本發(fā)明屬于機(jī)械制造金屬切削刀具領(lǐng)域,特別是涉及一種almocn梯度復(fù)合涂層刀具及其制備方法。
背景技術(shù):
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,越來越多耐磨、耐熱、高硬度的工程材料被開發(fā)出來,工件材料水平的提高,必然導(dǎo)致加工過程中刀具加速磨損。從高速鋼刀具到硬質(zhì)合金刀具,到超硬材料刀具,再到涂層硬質(zhì)合金刀具、多元復(fù)合涂層刀具,刀具技術(shù)的發(fā)展十分迅速。刀具水平發(fā)展至今,擁有優(yōu)越的性價(jià)比和綜合性能的多元復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具成為首選。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國家的涂層刀具使用量已占刀具總數(shù)的80%以上,數(shù)控機(jī)床上所用的刀具90%以上是涂層刀具。ticn是目前最廣泛使用的三元碳氮化合物涂層,ticn涂層由于兼具tic的高硬度和tin的良好韌性,顯著提高了其摩擦磨損性能(jinlongli,shihongzhang,mingxili.influenceofthec2h2flowrateongradientticnfilmsdepositedbymulti-arcionplating[j].appliedsurfacescience,2013(283):134-144.),已廣泛應(yīng)用于銑削、攻牙、沖壓、成型及滾齒的加工,在高速切削時(shí)比普通硬質(zhì)合金刀具的耐磨性高5-8倍。中國專利“汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽銑刀表面ticn多層復(fù)合涂層制備工藝”(專利號201510564738.5)利用ti、氮?dú)?n2)與乙炔氣體(c2h2)在450℃沉積溫度下合成了ticn涂層銑刀,解決了26nicrmov145材料轉(zhuǎn)子加工難題。
ticn涂層雖然具有高硬度、低摩擦系數(shù)的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)因其熱穩(wěn)定性和紅硬性較差,僅適合應(yīng)用于低速切削或具有良好冷卻條件的場合,需要對傳統(tǒng)ticn涂層結(jié)構(gòu)和制備方法進(jìn)行改進(jìn)。目前,多元化是材料改善力學(xué)性能、耐蝕性和耐磨性的有效途徑,通過制備多元復(fù)合涂層,既可提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度,又兼顧多種單涂層的綜合性能,顯著提高涂層刀具的性能。
目前ticn等碳氮化合物主要通過化學(xué)氣相沉積技術(shù)(cvd)等技術(shù)制備,即通過ticl4(或ti靶)、ch4(或c2h2)以及n2等氣體反應(yīng)生成,沉積溫度通常超過400-500℃,對基體產(chǎn)生不利影響,同時(shí)氣體碳源容易對涂層設(shè)備造成污染,制約了其廣泛應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于克服目前現(xiàn)有碳氮化合物涂層刀具性能及制備方法的不足,結(jié)合多元復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)提供一種almocn梯度復(fù)合涂層刀具及其制備方法。該刀具采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法,直接采用almoc復(fù)合靶提供碳源,且沉積溫度控制在300℃以下,可在更為廣泛的刀具或工具基體上制備。該涂層結(jié)構(gòu)由基體到涂層表面依次為:ti過渡層、almoc過渡層以及氮含量梯度漸變的almocn梯度復(fù)合涂層。
涂層刀具表面為氮含量梯度漸變的almocn梯度復(fù)合涂層,刀具基體與涂層間依次為ti過渡層和almoc過渡層。該梯度復(fù)合涂層刀具中的al元素對涂層起到固溶強(qiáng)化作用,還能跟氧結(jié)合形成致密的al2o3保護(hù)膜,改善涂層的高溫氧化性能,mo元素提高了涂層的硬度和強(qiáng)度,提高了涂層的紅硬性,降低了涂層的摩擦系數(shù),可顯著提高刀具的切削壽命和加工效率。同時(shí)該多層梯度結(jié)構(gòu)能夠減緩?fù)繉优c基體之間的熱膨脹系數(shù)和彈性模量差異,改善結(jié)構(gòu)和性能上的匹配性,增大涂層與基體的結(jié)合力和涂層的耐沖擊性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
