一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法技术

技术编号:20089689 阅读:84 留言:0更新日期:2019-01-15 08:49
本发明专利技术公开了一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法,将高速钢制成的丝锥经预处理后,放入电弧离子镀膜设备中的转架杆上,以Ti靶作为制备TiCN涂层的Ti元素来源,通过电弧电源的电流控制Ti靶的溅射率;采用高纯Ar作为主要离化气体,采用高纯N2和高纯CH2作为反应气体,使其离化并与Ti元素结合,在丝锥表面沉积形成TiCN涂层;所制备的TiCN涂层为多层结构,即Ti/TiN/TiCN/TiN/TiCN,总厚度为2微米,原子成分含量为Ti:52at.%,C:28at.%,N:20at.%,涂层硬度HV3000,在室温干摩擦和对副为GCr15条件下,销盘实验测出涂层的摩擦系数为0.15,具有优良的减摩性能,适合于在难加工材料进行攻丝加工的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法
本专利技术属于涂层在刀具应用
,涉及刀具表面涂层的制备,进一步涉及一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法。
技术介绍
丝锥是加工各种中、小尺寸内螺纹的刀具,它结构简单,使用方便,在生产中应用得非常广泛。按照使用方式可以分为手用丝锥和机用丝锥,一般把制造精度较高的高速钢或硬质合金磨牙丝锥称为机用丝锥,把碳素工具钢或合金工具钢的滚牙(或切牙)丝锥称为手用丝锥,实际上两者的结构和工作原理基本相同。通常,丝锥由工作部分和柄部构成。工作部分又分切削部分和校准部分,前者磨有切削锥,担负切削工作,后者用以校准螺纹的尺寸和形状。丝锥在使用过程中的失效形式主要有:1、排屑不好造成切屑堵塞产生的折断;2、丝锥每齿切削厚度太大造成的崩齿;3、攻丝锥螺纹时速度过高、切削液选择不当和工件的材料硬度过高等造成的丝锥磨损严重。近年来,涂层丝锥应用越来越广,发展涂层丝锥技术的主要目的是提高生产效率和降低生产成本,优点主要表现在以下几点:1、增加丝锥表面硬度和耐磨性;2、减少丝锥与工件摩擦;3、排屑顺畅,避免丝锥过早损坏;4、提高工件表面质量;5、提高切屑速度,缩短加工时间。目前,丝锥表面采用的涂层类型主要有TiN涂层,TiAlN涂层,TiCN涂层和DLC涂层等,这些涂层主要通过物理气相沉积PVD工艺制备。申请人在多年研究中发现,TiCN涂层可能是一种最为适合的丝锥表面涂层,主要是因为这种涂层成分调控范围大,硬度高(HV2400-3500)、摩擦系数低0.1-0.3,涂层强韧性等综合力学性能好,可增加丝锥的耐磨性能和润滑性能,并抑制切削瘤的产生与附着,可有效防止丝锥的折断、崩齿及磨损等,尤其在难加工材料攻丝中优势显著。TiCN是最为常见的一种具有层状结构的硬质涂层。理论上讲,当碳含量为零时,即为TiN涂层,外观呈金黄色,TiN涂层硬度HV2400,而且韧性较好。随TiCN涂层中的碳含量增加,涂层外观呈浅黄色-棕色-蓝灰色-深灰色等不断变化,其硬度也会逐渐从HV2400增加到HV3500。当氮含量为零时,即为TiC涂层,外观呈深灰色,TiC涂层硬度达到最大HV3500,但韧性却大幅下降,不适合丝锥表面涂层应用。因此,TiCN作为丝锥表面涂层应用时仍有大量技术难题需要攻关,具体有,TiCN作为丝锥表面涂层时,Ti、C、N三种元素含量多少最为合适,多层结构如何优化设计及实现,以及涂层制备工艺试验条件等,特别是用于难加工材料攻丝的丝锥表面涂层,因此,研发设计出一种既有耐磨减摩性能,又有综合强韧性能的新型丝锥表面TiCN涂层一直是申请人研究的热点。
技术实现思路
