一种刀具多层涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种刀具多层涂层及其制备方法和应用，属于表面处理技术领域。本发明专利技术的刀具多层涂层包括沉积的结合层、支撑层和功能表层；功能表层由耐磨层和高硬度自润滑层交替叠加而成；耐磨层为TiCN层，高硬度自润滑层为DLC层；结合层为Me层；支撑层为MeC层；Me为Cr、Ti或W中的任意一种。该涂层材料在PCB微钻刀具环境下具有高硬度、耐磨损、长寿命协同的一体化多功能集成特点。采用磁控溅射和等离子体增强化学气相沉积(PECVD技术复合制备，可将该涂层材料作为PCB微钻刀具的表面防护，可大幅度提高PCB微钻刀具的使用寿命，具有良好的工业化应用前景。化应用前景。化应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种刀具多层涂层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及表面处理
，具体而言，涉及一种刀具多层涂层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)是电子元器件的支撑体，为各项元器件之间提供连接，并具有绝缘、隔热的作用。在印刷电路板的加工成本中，钻孔占总成本的30
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40％。目前，应用于加工PCB的微钻刀具主要利用数控钻床实现高速切削，通常采用硬质合金的定柄刀具，要求切削速率快、排屑速率高、孔位精度高、孔壁品质好，同时也要保证刀具寿命长。
[0003]目前对于微钻刀具综合性能的提升方式主要有：改进微钻材料、钻孔方式、微钻槽型、使用微钻表面强化技术。其中，微钻表面强化技术的研发是一项最有前景的技术，即在PCB刀具上涂覆各类润滑涂层，以解决微细加工过程中刀具易快速磨损或粘附工件材料的问题。目前在PCB微钻上应用的涂层包括金刚石涂层，类金刚石碳(Diamond
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Like Carbon Films,DLC)，WC，TiAlN等。DLC作为固体润滑剂的研究已有近30年的历史，被广泛应用于机械保护涂层。其高硬度和耐磨性可长时间保持刀具的锋利度和完整性，较低的摩擦系数和粘附效应有利于切屑的顺利排出，同时，其具有制备设备简单、制造成本低等优点，因而适用于各类钢铁、有色金属、硬质合金等材料，且应用在航空航天、电子零部件、生物医用材料等各个领域。然而，目前DLC涂层与金属表面的结合倾向较低，若将其应用于钻孔工艺下，薄膜易产生脱落，从而导致钻孔质量低、刀具寿命短。且微钻刀具的尺寸细小，结构上存在大量的尖刃、沟槽等，更加导致了涂层与钻刀间结合力差等问题。通常，涂层与基体间结合力差是由于高内应力问题，而涂层内应力与硬度呈正比关系。因此协调涂层与钻刀间的结合力与硬度，同时保证涂层具有良好的切削质量、较长的切削寿命，已成为DLC涂层应用于机械保护涂层领域亟待解决的一大难题。
[0004]综上所述，现有技术中的PCB刀具表面涂层还存在硬度低，耐磨性差，摩擦系数大，结合力差，使用寿命短等技术问题。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种刀具多层涂层及其制备方法和应用，以改善现有技术中微钻刀具存在的硬度低，耐磨性差，摩擦系数大，结合力差，使用寿命短等问题。
[0007]本专利技术是这样实现的：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种刀具多层涂层，该涂层包括沉积的结合层、支撑层和功能表层；
[0009]上述功能表层由耐磨层和高硬度自润滑层交替叠加而成；耐摩擦层为TiCN层，高硬度自润滑层为DLC层；
[0010]上述结合层为Me层；上述支撑层为MeC层；Me为Cr、Ti或W中的任意一种。
[0011]在一些实施方式中，功能表层的厚度为40～500nm。其中，TiCN层的单层厚度为20～200nm；DLC层的单层厚度为20～300nm。
[0012]在一些实施方式中，TiCN层的单层厚度为50～150nm；DLC层的单层厚度为50～150nm。
[0013]在一些实施方式中，TiCN层和DLC层交替叠加的周期数为1～4。
[0014]在一些实施方式中，结合层的厚度为40～100nm。
[0015]在一些实施方式中，支撑层的厚度为40～100nm。
[0016]第二方面，本专利技术提供了上述刀具多层涂层的制备方法，其包括在刀具基体表面依次沉积结合层、支撑层和功能表层，冷却后即完成涂层制备。
[0017]在一些实施方式中，沉积结合层包括：在气体流量为80～200sccm的Ar气氛中，通过直流磁控溅射金属靶材，形成Me层；
[0018]其中，金属靶材功率为5Kw，偏压为
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200～
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800V，腔室温度为80～300℃，Me层的厚度为40～100nm；Me为Cr、Ti或W中的任意一种。
[0019]在一些实施方式中，沉积支撑层包括：保持Ar流量不变，通过直流磁控溅射金属靶材和石墨靶材，其中金属靶材功率逐渐减小，石墨靶材功率逐渐增加，形成MeC层。
[0020]在一些实施方式中，金属靶材功率由5Kw逐渐减小到0.5Kw，石墨靶材功率由0.5Kw逐渐增加到5Kw，偏压为
