一種鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法

2023-05-13 07:41:16 1

專利名稱：一種鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法
技術領域：
本發明屬於離子束材料表面改性技術領域，涉及一種製備非晶碳塗層的方法，尤其是一種鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法。
背景技術：
近年來，鈦以及鈦合金的優異性能，使其在工業產品中的使用越來越多，但由於鈦和鈦合金韌度高，為其加工帶來一定的困難，尤其是攻絲加工時，容易使絲錐與基底粘結，導致刀具斷裂，尤其小尺寸的擠壓絲錐，問題更為嚴重，因此，解決加工中的斷裂問題，可以延長絲錐的使用壽命。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法，該方法製備的非晶碳結構塗層有較小的摩擦係數，可達0.1，具有較高的硬度，顯微硬度可達85GPA。能夠解決粘結斷齒等問題，提高絲錐使用壽命5-10倍，減少更換刀具時間，提高生產率，節省使用絲錐數量。本發明的目的是通過以下技術方案來解決的:這種鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法，包括以下步驟:(I)基體預處理:首先對基體表面進行酒精脫水，然後放入丙酮溶液中，用超聲波清洗，氮氣吹乾；所述基體為硬質合金或高速鋼絲錐；(2)離子清洗:將預處理後的基體放入鍍膜機真空室的轉臺上進行離子清洗；(3)形成非晶碳薄膜:啟動過濾電弧離子源，離子源的工作氣壓為彡9X IO-4Pa,電弧電流為80 90A，石墨靶陰極的碳純度為99.99%，通過電弧放電產生的局部高溫使石墨表面氣化成碳原子和分子，在放電室中進一步電離後形成碳離子，電離的碳離子通過磁過濾裝置過濾掉中性石墨大顆粒後，被沉積在基體表面，形成非晶碳薄膜塗層。進一步，上述步驟(2)中離子清洗是指，採用冷陰極離子源，進行離子清洗，離子源通入氬氣，流量為10 20SCCm，保持真空室氣壓2 6X 10_2Pa，離子源的放電電壓為400V-600V，放電電流為100mA-200mA，引出電壓為1000V-1200V，引出電流50mA-100mA，轟擊部件10-30分鐘，離子源縱向均勻尺寸為40mm，轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證橫向清洗均勻。進一步，上述步驟(3)中碳離子沉積是指，偏壓採用直流脈衝，電源佔寬比為1:1,偏壓幅值為200V，轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證基體塗層橫向均勻，磁場掃描線圈沿基體的縱向掃描，掃描的頻率為50Hz，基體溫度彡80C°，基體的塗層厚度為300-400nm。上述基體表面形成的非晶碳薄膜塗層為非晶結構，塗層中SP3鍵結構含量> 80%。本發明具有以下有益效果:採用本發明的方法在絲錐材料表面形成的非晶碳塗層為非晶結構，塗層中SP3鍵結構含量> 80%，顯微硬度可達85GPA，摩擦係數0.08-0.1 ;與沒有鍍非晶碳薄膜的樣品相t匕，使用壽命最高可達10倍，非常適合於鈦及鈦合金金屬攻絲，尤其是小孔徑零件加工，可以大大提高生產率，節省刀具消耗量。


圖1為實現本發明方法所使用裝置的結構示意圖；圖中:1 一過濾電弧離子源；2 — S型磁過濾裝置；3—真空室；4一冷陰極離子源；5—工裝轉臺；6—工裝架；7—抽氣口 ；8—進氣口 ；9—真空計；10—磁掃描線圈；11—石墨陰極；圖2為S型雙彎管磁過濾裝置的結構示意圖；圖3為本發明所製備塗層的拉曼光譜圖，定性的計算SP3鍵結構；圖4為本發明所製備塗層的磨損試驗圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明:本發明提供了一種鈦金屬用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法，所述的絲錐稱為基體，其為硬質合金或高速 鋼，該方法具體包括下列步驟:(I)基體的預處理:首先對基體表面進行酒精脫水，然後放入丙酮溶液中，並用超聲波清洗，最後用氮氣吹乾；(2)將清洗後的鍍件裝入工裝架6，立即放入鍍膜機真空室3中的工裝轉臺5上，如圖1所示，防止再次汙染，影響鍍膜質量。塗層鍍膜設備至少包括過濾電弧離子源l，s型磁過濾裝置2，真空室3，冷陰極離子源4，工裝轉臺5，工裝架6，抽氣口 7，進氣口 8，真空計
