一种应用于工具钢材质的铝合金加工用刀具的涂层方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于工具钢材质的铝合金刀具的涂层方法，用于在工具钢的铝合金表面涂布类金刚石薄膜，包括对完成磨削和涂层前处理的工具钢材质的铝合金用刀具进行清洗；装入涂层炉内抽真空、加热、等离子体蚀刻；对工具表面做离子氮化处理；在离子氮化层上沉积高偏压CrN层、CrN过渡层、金属Cr层；在真空状态下降温；在工具钢的铝合金表面沉积类金刚石薄膜。本发明专利技术可以提升工具钢材料的表面硬度，强化膜基结合效果，最终实现工具钢器具耐磨性的提升和使用寿命的提升。和使用寿命的提升。和使用寿命的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于工具钢材质的铝合金加工用刀具的涂层方法


[0001]本专利技术属于工具表面处理领域，特别涉及一种应用于工具钢材质的铝合金加工用刀具的涂层方法。

技术介绍

[0002]在机械加工中，铝合金材料具有硬度低、塑性小、热导率高的优点，但是熔点比较低，在加工过程中温度升高塑性形变大，高温高压下切削摩擦面之间的摩擦阻力变大，极易发生粘刀现象，导致刀具快速失效。在当前铝合金加工领域中，对工具表面做一层防粘结层可以有效解决粘刀的问题，例如涂布类金刚石薄膜。
[0003]在铝合金刀具加工中，主要涉及两种材质，分别是硬质合金和工具钢。硬质合金成本较高，工具钢材质则成本低廉，在特定领域内性价比突出。工具钢一般分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢，其硬度大都在600
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800HV之间，硬质合金硬度一般在1500HV以上，工具钢的耐磨性不如硬质合金；同时硬度的差异也导致涂层结合力在两种材质的工具上有显著区别，例如类金刚石涂层在硬质合金上可达到80N以上，而在工具钢上则只有20N左右。因此提升工具钢材质的铝合金刀具的耐磨性以及涂层在工具钢铝合金刀具上的结合强度，会对工具钢材质的铝合金工具的使用寿命起到极大的提升效果，进一步凸显其性价比优势。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种应用于工具钢材质的铝合金刀具的涂层方法，可以提升工具钢材料的表面硬度，最终实现工具钢铝合金器具耐磨性的提高和使用寿命的提升。
[0005]为实现上述技术效果，本专利技术的技术方案是：一种应用于工具钢材质的铝合金加工用刀具的涂层方法，用于在工具钢材质的铝合金加工用刀具表面涂布类金刚石薄膜，所述涂层方法包括以下步骤：1）对完成磨削和涂层前处理的工具钢材质的铝合金加工用刀具进行超声波清洗、去除表面油污、烘干；2）装入涂层炉内抽真空、加热、进行等离子体蚀刻；3）在氩气、氮气、氢气气氛下用离子源对工具钢材质的铝合金加工用刀具表面做离子氮化处理；在离子氮化过的所述工具钢材质的铝合金加工用刀具表面沉积溅射高偏压CrN层，偏压为500
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600V，N含量40
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60%，厚度0.1
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0.2 μm；在所述CrN层表面沉积溅射CrN梯度过渡层，偏压50
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200V，N含量由高至低梯度变化，直至N含量为0，过渡层厚度0.1
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0.5 μm；再在所述过渡层表面沉积厚度为0.1
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0.2μm的溅射金属Cr层；4）在真空状态下将所述工具钢材质的铝合金加工用刀具的温度降至300℃以内；
5）用电弧石墨靶在所述工具钢材质的铝合金加工用刀具表面沉积类金刚石薄膜。
[0006]其中，所述步骤2）涂层炉和步骤3）离子氮化的工艺温度不得高于工具钢材质的热处理回火温度。
[0007]其中，所述步骤2）等离子体蚀刻和步骤3）离子氮化处理采用的是同一离子源，且需先做等离子体蚀刻再做离子氮化处理。
[0008]其中，步骤3）氩气、氮气、氢气的流量按照1:1:3的比例，反应的总气压不超过5e
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2mBar。
[0009]其中，步骤3）离子氮化处理后得到的离子氮化层深度为40
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80μm。
[0010]其中，所述离子氮化层的表面硬度≥1000HV。
[0011]其中，所述步骤3）中CrN层、CrN过渡层、金属Cr层采用非平衡闭合场磁控溅射工艺制备得到。
[0012]其中，步骤5）中沉积类金刚石薄膜采用电弧离子镀工艺，薄膜厚度为0.1
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1.0μm，纳米硬度≥4500HV。优选的，类金刚石薄膜厚度0.3
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1.0μm。
[0013]另外，所述工具钢材质经过热处理后硬度需达到700HV以上或满足设计要求，工具钢材质热处理均采用高温回火。这是对做为刀具的工具钢材质本身的要求。
