TiMoC/TiMoCN疊層塗層刀具及其製備方法與流程
2023-06-15 08:07:46
本發明屬於機械製造金屬切削刀具領域，特別是涉及一種timoc/timocn疊層塗層刀具及其製備方法。
背景技術：
近10年來，塗層技術在刀具行業的應用得到了快速普及，塗層刀具已成為切削加工不可缺少的主流刀具。與此同時，隨著切削加工向高速切削、強力切削和乾式切削的迅速發展，對塗層刀具的性能提出了更高的要求。ticn是目前最廣泛使用的三元碳氮化合物塗層，ticn塗層由於兼具tic的高硬度和tin的良好韌性，顯著提高了其摩擦磨損性能(jinlongli,shihongzhang，mingxili.influenceofthec2h2flowrateongradientticnfilmsdepositedbymulti-arcionplating[j].appliedsurfacescience,2013(283):134-144.)，已廣泛應用於銑削、攻牙、衝壓、成型及滾齒的加工，在高速切削時比普通硬質合金刀具的耐磨性高5-8倍。中國專利「汽輪機轉子輪槽銑刀表面ticn多層複合塗層製備方法」(專利號201510564738.5)利用ti、氮氣(n2)與乙炔氣體(c2h2)在450℃沉積溫度下合成了ticn塗層銑刀，解決了26nicrmov145材料轉子加工難題。
ticn塗層雖然具有高硬度、低摩擦係數的優點，但同時因其熱穩定性和紅硬性較差，僅適合應用於低速切削或具有良好冷卻條件的場合，需要對傳統ticn塗層結構和製備方法進行改進。目前，多元化是材料改善力學性能、耐蝕性和耐磨性的有效途徑，通過製備多元複合塗層，既可提高塗層與基體的結合強度，又兼顧多種單塗層的綜合性能，顯著提高塗層刀具的性能。
目前ticn等碳氮化合物主要通過化學氣相沉積技術(cvd)等技術製備，即通過ticl4(或ti靶)、ch4(或c2h2)以及n2等氣體反應生成，沉積溫度通常超過400℃，對基體產生不利影響，同時氣體碳源容易對塗層設備造成汙染，制約了其廣泛應用。
層狀複合材料是近幾年發展起來的材料增強增韌新技術，這種結構是通過模仿貝殼而來，因此又叫仿生疊層複合材料。自然界中貝殼的珍珠層是一種天然的層狀結構材料，其斷裂韌性卻比普通單一均質結構高出3000倍以上。因此，通過模仿生物材料結構形式的層間設計，製備出的疊層複合塗層可以提高目前碳氮化合物塗層的韌性、穩定性及減摩耐磨性等綜合性能。
技術實現要素：
針對現有碳氮化合物塗層刀具性能及製備方法的不足，結合層狀複合材料結構的優點本發明目的在於提供一種timoc/timocn疊層塗層刀具及其製備方法。
本發明所述的timoc/timocn疊層塗層刀具，刀具基體最外層為timocn塗層，刀具基體與timocn塗層間有ti過渡層，timocn塗層與ti過渡層之間為timoc塗層與timocn塗層交替的複合疊層結構。
所述刀具基體材料為高速鋼、工具鋼、模具鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石或立方氮化硼中的一種。
本發明所述的timoc/timocn疊層塗層刀具的製備方法，沉積方式為採用非平衡磁控濺射+電弧鍍的複合鍍膜方法，沉積時使用2個複合timoc非平衡磁控濺射靶，2個電弧ti靶：首先採用電弧鍍沉積ti過渡層，然後採用非平衡磁控濺射方法交替沉積timoc塗層與timocn塗層，最外層為timocn塗層；其中，timoc非平衡磁控濺射靶包含重量分數為50％-70％的ti、20％-40％的mo和10％-15％的c。
具體包括以下步驟：
(1)刀具基體表面前處理；
(2)刀具基體表面離子清洗；
(3)採用電弧鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層；
(4)採用非平衡磁控濺射在ti過渡層上沉積timoc塗層；
(5)採用非平衡磁控濺射在timoc塗層上沉積timocn塗層；
(6)採用非平衡磁控濺射在timocn塗層上沉積timoc塗層；
(7)重複(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積timocn塗層、timoc塗層、timocn塗層……timocn塗層共80min；
(8)後處理：關閉各靶電源、離子源及氣體源，塗層結束。
其中：
步驟(1)中首先將刀具基體表面拋光，然後依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，乾燥充分後迅速放入鍍膜機，抽真空至6.0×10-3pa，加熱至250℃，保溫40min。