9,磁掃描線圈10,石墨陰極11。米用磁掃描,掃描方向在真空室縱向,橫向掃描依靠轉臺的旋轉保障，使鍍膜在一個平面進行掃描，保證鍍膜的均勻性。(3)採用一個冷陰極離子源4，進行離子清洗，離子源通入氬氣，離子源的工作氣壓為彡9X l(T4Pa，流量為12sccm，電弧電流為80 90A，保持真空室氣壓2.8X l(T2Pa，離子源的放電電壓為400V-600V，放電電流為100mA-200mA，引出電壓為1000V-1200V，引出電流50mA-100mA，轟擊鍍件10-30分鐘，離子源縱向均勻尺寸為40mm，轉盤以3r/min的線速度旋轉，以保證橫向均勻；(4)關掉離子源，啟動過濾電弧離子源，本發明製備非晶碳，採用一種S型的過濾陰極電弧離子源，離子源的工作氣壓為8X 10_4Pa，電弧電流為80A，陰極石墨靶11的碳純度為99.99%ο首先通過電弧放電產生的局部高溫使石墨表面氣化成碳原子、分子，在一個放電室中，進一步的電離後，使電離的碳離子通過圖2所示的一個S型雙彎管磁過濾裝置2，磁過濾裝置2電流為10A，中性石墨大顆粒被過濾掉，提高了薄膜緻密度，降低表面粗糙度，通過磁過濾裝置2的碳離子被沉積在絲錐表面，形成非晶碳薄膜。偏壓採用直流脈衝，電源佔寬比為1:1，偏壓幅值為200V，工件轉盤以分鐘3r/min的線速度旋轉，以保證鍍件塗層在橫向均勻，鍍件的縱向由一個磁場掃描完成，磁掃描線圈10沿鍍件的縱向進行掃描，掃描的頻率為50Hz，鍍膜過程中，鍍件表面溫度不超過80C°，非晶碳塗層厚度一般為300nm。為了保證薄膜純度，採用純度為99.99%的石墨陰極靶，為了保證薄膜高質量，偏壓要穩定，沉積離子能量要控制在80— 120eV。
在上述工藝條件下，可以保證非晶碳膜具有良好的結合力、平整的表面；參見圖3所示，通過對照塗層拉曼光譜可得到塗層的SP3鍵結構含量> 80% ;參見圖4所示，塗層摩擦係數為0.1左右，與沒有鍍非晶碳薄膜的樣品相比，使用壽命可以延長5-10倍。以下結合實施例對本發明進一步詳細說明:實施例1本實施例的鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法按照以下步驟進行:(I)基體預處理:首先對基體表面進行酒精脫水，然後放入丙酮溶液中，用超聲波清洗，氮氣吹乾；所述基體為硬質合金，用於鈦和鈦合金金屬攻絲選用，來解決攻絲過程中的，絲錐易粘連斷齒等問題，提高使用壽命5-10倍。(2)離子清洗:將預處理後的基體放入鍍膜機真空室的轉臺上進行離子清洗；該步驟中的離子清洗是指，採用冷陰極離子源，進行離子清洗，離子源通入氬氣，流量為IOsccm,保持真空室氣壓2X10_2Pa，離子源的放電電壓為400V，放電電流為200mA，引出電壓為1200V,引出電流50mA,轟擊部件10分鐘,離子源縱向均勻尺寸為40mm,轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證橫向清洗均勻。(3)形成非晶碳薄膜:啟動過濾電弧離子源，離子源的工作氣壓為9X10_4Pa，電弧電流為80A，石墨靶陰極的碳純度為99.99%，通過電弧放電產生的局部高溫使石墨表面氣化成碳原子和分子，在放電室中進一步電離後形成碳離子，電離的碳離子通過磁過濾裝置過濾掉中性石墨大顆粒後，被沉積在基體表面，形成非晶碳薄膜塗層。進一步，該步驟中的碳離子沉積是指，偏壓採用直流脈衝，電源佔寬比為1:1，偏壓幅值為200V,轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證基體塗層橫向均勻，磁場掃描線圈沿基體的縱向掃描，掃描的頻率為50Hz，基體溫度彡80C°，基體的塗層厚度為300-400nm。所述基體表面形成的非晶碳薄膜塗層為非晶結構，塗層中SP3鍵結構含量> 80%ο實施例2本實施例的鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法按照以下步驟進行:(I)基體預處理:首先對基體表面進行酒精脫水，然後放入丙酮溶液中，用超聲波清洗，氮氣吹乾；所述基體為高速鋼絲錐，用於鈦和鈦合金金屬攻絲選用，來解決攻絲過程中的，絲錐易粘連斷齒等問題，提高使用壽命5-10倍。(2)離子清洗:將預處理後的基體放入鍍膜機真空室的轉臺上進行離子清洗；該步驟中的離子清洗是指，採用冷陰極離子源，進行離子清洗，離子源通入氬氣，流量為20sccm,保持真空室氣壓6X10_2Pa，離子源的放電電壓為600V，放電電流為100mA，引出電壓為1000V,引出電流IOOmA,轟擊部件30分鐘，離子源縱向均勻尺寸為40mm,轉臺以3r/min的線速度旋轉,保證橫向清洗均勻。(3)形成非晶碳薄膜:啟動過濾電弧離子源，離子源的工作氣壓為8X10_4Pa，電弧電流為90A，石墨靶陰極的碳純度為99.99%，通過電弧放電產生的局部高溫使石墨表面氣化成碳原子和分子，在放電室中進一步電離後形成碳離子，電離的碳離子通過磁過濾裝置過濾掉中性石墨大顆粒後，被沉積在基體表面，形成非晶碳薄膜塗層。進一步，該步驟中的碳離子沉積是指，偏壓採用直 流脈衝，電源佔寬比為1:1，偏壓幅值為200V,轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證基體塗層橫向均勻，磁場掃描線圈沿基體的縱向掃描，掃描的頻率為50Hz，基體溫度彡80C°，基體的塗層厚度為300-400nm。