本發(fā)明almocn梯度復(fù)合涂層刀具,刀具基體材料為高速鋼、工具鋼、模具鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷或立方氮化硼中的一種,涂層刀具由內(nèi)至外依次為刀具基體、ti過渡層、almoc過渡層和氮含量梯度漸變的almocn梯度復(fù)合涂層。
本發(fā)明所述的almocn梯度復(fù)合涂層刀具的制備方法,沉積方式為采用非平衡磁控濺射和電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法,沉積時(shí)使用2個(gè)非平衡磁控濺射almoc復(fù)合靶,2個(gè)電弧鍍ti靶,首先采用電弧鍍沉積ti過渡層,然后采用非平衡磁控濺射方法沉積almoc過渡層和氮含量梯度漸變的almocn梯度復(fù)合涂層,具體步驟如下:
(1)前處理:將刀具基體表面拋光,去除表面油污、銹跡等雜質(zhì),然后依次放入酒精和丙酮中,超聲清洗各20min,去除刀具表面油污和其它附著物,電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī),抽真空至8.0×10-3pa,加熱至250℃,保溫20~25min;
(2)離子清洗:通ar氣,其壓力為1.3pa,開啟偏壓電源,電壓600v,占空比0.3,輝光放電清洗25min;降低偏壓至400v,占空比0.2,開啟離子源離子清洗30min,開啟電弧鍍ti靶電源,ti靶電流50a,偏壓300v,離子轟擊2~3min;
(3)沉積ti過渡層:ar氣壓0.8~0.9pa,偏壓降至250v,ti靶電流75a,沉積溫度240℃,電弧鍍ti過渡層4~5min;
(4)沉積almoc過渡層:ar氣壓0.6~0.7pa,偏壓調(diào)至200v,關(guān)閉電弧鍍ti靶電源,沉積溫度230℃,開啟非平衡磁控濺射almoc靶電流40a,沉積almoc過渡層4~5min;
(5)沉積almocn梯度復(fù)合層:開啟n2,n2氣壓為0.5pa,ar氣壓0.7~0.8pa,偏壓200v,almoc靶電流40a,沉積溫度220℃,沉積almocn復(fù)合層4~5min,其它參數(shù)不變,升高n2氣壓,n2氣壓每次升高0.1pa,沉積almocn復(fù)合層4~5min,直至n2氣壓升至1.9pa,再沉積almocn復(fù)合層4~5min;
(6)后處理:關(guān)閉各電源、離子源及氣體源,涂層結(jié)束。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
通過上述工藝制備的almocn梯度復(fù)合涂層刀具,刀具表面為氮含量梯度漸變的almocn梯度復(fù)合涂層,刀具基體與涂層間依次為ti過渡層和almoc過渡層,以減小殘余應(yīng)力,增加涂層與刀具基體間的結(jié)合強(qiáng)度。該梯度復(fù)合涂層刀具中的al元素對涂層起到固溶強(qiáng)化作用,還能跟氧結(jié)合形成致密的al2o3保護(hù)膜,改善涂層的高溫氧化性能,mo元素提高了涂層的硬度和強(qiáng)度,提高了涂層的紅硬性,降低了涂層的摩擦系數(shù),并能阻止涂層裂紋的擴(kuò)展,可改善傳統(tǒng)碳氮化合物涂層刀具的物理機(jī)械性能。同時(shí)該多層梯度結(jié)構(gòu)能夠減緩?fù)繉优c基體之間的熱膨脹系數(shù)和彈性模量差異,改善結(jié)構(gòu)和性能上的匹配性,增大涂層與基體的結(jié)合力和涂層的耐沖擊性能。
該almocn梯度復(fù)合涂層刀具具有很高的硬度和強(qiáng)度,較低的表面摩擦系數(shù),良好的抗高溫氧化性能和優(yōu)異的摩擦磨損特性。該涂層刀具切削過程中可減小切屑的摩擦和粘結(jié),降低切削力和切削溫度35%以上,提高涂層刀具熱穩(wěn)定性50%以上,延長刀具使用壽命和耐用度70%以上,該almocn梯度復(fù)合涂層刀具可廣泛應(yīng)用于淬硬鋼、鈦合金等難加工材料的高速、高精密連續(xù)或斷續(xù)切削加工。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的almocn梯度復(fù)合涂層刀具的截面示意圖;