基于现有技术中未涂层丝锥生产效率低,以及已有涂层丝锥的使用性能不足的技术难题,本专利技术的目的在于,提供一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法,该方法在丝锥表面制备TiCN涂层,使得丝锥具有高硬度、低摩擦系数性能,特别适合于丝锥在难加工材料的应用。为了实现上述任务,本专利技术采取如下的技术解决方案:一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:1)将高速钢制成的丝锥预处理后放入电弧离子镀膜设备中的转架杆上,该转架杆随转架台转动,或者自转,以保证镀膜过程的均匀性。2)以Ti靶作为制备TiCN涂层的Ti元素来源,Ti靶安置在炉体内壁上,通过电弧电源的电流控制Ti靶的溅射率;Ti靶共三组,每组三个,共计九个Ti靶,以均布的方式安置在炉体内壁上,采用高纯Ar作为主要离化气体,保证有效的辉光放电过程;采用高纯N2和高纯CH2作为反应气体,使其离化并与Ti元素结合,在丝锥表面沉积形成TiCN涂层。3)制备工艺条件:A)丝锥等离子体清洗:丝锥装入真空室后,抽真空并加热到500℃不变,镀膜前,通入30ml/min的Ar到真空室,当真空室气压达到6Pa时,开偏压至-800V对真空室的丝锥表面进行轰击清洗,持续30分钟;B)Ti底层制备:丝锥清洗完成后,调节Ar流量到10ml/min,将真空室气压调至0.3Pa,打开Ti靶电弧电源,弧电流100A,调整偏压到-150V,开始在丝锥表面制备Ti底层,持续10分钟;C)TiN过渡层制备:Ti底层制备完成后,将偏压调整为-100V,打开N2开关,调整N2流量,使真空室气压为1Pa,将Ti靶打开,弧电流100A,开始在Ti底层上制备TiN过渡层,持续20分钟,制备过程中,真空室温度由加热器加热维持500℃不变。D)TiCN涂层制备:TiN过渡层制备完成后,将偏压调整为-80V,打开N2和CH2作开关,调整N2流量和CH2流量比例为2:3,使真空室气压为1Pa,将Ti靶打开,弧电流100A,开始在TiN过渡层上制备TiCN涂层,持续30分钟。E)TiN过渡层制备:TiCN涂层制备完成后,关闭CH2开关,将偏压调整为-100V,调整N2流量,使真空室气压维持在1Pa,Ti靶弧电流100A,继续在TiCN涂层上制备TiN过渡层,持续20分钟。F)TiCN涂层制备:TiN过渡层制备完成后,将偏压调整为-80V,打开N2和CH2作开关,调整N2流量和CH2流量比例为2:3,使真空室气压为1Pa,Ti靶弧电流100A,在TiN过渡层上继续制备TiCN涂层,持续30分钟后结束镀膜过程,即可在丝锥表面获得TiCN涂层。本专利技术的用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法,在丝锥表面所制备的TiCN涂层为多层结构,即Ti/TiN/TiCN/TiN/TiCN,其中,Ti底层,是为了提高TiCN涂层与丝锥的结合力。而在整个的TiCN涂层中设计了2层TiN过渡层,其主要作用是:1、减缓涂层中的内应力,防止涂层在使用过程中过早剥落;2、提高涂层的韧性,防止涂层太脆造成的丝锥崩齿和折断。这独特的多层结构和PVD沉积工艺既保证了涂层结合力的提高,又保证了涂层耐磨性能、减摩性能和综合强韧性能的改善。经测定,采用本专利技术的用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法,在丝锥表面所制备的TiCN涂层,其涂层总厚度为2微米,原子成分含量为Ti:52at.%,C:28at.%,N:20at.%,涂层硬度HV3000,在室温干摩擦和对副为GCr15条件下,销盘实验测出涂层的摩擦系数为0.15,具有优良的减摩性能。适合于在难加工材料进行攻丝加工的应用。附图说明图1为电弧离子镀膜设备结构示意图。以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。具体实施方式本实施例给出一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法,需要说明的是,本专利技术的用于丝锥表面制备TiCN涂层的,在丝锥表面所制备的TiCN涂层,可以在任何高速钢材料制备的刀具上进行,并不限于该实施例。本实施例给出的用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法,其具体制备过程是:(1)采用经1170℃淬火,550℃回火后的硬度为HRC=60的丝锥(材料:W18Cr4V)作为样品,首先进行预处理,即经表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗,酒精脱水,备用。