高速钢丝锥表面涂层制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高速钢丝锥表面涂层制备方法，属于纳米涂层技术领域，该方法在镀膜时，采用了阴极电弧法与磁控溅射法相结合的方式；在N2气氛下，用阴极电弧法蒸发Ti元素，同时用磁控溅射法溅射C元素，在高速钢丝锥表面镀制得到TiN/C层。本发明专利技术方法相比于现有常规方法，维持了低的生产成本，避免污染环境，并且能够提高高速钢丝锥的综合性能。

【技术实现步骤摘要】
高速钢丝锥表面涂层制备方法
本专利技术属于纳米涂层
，具体涉及一种高速钢丝锥表面涂层制备方法。
技术介绍
攻丝是常见的螺纹加工方式之一，在攻丝过程中，丝锥是埋在工件中连续切削，常因切削负荷大、切削速度低、排屑不畅问题而导致丝锥出现快速磨损、崩刃和折断等早期失效。此外，随着螺纹加工的进行，丝锥与工件材料的接触面积越来越大，切屑排出比较困难。因此，丝锥在使用过程中常因排屑不当、扭矩过大等问题导致丝锥折断、崩齿和快速磨损而早期失效。对丝锥进行表面涂层或改性处理可以显著提高丝锥的切削性能和使用寿命。为了提高丝锥的切削性能，可对丝锥进行适当的表面改性处理，如渗氮处理和水蒸气处理。气相沉积表面改性涂层技术的应用越来越广，正逐渐占据丝锥表面改性的主导地位。涂层具有表面硬度高、耐磨性好、热传导率低等优点，能够显著提高刀具的切削速度、生产效率以及使用寿命，在切削过程中涂层刀具还能起到降低摩擦系数、减小切削力的作用，而且被加工零件的表面质量被提高。丝锥表面应用的涂层并不多，常见的有如下几种：①TiN涂层。TiN涂层是最早研究和大面积推广应用的硬质涂层材料，也是目前在丝锥上应用的涂层材料之一，美国超晶集团采用TiN涂层作为丝锥等棒式刀具的涂层材料，瑞士Balzers也使用TiN涂层的丝锥加工铸铁材料。TiN涂层的晶体结构为B1-NaCl结构。由于点阵排列中存在高浓度空位，以及间隙相可以溶解组元元素和相互溶解，TiN涂层中Ti元素含量与N元素含量并非一定满足化学计量比1:1的关系，它的成分含量可以在一定范围内变化，稳定的成分范围为TiN0.37～TiN1.2。TiN涂层具有高的硬度、良好的耐磨性和耐高温氧化性，是低速切削加工刀具的理想涂层材料，它可以减轻切削刃与被加工材的粘附，增大进刀量，增加刀具的使用寿命和提高加工效率。采用气相沉积法制备的TiN涂层一般呈柱状结构，微观结构随沉积工艺参数的变化而发生改变。宋贵宏等人报道提高基体负偏压之后，TiN涂层的柱状晶结构逐渐变得模糊，并且涂层择优取向由(111)向(200)转变。Patsalas等人在研究TiN涂层时提出，在高基体偏压、高基体温度条件下，TiN涂层(200)晶面较强，涂层的机械性能也较好。TiN涂层的结构和性能还与涂层厚度相关，厚度越大，晶粒尺寸越大，在厚度为2μm左右时出现亚晶粒，涂层中织构由(200)转向(111)晶面，应力状态由压应力转变成拉应力，涂层的硬度和断裂韧性也随厚度增加而降低。②TiAlN涂层。TiAlN涂层是继TiN涂层之后综合性能进一步提升的刀具涂层材料。TiAlN涂层是在TiN涂层中添加Al元素形成的多元涂层，Al原子可置换TiN晶格中的Ti原子而形成(Ti，Al)N相。由于Al原子的原子半径(0.143nm)比Ti原子半径(0.146nm)小，故晶体结构将产生收缩，晶格常数减小。TiAlN涂层的晶体结构与Al含量的多少有关，研究表明，当Ti1-xAlxN涂层中Al含量x<0.6时，TiAlN涂层具有面心立方结构的单一相，晶格常数随Al原子的增加而减小；当Al含量超过临界点即x>0.67时，TiAlN涂层中将会形成铅锌矿结构的AlN相。TiAlN涂层的显微硬度高于TiN涂层，这是由于Al原子部分替代Ti原子产生固溶强化效应。随着Al含量的增多，固溶强化效应越明显，硬度也越高。MinZhou等人研究表明，在Al含量为at.60％左右时，TiAlN涂层的硬度达到最大；继续增加Al含量，硬度反而下降，这是由AlN相本身硬度较低所致。TiAlN涂层的高温抗氧化性较TiN涂层明显提高，在适当的Ti/Al原子含量比下，TiAlN涂层的抗氧化化温度可提高到900℃，原因是在高温条件下Al与氧结合形成了致密的Al2O3薄层，阻挡氧原子的继续进入和金属原子的向外扩散，防止涂层进一步被氧化。TiAlN涂层的高温抗氧化能力同样受Al元素含量影响，对具有面心立方相的TiAlN涂层，其抗氧化性能随Al含量的增加而提高。而涂层中一旦出现AlN相，涂层的抗氧化性能将明显下降，原因是由AlN形成的Al2O3层易脱落而使涂层丧失保护作用。TiAlN涂层与高速钢基体的结合强度比TiN涂层差，S.K.Wu等人采用压痕法对比了TiAlN涂层与TiN涂层跟高速钢基体的结合强度，在150kg载荷下，TiAlN涂层压痕周围出现了大块剥落，而TiN涂层压痕周围仅产生了裂纹，未出现脱落。③TiCN涂层。TiCN涂层是在TiN涂层基础上添加C元素发展起来的三元复合涂层，TiCN涂层的摩擦系数很低，并具有较高的硬度，耐磨性好。在TiCN涂层中，C原子替代TiN晶格中部分N原子而形成置换固溶体，形成一个以C原子为中心的弹性应变场，当位错运动到C原子附近时将受到较大的阻力，从而使涂层得到强化。TiCN涂层的硬度高于TiN涂层，而且随着C含量的增加，TiCN固溶体的固溶度增加，涂层的硬度不断升高。Karlsson等人的研究同时指出，随C含量增加，TiCN涂层中的内应力增大，涂层的硬度与应力呈线性关系。但是，TiCN涂层中的C含量不宜过高，当涂层中形成较多的碳的无定形相时，涂层的硬度又会降低。TiCN涂层具有高的耐磨性除了与其本身的硬度有关外，还与C元素的润滑作用有关，在摩擦过程中，TiCN涂层的C原子扩散到涂层表面形成转移膜，在摩擦副表面起固体润滑剂的作用，降低接触面之间的摩擦力，在常温下TiCN涂层的摩擦系数为0.2左右，随温度增高，TiCN涂层的摩擦系数也相应增大。Polcar等人研究表明，在温度低于300℃条件下，TiCN涂层的磨损以塑性变形为主；当温度上升到300℃～500℃之间时，TiCN涂层在摩擦磨损过程中出现破裂、剥落和氧化。TiCN涂层的抗氧化性比TiN涂层低，有文献指出当温度高于400℃时TiCN涂层就会发生氧化。因此，TiCN涂层不适宜于用作在高温或高速条件下切削的刀具表面涂层。钻孔是切削加工中切削速度相对较低的一种切削方式，TiCN涂层可作为高速钢钻头表面的耐磨涂层。在M35高速钢钻头上分别沉积TiN、TiAlN和TiCN涂层，通过切削1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢试验发现，TiCN涂层钻头耐磨性最好、使用寿命最长。攻丝的速率与钻削加工速率接近，在普通钻床上丝锥的切削速度为10m/min左右，而且在有冷却液作用的情况下，丝锥的工作温度一般都在400℃以内。物理气相沉积技术适用于高速钢丝锥的涂层，其原理在真空条件下利用热蒸发、弧光或辉光放电、离子轰击等物理方法将待镀材料汽化成分子、原子或电离，使之与反应气体如氮气作用，在基体表面沉积一层具有特殊性能的涂层。物理气相沉积过程可分为三个阶段：待镀材料的汽化，即成膜材料的蒸发、升华、被溅射；气化或溅射出的原子、分子或离子向基体表面的运动，包括运动过程中与其它粒子的碰撞、结合等；原子或分子被基体表面吸附、迁移、形核和堆积生长。物理气相沉积技术又可分为以下三类：①真空蒸发镀技术。真空镀膜技术是PVD刀具涂层中最早出现的技术，在真空条件下，利用电阻加热、高频感应加热或高能离子束加热沉积材料，使之转变为汽态，然后沉积在刀具表面。蒸发镀膜过程中工作压强比较低，一般小于等于10-2Pa，原子或分子在向基体接近的过程中与其本文档来自技高网...