所述基體表面形成的非晶碳薄膜塗層為非晶結構，塗層中SP3鍵結構含量> 80%O實施例3本實施例的鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法按照以下步驟進行:(I)基體預處理:首先對基體表面進行酒精脫水，然後放入丙酮溶液中，用超聲波清洗，氮氣吹乾；所述基體為高速鋼絲錐，用於鈦和鈦合金金屬攻絲選用，來解決攻絲過程中的，絲錐易粘連斷齒等問題，提高使用壽命5-10倍。(2)離子清洗:將預處理後的基體放入鍍膜機真空室的轉臺上進行離子清洗；該步驟中的離子清洗是指，採用冷陰極離子源，進行離子清洗，離子源通入氬氣，流量為15sccm,保持真空室氣壓5X10_2Pa，離子源的放電電壓為500V，放電電流為150mA，引出電壓為1100V,引出電流80mA,轟擊部件20分鐘,離子源縱向均勻尺寸為40mm,轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證橫向清洗均勻。(3)形成非晶碳薄膜:啟動過濾電弧離子源，離子源的工作氣壓為5X10_4Pa，電弧電流為85A，石墨靶陰極的碳純度為99.99%，通過電弧放電產生的局部高溫使石墨表面氣化成碳原子和分子，在放電室中進一步電離後形成碳離子，電離的碳離子通過磁過濾裝置過濾掉中性石墨大顆粒後，被沉積在基體表面，形成非晶碳薄膜塗層。進一步，該步驟中的碳離子沉積是指，偏壓採用直流脈衝，電源佔寬比為1:1，偏壓幅值為200V,轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證基體塗層橫向均勻，磁場掃描線圈沿基體的縱向掃描，掃描的頻率為50Hz，基體溫度≤80C°，基體的塗層厚度為350nm。所述基體表面形成的非晶碳薄膜塗層為非晶結構，塗層中SP3鍵結構含量> 80%。以上內容是結合具體的實施方式對本發明所作的進一步說明，不能認定本發明的具體實施方式
僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，凡根據本發明精神實質所作的任何簡單修改及等效結構變換或修飾，均屬於本發明所提交的權利要求書確定的專利保護範圍。
權利要求
1.一種鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)基體預處理:首先對基體表面進行酒精脫水，然後放入丙酮溶液中，用超聲波清洗，氮氣吹乾；所述基體為硬質合金或高速鋼絲錐； (2)離子清洗:將預處理後的基體放入鍍膜機真空室的轉臺上進行離子清洗； (3)形成非晶碳薄膜:啟動過濾電弧離子源，離子源的工作氣壓為<9X10_4Pa，電弧電流為80 90A，石墨靶陰極的碳純度為99.99%，通過電弧放電產生的局部高溫使石墨表面氣化成碳原子和分子，在放電室中進一步電離後形成碳離子，電離的碳離子通過磁過濾裝置過濾掉中性石墨大顆粒後，被沉積在基體表面，形成非晶碳薄膜塗層。
2.根據權利要求1所述的鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法，其特徵在於，所述步驟(2)中離子清洗是指，採用冷陰極離子源，進行離子清洗，離子源通入氬氣，流量為10 20sccm，保持真 空室氣壓2 6X l(T2Pa，離子源的放電電壓為400V-600V，放電電流為100mA-200mA，引出電壓為1000V-1200V，引出電流50mA-100mA，轟擊部件10-30分鐘，離子源縱向均勻尺寸為40mm，轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證橫向清洗均勻。
3.根據權利要求1所述的鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法，其特徵在於，所述步驟(3)中碳離子沉積是指，偏壓採用直流脈衝，電源佔寬比為1:1，偏壓幅值為200V,轉臺以3r/min的線速度旋轉,保證基體塗層橫向均勻,磁場掃描線圈沿基體的縱向掃描，掃描的頻率為50Hz，基體溫度彡80C°，基體的塗層厚度為300-400nm。
4.根據權利要求1所述的鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法，其特徵在於，所述基體表面形成的非晶碳薄膜塗層為非晶結構，塗層中SP3鍵結構含量> 80%。
全文摘要
本發明公開了一種鈦金屬加工用絲錐表面製備非晶碳塗層的方法，包括基體預處理、離子清洗、電弧放電和碳離子沉積；該方法製備的非晶碳薄膜中SP3鍵結構含量≥80%，摩擦係數約為0.1；與沒有鍍ta-C膜的樣品相比，使用壽命可以提高5-10倍，是非常適合鈦和鈦合金金屬攻絲選用，來解決攻絲過程中的，因金屬粘連絲錐斷裂等問題，為提高使用效率，延長使用壽命提供一種可行有效的方法。
文檔編號C23C14/06GK103088303SQ201310016999
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月17日 優先權日2013年1月17日
發明者趙玉清, 王曉豔, 陳仙, 楊鑫, 朱克志, 王炎武 申請人:西安交通大學