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300～
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800V，腔室温度为100～300℃，形成梯度MeC涂层；MeC涂层的厚度为40～100nm。
[0021]在一些实施方式中，沉积功能表层包括交替沉积耐磨层和高硬度自润滑层。
[0022]在一些实施方式中，沉积耐磨层包括：在N2气氛中，通过直流磁控溅射TiC靶，形成TiCN涂层，沉积在MeC层的表面。
[0023]在一些实施方式中，沉积高硬度自润滑层包括：在C2H2气氛中，通过等离子体增强化学气相技术形成DLC涂层，沉积在TiCN层的表面。
[0024]在一些实施方式中，沉积耐磨层的工艺参数包括：溅射靶材功率调节为5Kw～25Kw，偏压
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200～
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500V，腔室温度在100～300℃的工艺条件下进行溅射，TiCN涂层的厚度为20～200nm。
[0025]在一些实施方式中，沉积高硬度自润滑层的工艺参数包括：气体流量为100～600sccm的C2H2气氛，偏压
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500～
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900V，腔室温度在100～350℃的工艺条件下进行溅射，DLC涂层的厚度为20～300nm。
[0026]在一些实施方式中，靶材中Cr靶的纯度高于99.98％，TiC靶的纯度高于99.8％，C靶的纯度高于99.5％。
[0027]第三方面，本专利技术提供了上述刀具多层涂层在PCB微钻刀具中的应用。
[0028]本专利技术具有以下有益效果：
[0029](1)本专利技术的PCB微钻刀具多层涂层中TiCN//DLC功能表层的设置充分发挥了DLC涂层的高硬度、自润滑性能，以及TiCN涂层中的耐磨损性能。在TiCN//DLC功能表层与硬质合金表面间夹有Cr层CrC层作为结合层和支撑层，能够缓冲和消除硬质合金基体与涂层之间的残余内应力，提高涂层的抗冲击性能，PCB微钻刀具在摩擦时TiCN//DLC涂层不宜破裂和脱落，从而提高涂层的结合力，Cr结合层能够对硬质合金基体进行相容性调控，整体上能
够实现涂层高硬度、耐磨损、长寿命协同的一体化多功能集成特点。
[0030](2)本专利技术的PCB微钻刀具多层涂层大幅提高了PCB微钻刀具部件的高硬度、耐磨损、长寿命协同的一体化多功能性能。由于本专利技术提供的多层DLC涂层中，含有大量的sp3键，可以提高涂层的硬度，使其具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。
[0031](3)本专利技术采用梯度涂层设计，涂层由表及里，由高浓度区域TiCN//DLC涂层过渡到低浓度区域硬质合金基体表面，缓解了涂层与涂层以及涂层与基体之本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种刀具多层涂层，其特征在于，所述涂层包括依次沉积的结合层、支撑层和功能表层；所述功能表层由耐磨层和高硬度自润滑层交替叠加而成；所述耐磨层为TiCN层，所述高硬度自润滑层为DLC层；所述结合层为Me层；所述支撑层为MeC层；所述Me为Cr、Ti或W中的任意一种。2.根据权利要求1所述的刀具多层涂层，其特征在于，所述功能表层的厚度为40～500nm；其中，所述TiCN层的单层厚度为20～200nm；所述DLC层的单层厚度为20～300nm；优选地，所述TiCN层和DLC层交替叠加的周期数为1～4。3.根据权利要求1所述的刀具多层涂层，其特征在于，所述结合层的厚度为40～100nm。4.根据权利要求1所述的刀具多层涂层，其特征在于，所述支撑层的厚度为40～100nm。5.如权利要求1
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4任一项所述的刀具多层涂层的制备方法，其特征在于，在刀具基体表面依次沉积结合层、支撑层和功能表层，冷却后即完成涂层制备。6.根据权利要求5所述的所述的刀具多层涂层的制备方法，其特征在于，沉积所述结合层包括：在气体流量为80～200sccm的Ar气氛中，通过直流磁控溅射金属靶材，形成Me层；其中，金属靶材功率为5Kw，偏压为
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200V～
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800V，腔室内的沉积温度为80～300℃。所述Me层的厚度为40～100nm；所述Me为Cr、Ti或W中的任意一种。7.根据权利要求6所述的所述的刀具多层涂层的制备方法，其特征在于，沉积所述支撑层包括：保持Ar流量不变，通过直流磁控溅射金属靶材和石墨靶材，其中金属靶材功率逐渐减小，石墨靶材功率逐渐增加，形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：张程，任贝贝，林松盛，石倩，娄嘉，韦春贝，代明江，苏一凡，唐鹏，刘桦，
申请(专利权)人：广东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：