圖中:1為刀具基體、2為ti過渡層、3為almoc過渡層、4為almocn梯度復(fù)合涂層。
具體實(shí)施方式:
下面給出本發(fā)明的二個(gè)最佳實(shí)施例:
實(shí)施例一:
本發(fā)明almocn梯度復(fù)合涂層刀具及其制備方法,該刀具為普通的銑刀片,其基體材料為:硬質(zhì)合金m05,沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法,沉積時(shí)使用2個(gè)非平衡磁控濺射almoc復(fù)合靶,2個(gè)電弧鍍ti靶。首先采用電弧鍍沉積ti過渡層,然后采用非平衡磁控濺射方法沉積almoc過渡層和氮含量梯度漸變的almocn梯度復(fù)合涂層。具體步驟如下:
(1)前處理:將刀具基體表面拋光,去除表面油污、銹跡等雜質(zhì),然后依次放入酒精和丙酮中,超聲清洗各20min,去除刀具表面油污和其它附著物,電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī),抽真空至8.0×10-3pa,加熱至250℃,保溫20min;
(2)離子清洗:通ar氣,其壓力為1.3pa,開啟偏壓電源,電壓600v,占空比0.3,輝光放電清洗25min;降低偏壓至400v,占空比0.2,開啟離子源離子清洗30min,開啟電弧鍍ti靶電源,ti靶電流50a,偏壓300v,離子轟擊2min;
(3)沉積ti過渡層:ar氣壓0.8pa,偏壓降至250v,ti靶電流75a,沉積溫度240℃,電弧鍍ti過渡層4min;
(4)沉積almoc過渡層:ar氣壓0.6pa,偏壓調(diào)至200v,關(guān)閉電弧鍍ti靶電源,沉積溫度230℃,開啟非平衡磁控濺射almoc靶電流40a,沉積almoc過渡層4min;
(5)沉積almocn梯度復(fù)合層:開啟n2,n2氣壓為0.5pa,ar氣壓0.7pa,偏壓200v,almoc靶電流40a,沉積溫度220℃,沉積almocn復(fù)合層4min,其它參數(shù)不變,升高n2氣壓,n2氣壓每次升高0.1pa,沉積almocn復(fù)合層4min,直至n2氣壓升至1.9pa,再沉積almocn復(fù)合層4min;
(6)后處理:關(guān)閉各電源、離子源及氣體源,涂層結(jié)束。
實(shí)施例二:
本發(fā)明almocn梯度復(fù)合涂層刀具及其制備方法,該刀具為普通麻花鉆頭,其刀具基體材料為:高速鋼w18cr4v,沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法,沉積時(shí)使用2個(gè)非平衡磁控濺射almoc復(fù)合靶,2個(gè)電弧鍍ti靶。首先采用電弧鍍沉積ti過渡層,然后采用非平衡磁控濺射方法沉積almoc過渡層和氮含量梯度漸變的almocn梯度復(fù)合涂層。其制備方法為:
(1)前處理:將刀具基體表面拋光,去除表面油污、銹跡等雜質(zhì),然后依次放入酒精和丙酮中,超聲清洗各20min,去除刀具表面油污和其它附著物,電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī),抽真空至8.0×10-3pa,加熱至250℃,保溫25min;
(2)離子清洗:通ar氣,其壓力為1.3pa,開啟偏壓電源,電壓600v,占空比0.3,輝光放電清洗25min;降低偏壓至400v,占空比0.2,開啟離子源離子清洗30min,開啟電弧鍍ti靶電源,ti靶電流50a,偏壓300v,離子轟擊3min;
(3)沉積ti過渡層:ar氣壓0.9pa,偏壓降至250v,ti靶電流75a,沉積溫度240℃,電弧鍍ti過渡層4~5min;
(4)沉積almoc過渡層:ar氣壓0.7pa,偏壓調(diào)至200v,關(guān)閉電弧鍍ti靶電源,沉積溫度230℃,開啟非平衡磁控濺射almoc靶電流40a,沉積almoc過渡層5min;
(5)沉積almocn梯度復(fù)合層:開啟n2,n2氣壓為0.5pa,ar氣壓0.7~0.8pa,偏壓200v,almoc靶電流40a,沉積溫度220℃,沉積almocn復(fù)合層5min,其它參數(shù)不變,升高n2氣壓,n2氣壓每次升高0.1pa,沉積almocn復(fù)合層5min,直至n2氣壓升至1.9pa,再沉積almocn復(fù)合層5min;
(6)后處理:關(guān)閉各電源、離子源及氣體源,涂層結(jié)束。