一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层及其制备方法，所述涂层从刀具基体到表面依次包含Ti轰击层、TiN结合层、TiCN过渡层、nc‑TiC/GLC功能层和非平衡态能量积累ne‑TirC/GLC表面层。所述Ti轰击层的厚度为0.1～0.5μm，所述TiN结合层的厚度为0.2～0.7μm，所述TiCN过渡层的厚度为0.3～1.2μm，所述nc‑TiC/GLC功能层的厚度为1～3μm，所述ne‑TirC/GLC表面层的厚度为30～80 nm。本发明专利技术提供的刀具涂层具有硬度高、摩擦系数低、结合强度高、内应力高、切削效果好的特点，沉积涂层刀具适用于高速条件下的铝合金材料切削加工，刀具寿命可提高8倍以上。

【技术实现步骤摘要】
一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层及其制备方法
本专利技术涉及涂层制备技术，具体地，涉及一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层及其制备方法。
技术介绍
汽车上很多主要零部件如发动机缸体、缸盖及轮毂普遍均使用铝合金。应用如此广泛的铝合金，在切削加工时却面临一些难题，如加工易粘结、熔点低、强度较小、抗塑性变性能力差且热膨胀系数较大等特点使铝合金成为难加工材料之一。当前切削铝合金使用较多的刀有高速钢刀具、硬质合金刀具、金刚石刀具、陶瓷刀具及涂层刀具等，而目前在国内使用更多的是经济性更好的高速钢刀具，但高速钢刀具的高温硬度、抗磨损、易粘结等性能已很难满足现代切削要求。硬质合金刀具兼具一定的硬度与抗磨损能力，在铝合金的加工方面使用率逐渐升高，但其脆性稍大、除YG类，YW、YT类中含有的TiC对切削铝合金时增加粘刀的可能，对硬质合金刀具的应用有一定的限制。金刚石刀具分为单晶金刚石（PCD）及聚晶金刚石（MCD）刀具，超高的硬度、高导热性及低的摩擦系数，同时碳与铝的不亲和，减轻粘铝，提高刀具的耐磨性能，使其在加工铝合金时表现出明显更优越的切削性能，但金刚石刀具脆性大及昂贵的价格使其运用范围大大降低。陶瓷刀具超高硬度的同时脆性大，粘铝导致的刀具振动或铝中的硬质相均可能导致刀具失效。基于以上铝合金加工刀具材料的情况，寻找一种加工铝合金时切削效率高、经济性能良好的刀具成为当前工具行业的热点。碳基涂层如类金刚石和类石墨烯涂层具有优异的硬度、摩擦系数、热导率、硬度、热稳定性，作为涂层刀具在切削铝合金时，突出的特点是可以抑制积削瘤的形成，且被加工工件表面质量好。碳基涂层与铝不亲和，减轻铝的粘结，在切削铝合金时有很好的发展空间，但是在制备碳基涂层时共同的缺点是内应力高，热稳定性不足。高内应力导致膜基结合力差，沉积的涂层超过1um后就会出现掉膜甚至自动脱落的现象，若使用在刀具基体上很可能将直接导致刀具失效。因此，很有必要研发一种硬度高、摩擦系数低、内应力低以及使用寿命长的刀具涂层。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层，本专利技术提供的涂层具有硬度高、摩擦系数低、结合强度高、内应力低的特点，沉积涂层刀具适用于高速条件下的铝合金料切削加工。本专利技术的另一目的在于提供上述涂层的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层，所述涂层从刀具基体到表面依次包含Ti轰击层、TiN结合层、TiCN过渡层、nc-TiC/GLC功能层和非平衡态能量积累ne-TirC/GLC表面层。在本专利技术中，所述Ti轰击层的作用为改善刀具表面质量，增加涂层附着力；TiN结合层的作用在于改善整体涂层结合力；TiCN过渡层的作用在于改善涂层韧性及强度，降低内应力；所述nc-TiC/GLC功能层为纳米晶CrC镶嵌类石墨烯非晶碳结构组成，其作用为改善涂层的硬度及摩擦系数；所述表面层采用载能粒子束原位轰击功能层促进非平衡态及能量积累生成。在本专利技术中，所述ne-TirC/GLC表面层的结构为纳米复合结构或者非晶石墨烯结构，可以通过调节离子源电压，偏压及高功率脉冲磁控溅射电源电压控制。优选地，所述Ti轰击层的厚度为0.1～0.5μm，所述TiN结合层的厚度为0.2～0.7μm，所述TiCN过渡层的厚度为0.3～1.2μm，所述nc-TiC/GLC功能层的厚度为1～3μm，所述ne-TirC/GLC表面层的厚度为30～80nm。优选地，所述nc-TiC/GLC功能层为TiC镶嵌类石墨烯非晶碳结构的纳米复合结构，TiC纳米颗粒大小在3～20nm，Ti元素含量按原子百分比在5～20at%，C元素含量在80～95at%。优选地，所述TiN结合层、TiCN过渡层、nc-TiC/GLC功能层均采用电弧离子镀技术制备。优选地，所述Ti轰击层和ne-TirC/GLC表面层采用高功率脉冲磁控溅射及阳极层离子源加高偏压轰击制备。优选地，所述Ti轰击层的制备方法为：将基体清洗后置于基片架上，当真空室的本底真空度为1´10-4～1´10-3Pa时，通入Ar气并控制气压在1´10-2～5´10-1Pa，基片温度300～500℃，负偏压-900～-1200V，对试样表面进行辉光清洗，轰击时间10～40min；清洗结束后，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1～9×10-1Pa，离子源电流2～15A，电压300～800V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率0.3～2k，峰值电压400～800V，峰值电流300～800A，偏压保持在-400～-200V，对工件基体轰击5～30min即可。