MoNbC/MoNbCN疊層複合塗層刀具及其製備工藝的製作方法
2023-06-15 08:07:51
本發明屬於機械製造金屬切削刀具領域，特別是涉及一種monbc/monbcn疊層複合塗層刀具及其製備工藝。
背景技術：
當代切削加工技術的快速發展對刀具的材料和性能提出了更高的要求，乾式、高速切削成為刀具切削髮展的方向。在刀具表面沉積硬質薄膜成為改善和提高刀具使用性能的重要途徑。ticn是目前最廣泛使用的三元碳氮化合物硬質塗層，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多層複合塗層製備工藝」(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塗層結構和製備工藝進行改進。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：
針對目前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，本發明目的提供一種monbc/monbcn疊層複合塗層刀具及其製備工藝。
本發明所述的monbc/monbcn疊層複合塗層刀具，包括刀具基體，刀具基體表面沉積有塗層，所述塗層從內到外依次為：ti過渡層、monbc塗層與monbcn塗層交替的複合疊層結構，最外層為monbcn塗層；
其中：
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、立方氮化硼中的一種。
本發明所述的monbc/monbcn疊層複合塗層刀具的製備工藝，沉積方式為採用中頻磁控濺射+電弧離子鍍複合鍍膜方法，沉積時使用2個中頻磁控濺射monbc複合靶，2個電弧離子鍍ti靶：首先採用電弧離子鍍沉積ti過渡層，然後採用中頻磁控濺射方法交替沉積monbc塗層與monbcn塗層，最外層為monbcn塗層。
所述中頻磁控濺射monbc複合靶中包含重量分數為50-70wt％的mo、20-30wt％的nb和10-20wt％的c，所述中頻磁控濺射monbc複合靶採用真空熱壓法製備，具體包括以下製備步驟：
(1)首先將重量配比好的粉末純度均為99.9％的mo、nb和c的粉末混勻並裝入模具，然後將裝有混合粉末的模具置於真空熱壓爐；
(2)首先快速升溫，並在升溫開始施加初始壓力10-40mpa，然後慢速升溫至1000～1400℃，保溫，混合粉末經熱壓燒結後成型得樣品；
(3)燒結結束後樣品隨爐冷卻降溫至200℃以下後出爐得中頻磁控濺射monbc複合靶。
所述的monbc/monbcn疊層複合塗層刀具的製備工藝，具體包括以下步驟：
(1)對刀具基體表面前處理：首先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40min，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8.0×10-3pa，加熱至280℃，保溫40min；
(2)對刀具基體表面離子清洗：通ar氣，其壓力為1.1pa，開啟偏壓電源，電壓500v，佔空比0.4，輝光放電清洗40min；降低偏壓至400v，佔空比0.3，開啟離子源離子清洗35min，開啟電弧離子鍍ti靶電源，ti靶電流70a，偏壓250v，佔空比0.2，離子轟擊2～3min；
(3)採用電弧離子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170v，電弧離子鍍ti靶電流80a，沉積溫度200℃，沉積ti過渡層4～5min；
(4)採用中頻磁控濺射在ti過渡層上沉積monbc塗層：關閉電弧離子鍍ti靶電源，調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至200v，沉積溫度180℃，開啟中頻磁控濺射monbc複合靶電流30a，沉積monbc塗層3～4min；
(5)採用中頻磁控濺射在monbc塗層上沉積monbcn塗層：開啟n2，n2氣壓為1.4pa，調ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓150v，調中頻磁控濺射monbc複合靶電流35a，沉積溫度180℃，複合沉積monbcn塗層3～4min，沉積完成後關閉n2；
(6)採用中頻磁控濺射在monbcn塗層上沉積monbc塗層：調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至200v，沉積溫度180℃，開啟中頻磁控濺射monbc複合靶電流30a，沉積monbc塗層3～4min；
(7)重複(5)、(6)、(5)……(6)、(5)，交替沉積monbc塗層、monbcn塗層、monbc塗層···monbc塗層、monbcn塗層，共沉積80min：
(8)後處理：關閉各靶電源、離子源及氣體源，塗層結束。
本發明所製備的monbc/monbcn疊層複合塗層刀具，刀具基體表面沉積有塗層，所述塗層從內到外依次為：ti過渡層、monbc塗層與monbcn塗層交替的複合疊層結構，最外層為monbcn塗層。刀具基體上的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，塗層中的其中mo元素提高了塗層的硬度和強度，改善塗層的抗高溫氧化能力，降低了塗層的摩擦係數，nb元素提高了塗層的硬度、強度和抗壓、耐磨、耐蝕性能，塗層中的c元素降低了塗層表面的摩擦係數，使塗層具備優異的減摩潤滑及耐摩擦磨損性能。同時該複合疊層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，具有以下有益效果有益效果。
本發明採用中頻磁控濺射+電弧離子鍍的複合鍍膜方法，直接採用monbc複合靶作碳源，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monbc/monbcn疊層複合塗層刀具綜合了monbc碳化物塗層、monbcn碳氮化合物塗層及疊層結構的優點，具有很高的硬度和韌性，優異的抗氧化性能和熱穩定性，良好的減摩潤滑及耐摩擦磨損性能，可有效減小幹切削過程中刀具與工件之間的摩擦和粘結，相比傳統ticn等塗層刀具，降低切削力和切削溫度40％以上，提高塗層刀具抗氧化性能50％以上，延長刀具使用壽命和耐用度75％以上，所製備monbc/monbcn疊層複合塗層刀具可廣泛應用於淬硬鋼、鋁合金等難加工材料的高速、高精密連續或斷續切削加工。