步驟(2)中通入ar氣，其壓力為1.4pa，開啟偏壓電源，電壓600v，佔空比0.3，輝光放電清洗25min；降低偏壓至400v，佔空比0.2，開啟離子源離子清洗25min，開啟電弧ti靶電源，ti靶電流40a，偏壓300v，離子轟擊1～2min。
步驟(3)中調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓降至250v，ti靶電流80a，沉積溫度220℃，電弧鍍ti過渡層4～5min。
步驟(4)中調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，關閉電弧ti靶電源，開啟timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc層4～5min。
步驟(5)中開啟n2，n2氣壓為1.5pa，ar氣壓0.8pa，偏壓200v，調timoc非平衡磁控濺射靶電流35a，沉積溫度250℃，複合沉積timocn塗層4～5min，沉積完成關閉n2。
步驟(6)中調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，調timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc塗層4～5min。
本發明所述timoc非平衡磁控濺射靶，採用真空熱壓法製備，即將裝有ti粉末、mo粉末、c粉末混合粉的模具置入真空熱壓爐，經熱壓燒結後的成型所得。
本發明所製備的timoc/timocn疊層塗層刀具，刀具基體最外層為timocn塗層，刀具基體與塗層間有ti過渡層，timocn塗層與ti過渡層之間是timoc塗層和timocn塗層交替的複合疊層結構。ti過渡層主要作用是減緩因塗層成分突變造成的層間應力，提高了塗層與刀具基體間的結合性能，塗層中的mo元素提高了塗層的硬度和強度，改善了塗層的抗高溫氧化能力，降低了塗層表面的摩擦係數，同時所述疊層複合結構的層間界面可阻止塗層柱狀晶的生長，阻礙裂紋和缺陷的擴展，提高塗層的硬度、韌性和耐衝擊性。
本發明與現有技術相比，具有以下有益效果。
本發明採用非平衡磁控濺射+電弧鍍的複合鍍膜方法，直接採用timoc非平衡磁控濺射靶作碳源，且沉積溫度控制在300℃以下，可在更為廣泛的刀具或工具基體上製備。本發明所製備的timoc/timocn疊層塗層刀具綜合了timocn超硬碳氮化合物塗層、timoc超硬碳化物塗層及疊層結構的優點，可明顯改善傳統ticn塗層刀具的物理機械性能。所述timoc/timocn疊層複合刀具可降低高速幹切削過程中的摩擦，降低切削力和切削溫度20％以上，減少刀具表面的粘結和磨損，比傳統刀具減小刀具磨損20-30％，提高塗層使用壽命40％以上。同時，timoc/timocn疊層複合結構通過疊層之間的界面可減緩塗層裂紋擴展，所述timoc/timocn疊層複合塗層刀具可廣泛應用於各種材料的幹切削和高速加工。
附圖說明
圖1、本發明的timoc/timocn疊層塗層刀具的塗層結構示意圖。
圖中：1、為刀具基體2、ti過渡層3、timoc塗層4、timocn塗層5、timoc塗層與timocn塗層交替的疊層複合結構。
具體實施方式
下面給出本發明的二個最佳實施例：
實施例1
一種timoc/timocn疊層塗層刀具及其製備方法，該刀具為普通的銑刀片，其刀具基體材料為：硬質合金yt15，刀具基體最外層為timocn塗層，刀具基體與timocn塗層間有ti過渡層，timocn塗層與ti過渡層之間為timoc塗層與timocn塗層交替的複合疊層結構。本發明沉積方式為採用非平衡磁控濺射+電弧鍍的複合鍍膜方法，沉積時使用2個複合timoc非平衡磁控濺射靶，2個電弧ti靶：首先採用電弧鍍沉積ti過渡層，然後採用非平衡磁控濺射方法交替沉積timoc塗層與timocn塗層，最後表面為timocn複合塗層；其中，timoc非平衡磁控濺射靶包含重量分數為70％的ti、20％的mo和10％的c。
具體製備步驟如下：
(1)刀具基體表面前處理：將刀具基體表面拋光，去除表面油汙、鏽跡等雜質，然後依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，去除刀具表面油汙和其它附著物，電吹風乾燥充分後迅速放入鍍膜機，抽真空至6.0×10-3pa，加熱至250℃，保溫40min；
(2)刀具基體表面離子清洗：通ar氣，其壓力為1.4pa，開啟偏壓電源，電壓600v，佔空比0.3，輝光放電清洗25min；降低偏壓至400v，佔空比0.2，開啟離子源離子清洗25min，開啟電弧ti靶電源，ti靶電流40a，偏壓300v，離子轟擊1～2min；
