一种ta-c基多层耐磨刀具涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种磁控溅射

【技术实现步骤摘要】
一种ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种刀具涂层制备方法，具体涉及一种四面体非晶碳（ta
‑
c）基复合刀具涂层及其制备方法，属于刀具涂层制备


技术介绍

[0002]随着现代机械加工技术不断地进步，传统的刀具已难以满足高标准的加工要求。传统的刀具在进行高速加工、进给量大、切除材料深度大时，易造成刀具磨损快、寿命低、加工精度差以及刀具和零件热变形严重等。涂层刀具的问世，它将高强度的基体与耐磨的硬质薄膜材料相结合，对刀具切削性能的改善和加工技术的进步起到了非常重要的作用。硬质薄膜不仅保留了基体材料优异的机械性能，同时还极大地提高了其耐磨损、耐腐蚀及切削性能，提高了加工精度和加工效率，延长了刀具使用寿命，并且保证了加工工件的表面质量，具有高效、经济、低成本的优势。
[0003]在加工过程中，刀具经受多种侵害，如切削热，高压，磨损和热震荡。刃口的温度将超过800℃。这种极端的热量将破坏刀具材料各成分的结合力及其它成分，还有可能导致刀具和被加工材料间发生有害的化学反应。磨损伴随着整个切削过程，刀具和被加工材料间的接触面将承受2
‑
3GPa的压力，这便可能导致粘着磨损（形成机屑瘤），严重影响切削过程的顺利进行。热震荡，刀具的快速受热和冷却是加工过程中非常普遍的情况；在切削过程中，刀片被迅速加热，当刀片离开切削面时，刀片被急冷。冷热交替进行对刀具材料的微观组织结构影响很大，降低了其机械强度。由此可见，对刀具材料表面进行处理是不可或缺。
[0004]刀具涂层技术是指在切削刀具表面，利用真空气相沉积方法制备微米尺度范围的超硬涂层，与刀具基体一起形成复合结构。相比刀具基体材料，该表面涂层具有高硬度，耐磨损及抗腐蚀的优异性能，可以显著提高刀具的服役寿命，加工效率提高，且生产成本远比同样性能的基体材料价格低廉。因此，刀具涂层已在机械、电子、机加工等行业得到广泛应用。TiAlN、CrN、TiAlCrN等氮化物基涂层是早期广泛应用的耐磨损刀具涂层，这些涂层虽具有良好的耐磨性，但摩擦系数相对较高为0.4
‑
0.8。与传统的氮化物硬质涂层相比，类金刚石薄膜(diamond
‑
likecarbon，简称DLC)，作为一种固体润滑剂在众多的工况条件下提高工件服役寿命。按照薄膜在沉积成膜过程中碳原子的杂化方式可分为sp2和sp3两种，将sp3含量在70%
‑
90%的无氢类金刚石定义为四面体非晶碳ta
‑
c。ta
‑
c涂层有更低的磨损率，同时ta
‑
c薄膜不粘刀，可适用于大多数金属的加工。
[0005]利用电弧离子镀复合磁控溅射技术制备ta
‑
c涂层刀具，复合工艺综合利用了离子镀高离化率和适合工业化大规模生产的优点，沉积膜层结合力好，组织致密，沉积速率高和磁控溅射薄膜表面粗糙度较低的特点，制备的ta
‑
c薄膜具有较高的硬度、自润滑性良好以及摩擦系数低等优点；可以显著减少磨损、抑制黏着、提高刀具的使用寿命。
[0006]中国专利“申请号201010136163.4”报道了利用磁控溅射在硬质合金、高速钢材料表面制备ta
‑
c涂层，所得的ta
‑
c涂层具有良好的机械性能。中国专利“申请号201320221551.1”报道了在手术刀表面沉积纳米ta
‑
c涂层，可减轻病人的痛苦和对细胞的
损伤。ta
‑
c涂层多种场合下能够表现出优异的特性。因此，ta
‑
c涂层具有良好的应用前景和价值。
[0007]对于刀具涂层来说，在寻求耐磨性的同时，提高镀层及刀具基体材料表面的粘结强度至关重要。如果过渡层不能有效地起到粘结的作用，可造成界面处的应力集中，在切削过程中易剥落失效。因此，针对刀具材料的本身特性，选择金属Cr作为过渡层，消除镀层材料与刀具表面热膨胀系数的差异、晶格不匹配性等，在膜基界面形成原子混合的过渡层和伪扩散层来改善结合强度。本专利技术的制备工艺简单，镀制成本低，成膜质量优异，可满足整炉刀具和微钻的批量表面处理，使其具备一定的经济效益。