(2)将预处理好的样品放入电弧离子镀膜设备中。如图1所示,电弧离子镀膜设备至少包括外加电源偏压1、转台架2、真空室3、转架杆4、Ti靶(5、6、7)、供气管道8、加热器9、泵组10。样品置于转架杆4上,转架杆4可以随转台架2转动,也可以自转,这样就保证了镀膜过程的均匀性。(3)采用直本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:1)将高速钢制成的丝锥经预处理后,放入电弧离子镀膜设备中的转架杆上,该转架杆随转架台转动,或者自转,以保证镀膜过程的均匀性;2)以Ti靶作为制备TiCN涂层的Ti元素来源,Ti靶安置在炉体内壁上,通过电弧电源的电流控制Ti靶的溅射率;Ti靶共三组,每组三个,共计九个,以均布的方式安置在炉体内壁上;采用高纯Ar作为主要离化气体,保证有效的辉光放电过程;采用高纯N2和高纯CH2作为反应气体,使其离化并与Ti元素结合,在丝锥表面沉积形成TiCN涂层;3)制备工艺条件:A)丝锥等离子体清洗:丝锥装入真空室后,抽真空并加热到500℃不变,镀膜前,通入30ml/min的Ar到真空室,当真空室气压达到6Pa时,开偏压至‑800V对真空室的丝锥表面进行轰击清洗,持续30分钟;B)Ti底层制备:丝锥清洗完成后,调节Ar流量到10ml/min,将真空室气压调至0.3Pa,打开Ti靶电弧电源,弧电流100A,调整偏压到‑150V,开始制备Ti底层,持续10分钟;C)TiN过渡层制备:Ti底层制备完成后,将偏压调整为‑100V,打开N2开关,调整N2流量,使真空室气压为1Pa,将Ti靶打开,弧电流100A,开始在Ti底层上制备TiN过渡层,持续20分钟,制备过程中,真空室温度由加热器加热维持500℃不变;D)TiCN涂层制备:TiN过渡层制备完成后,将偏压调整为‑80V,打开N2和CH2作开关,调整N2流量和CH2流量比例为2:3,使真空室气压为1Pa,将Ti靶打开,弧电流100A,开始在TiN过渡层上制备TiCN涂层,持续30分钟;E)TiN过渡层制备:TiCN涂层制备完成后,关闭CH2开关,将偏压调整为‑100V,调整N2流量,使真空室气压维持在1Pa,Ti靶弧电流100A,继续在TiCN涂层上制备TiN过渡层,持续20分钟;F)TiCN涂层制备:TiN过渡层制备完成后,将偏压调整为‑80V,打开N2和CH2作开关,调整N2流量和CH2流量比例为2:3,使真空室气压为1Pa,Ti靶弧电流100A,在TiN过渡层上继续制备TiCN涂层,持续30分钟后结束镀膜过程,即可在丝锥表面获得TiCN涂层。...

【技术特征摘要】
1.一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:1)将高速钢制成的丝锥经预处理后,放入电弧离子镀膜设备中的转架杆上,该转架杆随转架台转动,或者自转,以保证镀膜过程的均匀性;2)以Ti靶作为制备TiCN涂层的Ti元素来源,Ti靶安置在炉体内壁上,通过电弧电源的电流控制Ti靶的溅射率;Ti靶共三组,每组三个,共计九个,以均布的方式安置在炉体内壁上;采用高纯Ar作为主要离化气体,保证有效的辉光放电过程;采用高纯N2和高纯CH2作为反应气体,使其离化并与Ti元素结合,在丝锥表面沉积形成TiCN涂层;3)制备工艺条件:A)丝锥等离子体清洗:丝锥装入真空室后,抽真空并加热到500℃不变,镀膜前,通入30ml/min的Ar到真空室,当真空室气压达到6Pa时,开偏压至-800V对真空室的丝锥表面进行轰击清洗,持续30分钟;B)Ti底层制备:丝锥清洗完成后,调节Ar流量到10ml/min,将真空室气压调至0.3Pa,打开Ti靶电弧电源,弧电流100A,调整偏压到-150V,开始制备Ti底层,持续10分钟;C)TiN过渡层制备:Ti底层制备完成后,将偏压调整为-100V,打开N2开关,调整N2流量,使真空室气压为1Pa,将Ti靶打开,弧电流100A,开始在Ti底层上制备TiN过渡层,持续20分钟,制备过程中...

【专利技术属性】
技术研发人员:马胜利
申请(专利权)人:西安浩元航空科技有限公司
类型:发明
国别省市:陕西,61

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