(3)採用電弧鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層：調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓降至250v，ti靶電流80a，沉積溫度220℃，電弧鍍ti過渡層4～5min；
(4)採用非平衡磁控濺射在ti過渡層上沉積timoc塗層：調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，關閉電弧ti靶電源，開啟timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc塗層4～5min；
(5)採用非平衡磁控濺射在timoc塗層上沉積timocn塗層：開啟n2，n2氣壓為1.5pa，ar氣壓0.8pa，偏壓200v，timoc非平衡磁控濺射靶電流35a，沉積溫度250℃，複合沉積timocn層4～5min，沉積完成關閉n2；
(6)採用非平衡磁控濺射在timocn塗層上沉積timoc塗層：調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，調timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc塗層4～5min；
(7)重複(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積timocn塗層、timoc塗層、timocn塗層……timocn塗層共80min：
(8)後處理：關閉各靶電源、離子源及氣體源，塗層結束。
實施例2
一種timoc/timocn疊層塗層刀具及其製備方法，該刀具為普通麻花鑽，其刀具基體材料為：高速鋼w18cr4v，刀具基體最外層為timocn塗層，刀具基體與timocn塗層間有ti過渡層，timocn塗層與ti過渡層之間為timoc塗層與timocn塗層交替的複合疊層結構。本發明沉積方式為採用非平衡磁控濺射+電弧鍍的複合鍍膜方法，沉積時使用2個複合timoc非平衡磁控濺射靶，2個電弧ti靶：首先採用電弧鍍沉積ti過渡層，然後採用非平衡磁控濺射方法交替沉積timoc與timocn層，最外層為timocn複合塗層；其中，timoc非平衡磁控濺射靶包含重量分數為50％的ti、40％的mo和10％的c。
具體製備步驟如下：
(1)刀具基體表面前處理：將刀具基體表面拋光，去除表面油汙、鏽跡等雜質，然後依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，去除刀具表面油汙和其它附著物，電吹風乾燥充分後迅速放入鍍膜機，抽真空至6.0×10-3pa，加熱至250℃，保溫40min；
(2)刀具基體表面離子清洗：通ar氣，其壓力為1.4pa，開啟偏壓電源，電壓600v，佔空比0.3，輝光放電清洗25min；降低偏壓至400v，佔空比0.2，開啟離子源離子清洗25min，開啟電弧ti靶電源，ti靶電流40a，偏壓300v，離子轟擊1～2min；
(3)採用電弧鍍在刀具基體表面沉積ti過渡層：調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓降至250v，ti靶電流80a，沉積溫度220℃，電弧鍍ti過渡層4～5min；
(4)採用非平衡磁控濺射在ti過渡層上沉積timoc塗層：調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，關閉電弧ti靶電源，開啟timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc塗層4～5min；
(5)採用非平衡磁控濺射在timoc塗層上沉積timocn塗層：開啟n2，n2氣壓為1.5pa，ar氣壓0.8pa，偏壓200v，timoc非平衡磁控濺射靶電流35a，沉積溫度250℃，複合沉積timocn層4～5min，沉積完成關閉n2；
(6)採用非平衡磁控濺射在timocn塗層上沉積timoc塗層：調ar氣壓0.5～0.6pa，偏壓調至220v，調timoc非平衡磁控濺射靶電流40a，沉積timoc塗層4～5min；
(7)重複(5)、(6)、(5)……(5)，交替沉積timocn塗層、timoc塗層、timocn塗層……timocn塗層共80min：
(8)後處理：關閉各靶電源、離子源及氣體源，塗層結束。