1.0Pa，沉积温度为350℃，沉积时间为30min。
实施步骤
(1)设置脉冲频率为200Hz，脉冲宽度为100μs，脉冲占空比为10％，氩气流量为90sccm，氮气流量为35sccm，工作压力为1.0Pa；
(2)开始沉积，沉积时间为30min。
三、TiBN/CrYN纳米多层支撑层的制备工艺
技术特点
(1)TiBN涂层的制备工艺：采用HIPIMS制备，沉积参数为脉冲频率为200Hz，脉冲宽度为100μs，脉冲占空比为10％，氩气流量为90sccm，氮气流量为35sccm，工作压力为1.0Pa，沉积温度为350℃，沉积时间为60min；
(2)CrYN涂层的制备工艺：CrYN涂层采用电弧离子镀制备，沉积参数为温度350℃条件下，真空室压力为5×10-3Pa，偏压为100V，靶电流为70A，氮气流量为500sccm，沉积压强为1.0Pa，沉积时间为20min。
TiBN/CrYN纳米多层支撑层的制备工艺具有以下技术特点：
(1)TiBN涂层采用HIPIMS制备，利用高能离子轰击和电子碰撞的作用，可以形成致密的晶格结构，提高涂层的平滑度和致密性；；
(2)CrYN涂层采用电弧离子镀制备，可以提高涂层的致密性和平滑度，从而提高涂层的耐磨性和耐腐蚀性；
(3)TiBN/CrYN纳米多层结构，通过优化不同材料层的厚度和沉积顺序，可以形成良好的界面结合，提高涂层的耐磨性和抗氧化性能；
(4)采用纳米多层结构设计，使涂层具有更好的机械性能和切削性能，能够适应不同的工艺需求。
四、TiBCrYN功能梯度层的制备工艺
技术特点
采用HIPIMS制备，沉积参数为脉冲频率为180Hz，脉冲宽度为100μs，脉冲占空比为10％，氩气流量为90sccm，氮气流量为30sccm，工作压力为1.0Pa，沉积温度为350℃，沉积时间为120min。
TiBCrYN功能梯度层的制备工艺具有以下技术特点：
(1)采用HIPIMS制备：采用HIPIMS技术，使得沉积速率更快，能够在较短时间内制备出功能梯度层，提高了生产效率。
(2)采用多种气体：在制备过程中同时注入氩气、氮气，能够在涂层中引入不同元素，形成多种化合物，提高了涂层的性能和应用范围。
(3)反应室压力控制：反应室压力为1.0Pa，可以提供较为稳定的工作环境，有利于沉积出质量稳定、性能优良的涂层。
(4)沉积时间适中：沉积时间为120min，既能保证涂层的厚度，又能保证沉积质量，避免过长的沉积时间导致涂层失去良好的结晶性和致密性。
综上所述，采用HIPIMS制备的TiBCrYN功能梯度层制备工艺具有生产效率高、涂层性能优良、应用范围广等优点。
旋耕刀具的测试
采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和显微硬度计对制备的旋耕刀具进行测试。XRD测试结果表明，TiAlSiYN涂层为单相面心立方结构。SEM观察结果表明，本发明制备的旋耕刀具表面具有较好的光洁度和致密性，表面涂层均匀，无明显裂纹和剥落现象。涂层总厚度为5900nm，TiAlN过渡层的厚度为500nm，TiBN/CrYN纳米多层支撑层的总厚度为1600nm，TiBCrYN功能梯度层的厚度为3800nm。显微硬度计测试结果表明，旋耕刀具表面硬度大幅提高，达到35.8GPa。
为了测试旋耕刀具的加工性能，采用不同材料的加工试验，包括高强度钢、不锈钢和铜等。结果表明，相较于未经涂层的旋耕刀具，本发明制备的旋耕刀具具有更长的使用寿命和更好的切削性能。
这些优异性能使得该涂层在高温、高压和强腐蚀等复杂环境下具有出色的耐磨、耐蚀、耐高温和耐压性能，广泛应用于航空航天、汽车、电子、机械等领域。
同时，本发明的制备工艺采用了电弧离子镀和HIPIMS两种技术，有效地结合了两种技术的优点，实现了涂层性能的优化和提升。此外，制备工艺简单易行，适用于大规模生产，具有很好的应用前景。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层，其特征在于，在旋耕刀具的基材上依次设置Cr金属轰击层、TiAlN过渡层、TiBN/CrYN纳米多层支撑层、TiBCrYN功能梯度层；所述Cr金属轰击层、TiAlN过渡层、TiBN/CrYN纳米多层支撑层和TiBCrYN功能梯度层的厚度比例关系为1:10:20:40～60；其中，所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层是由多个TiBN涂层和CrYN涂层交替沉积构成的纳米多层结构；