[0014]所述涂层前处理包括去毛刺、抛光等工艺。涂层前处理不能使刃口钝化值超出铝合金加工设计要求。这是对涂层前处理的要求。
[0015]本专利技术所用的涂层设备需同时具有磁控溅射与电弧离子镀功能。
[0016]本专利技术对已经做过高温回火热处理的工具钢材质类的铝合金刀具，对表面先进行高温离子氮化，在工作面形成一层厚度为几十微米的硬质层
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离子氮化层，可以显著增加基材本身的耐磨性和对涂层的支撑效果，进而提升刀具的整体使用寿命。
[0017]离子氮化层的表面硬度达到1000HV以上，为涂层提供高强度的底部支撑效果；在离子氮化层表面增加高偏压CrN层与CrN过渡层，设置硬度和化学梯度过渡，防止刀具在使用过程中受氧化、切削液、水分等因素导致的离子氮化层与Cr层之间的界面分离。类金刚石涂层与工具钢基材的划痕结合强度值由10
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30N增加到40N以上。刀具的使用寿命比无离子氮化效果提升0.5倍以上，进一步提升了工具钢材质刀具的性价比优势。同时本专利技术的工艺流程明显不同于常规的离子氮化和气氛氮化，本专利技术将离子氮化和涂层在同一工艺制程内完成，避免反复装卸和操作过程中的污染，使操作更简单快速；此外，还消除了气氛氮化容易产生白层而导致涂层结合效果不稳定的现象。
[0018]本专利技术解决的技术问题包括：1.工具钢材质本身的硬度较低，本专利技术可以提升基础材质的表面硬度，同时随着工具钢基材本身硬度的提升，刀具的耐磨效果也会提升；2.类金刚石薄膜涂层在工具钢上的结合强度较低，本专利技术提升了工具钢材质的表面硬度后，因支撑层得到强化使得涂层结合强度提升；3. 在离子氮化层表面增加高偏压CrN层与CrN过渡层，设置硬度和化学梯度过渡，防止刀具在使用过程中受氧化、切削液、水分等因素导致的离子氮化层与Cr层之间的界面分离（在刀具的工况条件下，CrN的化学稳定性和与离子氮化层的界面稳定性远大于Cr层），强化界面。
[0019]本专利技术最终实现了工具钢的铝合金刀具耐磨性的提升和使用寿命的提高；并且，
相较于传统处理工艺，具有简单、高效、稳定的特点。
[0020]本专利技术对已经做过高温回火热处理的工具钢材质类的铝合金刀具，表面先进行高温离子氮化，在工作面形成一层厚度为几十微米的硬质层；另外还沉积有CrN层、CrN过渡层与Cr层，在离子氮化层表面增加高偏压CrN层与CrN过渡层，设置硬度和化学梯度过渡，防止刀具在使用过程中受氧化、切削液、水分等因素导致的离子氮化层与Cr层之间的界面分离，可以显著增加基材本身的耐磨性对涂层的支撑效果，进而提升刀具的整体使用寿命。
附图说明
[0021]图1是本专利技术涂层的结构示意图，其中，1
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基体材料；2
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离子氮化层；3
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高偏压CrN层；4
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CrN过渡层；5
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Cr打底层；6
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电弧类金刚石层。
[0022]图2是本专利技术沉积得到的表面硬化层的显微镜度。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于工具钢材质的铝合金加工用刀具的涂层方法，其特征在于，所述涂层方法用于在工具钢材质的铝合金加工用刀具的表面涂布类金刚石薄膜，所述涂层方法包括以下步骤：1）对完成磨削和涂层前处理的所述工具钢材质的铝合金加工用刀具进行超声波清洗、去除表面油污、烘干；2）装入涂层炉内抽真空、加热、进行等离子体蚀刻；3）在氩气、氮气、氢气气氛下用离子源对所述工具钢材质的铝合金加工用刀具表面做离子氮化处理；在离子氮化过的所述铝合金加工用刀具表面沉积溅射高偏压CrN层，偏压为500
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600V，N含量40
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60%，厚度0.1
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0.2μm；在所述CrN层表面沉积溅射CrN梯度过渡层，偏压50
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200V，N含量由高至低梯度变化，直至N含量为0，过渡层厚度0.1
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0.5μm；再在所述过渡层表面沉积厚度为0.1
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0.2μm的溅射金属Cr层；4）在真空状态下将所述工具钢材质的铝合金加工用刀具的温度降至300℃以内；5）用电弧石墨靶在所述工具钢材质的铝合金加工用刀具表面沉积类金刚石薄膜。2.如权利要求1所述的应用于工具钢材质的铝合金加工用刀具的涂层方法，其特征在于，所述步骤2）涂层炉和步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛昌海，祖全先，帅小锋，
申请(专利权)人：艾瑞森表面技术苏州股份有限公司，
类型：发明
国别省市：