【技术保护点】
高速钢丝锥表面涂层制备方法，其特征在于：镀膜时，采用了阴极电弧法与磁控溅射法相结合的方式；在N2气氛下，用阴极电弧法蒸发Ti元素，同时用磁控溅射法溅射C元素，在高速钢丝锥表面镀制TiN/C层。

【技术特征摘要】
1.高速钢丝锥表面涂层制备方法，其特征在于：镀膜时，采用了阴极电弧法与磁控溅射法相结合的方式；在N2气氛下，用阴极电弧法蒸发Ti元素，同时用磁控溅射法溅射C元素，在高速钢丝锥表面镀制TiN/C层。2.根据权利要求1所述的高速钢丝锥表面涂层制备方法，其特征在于包括如下步骤：a、镀膜前准备工序；b、镀膜；(1)镀制Ti层；(2)镀制TiN层；(3)镀制TiN/C层。3.根据权利要求2所述的高速钢丝锥表面涂层制备方法，其特征在于：步骤(3)镀制TiN/C层时，开启4个CAE源，控制氮气流量1000Sccm、偏压80V、弧靶电流80～100A；同时开启2个MS源，控制溅射电流1～3A。4.根据权利要求2所述的高速钢丝锥表面涂层制备方法，其特征在于：步骤(2)镀制TiN层包括三个步骤，第一步骤开启4个CAE源，控制氮气流量480～680Sccm、偏压150V、弧靶电流100～120A；第二步骤开启4个CAE源，控制氮气流量1000Sccm、偏压调至100～120V、弧靶电流100A；第三步骤开启4个CAE源，控制氮气...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海波，刘亚，鲜广，梁红樱，但秦，
申请(专利权)人：成都真锐科技涂层技术有限公司，成都天科精密制造有限责任公司，四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51