所述Cr金属轰击层的厚度为50～100nm，TiAlN过渡层的厚度为0.5～1μm，TiBN/CrYN纳米多层支撑层的总厚度为1～2μm，每一层的厚度为10～100nm，TiBCrYN功能梯度层的厚度为3～4μm；
所述Cr金属轰击层采用电弧离子镀制备；所述TiAlN过渡层采用HIPIMS制备；所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层中，TiBN层采用HIPIMS制备，CrYN层采用电弧离子镀制备；所述TiBCrYN功能梯度层采用HIPIMS制备。
2.一种如权利要求1所述的用于旋耕刀具的TiBCrYN涂层的制备方法，其特征在于，该方法为：将经过清洗和干燥处理的旋耕刀具基材，放置于真空镀膜设备的沉积室内；
在旋耕刀具的基材表面进行Cr金属轰击层的沉积，制备得到Cr金属轰击层；
之后，在所述Cr金属轰击层表面进行TiAlN过渡层的沉积，制备得到TiAlN过渡层；
之后，在所述TiAlN过渡层表面进行TiBN/CrYN纳米多层支撑层的沉积，制备得到TiBN/CrYN纳米多层支撑层；
之后，在所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层表面进行TiBCrYN功能梯度层的沉积，制备得到TiBCrYN功能梯度层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在旋耕刀具的基材表面进行Cr金属轰击层的沉积，制备得到Cr金属轰击层，具体采用电弧离子镀制备，沉积参数为温度350℃条件下，真空室压力5×10-3Pa，偏压-200～1000V，靶电流50～100A，Ar气流量50～200SCCM，沉积压强0.05～1.0Pa，沉积时间5～30min。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述Cr金属轰击层表面进行TiAlN过渡层的沉积，制备得到TiAlN过渡层，具体采用HIPIMS制备，沉积参数为脉冲频率50～200Hz，脉冲宽度100～300μs，脉冲占空比10%，氩气流量20～100SCCM，氮气流量200～280SCCM，工作压力0.05～1.0Pa，沉积温度350℃，沉积时间30～60min。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述TiAlN过渡层表面进行TiBN/CrYN纳米多层支撑层的沉积，制备得到TiBN/CrYN纳米多层支撑层，具体采用HIPIMS制备TiBN层，沉积参数为脉冲频率50～200Hz，脉冲宽度100～300μs，脉冲占空比10%，氩气流量20-100SCCM，氮气流量200～280SCCM，工作压力0.05～1.0Pa，沉积温度350℃，沉积时间30～60min；采用电弧离子镀制备CrYN层，沉积参数为温度350℃条件下，真空室压力5×10- 3Pa，偏压-50～200V，靶电流50～100A，氮气流量50～500SCCM，沉积压强0.05～1.0Pa，沉积时间10～20min。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述TiBN/CrYN纳米多层支撑层表面进行TiBCrYN功能梯度层的沉积，制备得到TiBCrYN功能梯度层，具体采用HIPIMS制备，沉积参数为脉冲频率50～200Hz，脉冲宽度100～300μs，脉冲占空比10%，氩气流量20-100SCCM，氮气流量200～280SCCM，工作压力0.05～1.0Pa，沉积温度350℃，沉积时间60～120min。
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