优选地，所述TiN结合层的制备方法如下：在Ti轰击层沉积完毕后，偏压降到-150～-250V，关闭阳极层离子源及高功率磁控溅射电源，断掉Ar气，通入N2，采用光电子能谱PEM反应气体反馈装置控制控制气压在1.2～2.2Pa，保持基材温度300～500℃；开启阴极电弧靶，控制电弧电压30～80V，电弧电流40～120A，开始沉积金属TiN结合层，沉积10～30min即可。优选地，所述TiCN过渡层的制备方法如下：所述TiN结合层沉积结束后，通入C2H2气体，通过质量流量计控制C2H2和N2气体气压在1.0～2.0Pa，控制电弧电压10～60V，电弧电流40～80A；调节PEM值控制N2并通过真空室节流阀控制将N2流量在沉积过程中从80sccm降到20sccm，C2H2流量在沉积过程中从20sccm升到80sccm，负偏压120～180V，衬底温度300～500℃，基片转速2～7rpm,开始制备TiCN过渡层；沉积时间10～40min即可。优选地，所述nc-TiC/GLC功能层的制备方法如下：TiCN过渡层沉积结束后，通入C2H2和N2，通过质量流量计控制气压在0.5～1.5Pa，C2H2/N2比例在1/2～2/1，负偏压60～120V，衬底温度300～500℃，开启非平衡磁控溅射石墨对靶，控制靶电流5～20A，电压200～700V,开启Ti电弧靶，控制电弧电压10～50V，电弧电流40～100A，转架转速2～8rpm，沉积时间40～140min即可。优选地，所述ne-TirC/GLC表面层的制备方法如下：所述nc-TiC/GLC功能层沉积结束后，关闭电弧靶及中频磁控溅射靶，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1～8×10-1Pa，离子源电流2～10A，电压600～1000V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率0.3～2k，峰值电压400～900V，峰值电流400～800A，偏压保持在-800～-1500V，对nc-TiC/GLC轰击10～30min即可。物理气相沉积（PVD）技术是现阶段制备刀具涂层的主流技术主要包括磁控溅射和阴极弧电弧离子镀。电弧离子镀具有离化率高、适合工业化大面积生产的优点，在负偏压加速下，沉积膜层结合力好，组织致密，沉积速率高。中频磁控溅射技术沉积速率快，可以沉积难熔金属及石墨靶，目前已被广泛用于硬质耐磨涂层和高温防护涂层涂覆。本专利技术综合利用利用多弧离子镀技术和中频磁控溅射技术制备碳基刀具涂层，该碳基涂层具有的结构体系使其具有硬度高、摩擦系数低、结合强度高、切削性能好的特点。与现有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层，其特征在于，所述涂层从刀具基体到表面依次包含Ti轰击层、TiN结合层、TiCN过渡层、nc‑TiC/GLC功能层和非平衡态能量积累ne‑TirC/GLC表面层。

【技术特征摘要】
1.一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层，其特征在于，所述涂层从刀具基体到表面依次包含Ti轰击层、TiN结合层、TiCN过渡层、nc-TiC/GLC功能层和非平衡态能量积累ne-TirC/GLC表面层。2.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述Ti轰击层的厚度为0.1～0.5μm，所述TiN结合层的厚度为0.2～0.7μm，所述TiCN过渡层的厚度为0.3～1.2μm，所述nc-TiC/GLC功能层的厚度为1～3μm，所述ne-TirC/GLC表面层的厚度为30～80nm。3.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述nc-TiC/GLC功能层为TiC镶嵌类石墨烯非晶碳结构的纳米复合结构，TiC纳米颗粒大小在3～20nm，Ti元素含量按原子百分比在5～20at%，C元素含量在80～95at%。4.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述TiN结合层、TiCN过渡层、nc-TiC/GLC功能层均采用电弧离子镀技术制备。5.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述Ti轰击层和ne-TirC/GLC表面层采用高功率脉冲磁控溅射及阳极层离子源加高偏压轰击制备。6.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述Ti轰击层的制备方法为：将基体清洗后置于基片架上，当真空室的本底真空度为1´10-4～1´10-3Pa时，通入Ar气并控制气压在1´10-2～5´10-1Pa，基片温度300～500℃，负偏压-900～-1200V，对试样表面进行辉光清洗，轰击时间10～40min；清洗结束后，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1～9×10-1Pa，离子源电流2～15A，电压300～800V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率0.3～2k，峰值电压400～800V，峰值电流300～800A，偏压保持在-400～-200V，对工件基体轰击5～30min即可。7.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述TiN结合层的制备方法如下：在Ti轰击层沉积完毕后，偏压降到-150～-250V...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹长伟，田灿鑫，王泽松，李松权，
申请(专利权)人：岭南师范学院，
类型：发明
国别省市：广东,44