技术实现思路

[0008]基于传统刀具涂层耐磨损性能及排屑性能的不足，本专利技术的目的在于，提供一种ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层，适合于高速切削等条件下的工况。
[0009]本专利技术的ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层包括粘结层、耐磨层和表面修饰层；所述的粘结层为金属Cr层，所述的耐磨层为周期性电弧离子镀制备的ta
‑
c涂层，所述的表面修饰层为类金刚石层。
[0010]本专利技术的ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层的粘结层为磁控溅射技术制备，所述的耐磨层为电弧离子镀技术制备，所述的表面修饰层为磁控溅射技术制备。
[0011]进一步的，所述的耐磨层为周期性连续镀制的ta
‑
c涂层。
[0012]本专利技术的ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层的粘结层厚度为100～200nm，耐磨层厚度为500～1000nm，表面修饰层厚度为50～100nm；优选的，粘结层厚度为200nm，表面修饰层厚度为60nm。
[0013]本专利技术的ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层的制备方法具体步骤如下：（1）刀具分别使用丙酮、无水乙醇超声清洗15~20min，除去表面油污及其氧化物；待无水乙醇超声阶段结束后，迅速取出基体，并用干燥氮气吹扫，使其表面无残余液体；（2）利用吸尘器将真空腔体杂质颗粒及细小粉尘吸除，将刀具夹具放置转架上，开启抽真空机组，待腔体真空度达到3.0
×
10
‑3Pa时，开启磁控矩形Cr靶，调节靶功率为200W，溅射镀制10min；此步骤可以消除腔体中的多余电荷及夹具表面污染造成成膜质量不高的影响；（3）将清洗处理后的刀具放入镀膜腔室中的转架上，该试样转架既可公转又可自转，可保证沉积过程的均匀性，调节工件转架转速为3～5rpm/min，开启热电偶，加热试样基台，升温至150℃，整个镀膜过程始终维持150℃，开启Ar气流量阀，通入100～150sccm/min高纯Ar，调节真空室压强为0.1～0.3Pa，基体加负偏压为
‑
200～
‑
500V，进行辉光刻蚀清洗15～30min，进一步去除刀具表面的氧化物及其他杂质；（4）维持镀膜腔体压力为0.1～0.3Pa，然后调节基体负偏压为
‑
200V,以矩形磁控Cr靶作为底层的Cr粘结层，通过调整磁控Cr靶功率来控制其溅射速率，调节靶功率为200W，以Cr离子高能轰击基体15～30min，以活化基体表面并形成金属过渡结合层；（5）关闭纯Cr靶。控制总气压在0.01～0.03Pa，开启电弧石墨靶电源，三个圆饼状电弧石墨靶从上到下依次均匀布置，作为制备ta<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层，其特征在于，该涂层包括粘结层、耐磨层和表面修饰层；所述的粘结层为金属Cr层，所述的耐磨层为周期性电弧离子镀制备的ta
‑
c涂层，所述的表面修饰层为类金刚石层。2.如权利要求1所述的一种ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层，其特征在于，所述的粘结层为磁控溅射技术制备，所述的耐磨层为电弧离子镀技术制备，所述的表面修饰层为磁控溅射技术制备。3.如权利要求1所述的一种ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层，其特征在于，所述的耐磨层为周期性连续镀制的ta
‑
c涂层。4.如权利要求1所述的一种ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层，其特征在于：所述粘结层厚度为100～200nm，耐磨层厚度为500～1000nm，表面修饰层厚度为50～100nm。5.如权利要求1所述的一种ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层，其特征在于：粘结层的厚度为200nm，表面修饰层的厚度为60nm。6.一种权利要求1所述的ta
‑
c基多层耐磨刀具涂层的制备方法，其特征在于，所述制备过程如下：S1.基体材料表面清洗：将基体依次使用丙酮、无水乙醇浸泡超声清洗15～20min；S2.真空腔体的预清洗：利用吸尘器将真空腔体杂质颗粒及细小粉尘吸除，将试样夹具放置在转架上，开启真空机组，抽真空至3
×
10
‑3Pa，开启磁控矩形Cr靶，调节靶功率200W，在其转架表面预溅射10min；S3.基体表面的离子刻蚀：待腔体预清洗结束后，将刀具放入夹具中，调节试样转架转速为3～5rpm/min，开启热电偶，加热试样基台，升温至150℃并维持不变，通入100～150sccm/min高纯Ar，调节镀膜腔体压力为0.1～0.3Pa，设置基体偏压为
‑
200～
‑
500V，离子刻蚀清洗15～30min；S4.制备粘结层：维持镀膜腔体压力为0.1～0....

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓波，陈庆春，李维民，赵改青，张广安，
申请(专利权)人：青岛市资源化学与新材料研究中心中国科学院兰州化学物理研究所青岛研究发展中心，
类型：发明
国别省市：