附圖說明
圖1、本發明的monbc/monbcn疊層複合塗層刀具的塗層結構示意圖。
圖中：1、刀具基體2、ti過渡層3、monbc塗層4、monbcn塗層5、monbc塗層與monbcn塗層交替的複合疊層結構。
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
本實施例所述的monbc/monbcn疊層複合塗層刀具，該刀具為普通的車刀片，其基體材料為：硬質合金p30，刀具基體表面沉積有塗層，所述塗層從內到外依次為：ti過渡層、monbc塗層與monbcn塗層交替的複合疊層結構，最外層為monbcn塗層。
本實施例所述的monbc/monbcn疊層複合塗層刀具的製備工藝，沉積方式為採用中頻磁控濺射+電弧離子鍍複合鍍膜方法，沉積時使用2個中頻磁控濺射monbc複合靶，2個電弧離子鍍ti靶：首先採用電弧離子鍍沉積ti過渡層，然後採用中頻磁控濺射方法交替沉積monbc塗層與monbcn塗層，最外層為monbcn塗層。
所述中頻磁控濺射monbc複合靶中包含重量分數為50wt％的mo、30wt％的nb和20wt％的c。
所述的monbc/monbcn疊層複合塗層刀具的製備工藝，具體包括以下步驟：
(1)對刀具基體表面前處理：首先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40min，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8.0×10-3pa，加熱至280℃，保溫40min；
(2)對刀具基體表面離子清洗：通ar氣，其壓力為1.1pa，開啟偏壓電源，電壓500v，佔空比0.4，輝光放電清洗40min；降低偏壓至400v，佔空比0.3，開啟離子源離子清洗35min，開啟電弧離子鍍ti靶電源，ti靶電流70a，偏壓250v，佔空比0.2，離子轟擊2～3min；
(3)採用電弧離子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170v，電弧離子鍍ti靶電流80a，沉積溫度200℃，沉積ti過渡層4～5min；
(4)採用中頻磁控濺射在ti過渡層上沉積monbc塗層：關閉電弧離子鍍ti靶電源，調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至200v，沉積溫度180℃，開啟中頻磁控濺射monbc複合靶電流30a，沉積monbc塗層3～4min；
(5)採用中頻磁控濺射在monbc塗層上沉積monbcn塗層：開啟n2，n2氣壓為1.4pa，調ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓150v，調中頻磁控濺射monbc複合靶電流35a，沉積溫度180℃，複合沉積monbcn塗層3～4min，沉積完成後關閉n2；
(6)採用中頻磁控濺射在monbcn塗層上沉積monbc塗層：調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至200v，沉積溫度180℃，開啟中頻磁控濺射monbc複合靶電流30a，沉積monbc塗層3～4min；
(7)重複(5)、(6)、(5)……(6)、(5)，交替沉積monbc塗層、monbcn塗層、monbc塗層···monbc塗層、monbcn塗層，共沉積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
本實施例所述的monbc/monbcn疊層複合塗層刀具，該刀具為普通鏜刀片，其基體材料為：高速鋼w18cr4v，刀具基體表面沉積有塗層，所述塗層從內到外依次為：ti過渡層、monbc塗層與monbcn塗層交替的複合疊層結構，最外層為monbcn塗層。
本實施例所述的monbc/monbcn疊層複合塗層刀具的製備工藝，沉積方式為採用中頻磁控濺射+電弧離子鍍複合鍍膜方法，沉積時使用2個中頻磁控濺射monbc複合靶，2個電弧離子鍍ti靶：首先採用電弧離子鍍沉積ti過渡層，然後採用中頻磁控濺射方法交替沉積monbc塗層與monbcn塗層，最外層為monbcn塗層。
所述中頻磁控濺射monbc複合靶中包含重量分數為70wt％的mo、20wt％的nb和10wt％的c。
所述的monbc/monbcn疊層複合塗層刀具的製備工藝，具體包括以下步驟：
(1)對刀具基體表面前處理：首先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40min，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8.0×10-3pa，加熱至280℃，保溫40min；
(2)對刀具基體表面離子清洗：通ar氣，其壓力為1.1pa，開啟偏壓電源，電壓500v，佔空比0.4，輝光放電清洗40min；降低偏壓至400v，佔空比0.3，開啟離子源離子清洗35min，開啟電弧離子鍍ti靶電源，ti靶電流70a，偏壓250v，佔空比0.2，離子轟擊2～3min；
(3)採用電弧離子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170v，電弧離子鍍ti靶電流80a，沉積溫度200℃，沉積ti過渡層4～5min；
(4)採用中頻磁控濺射在ti過渡層上沉積monbc塗層：關閉電弧離子鍍ti靶電源，調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至200v，沉積溫度180℃，開啟中頻磁控濺射monbc複合靶電流30a，沉積monbc塗層3～4min；
(5)採用中頻磁控濺射在monbc塗層上沉積monbcn塗層：開啟n2，n2氣壓為1.4pa，調ar氣壓0.7～0.8pa，偏壓150v，調中頻磁控濺射monbc複合靶電流35a，沉積溫度180℃，複合沉積monbcn塗層3～4min，沉積完成後關閉n2；
(6)採用中頻磁控濺射在monbcn塗層上沉積monbc塗層：調ar氣壓0.8～0.9pa，偏壓調至200v，沉積溫度180℃，開啟中頻磁控濺射monbc複合靶電流30a，沉積monbc塗層3～4min；
(7)重複(5)、(6)、(5)……(6)、(5)，交替沉積monbc塗層、monbcn塗層、monbc塗層···monbc塗層、monbcn塗層，共沉積80min：
(8)後處理：關閉各靶電源、離子源及氣體源，塗層結束。