技术领域
[0001] 本
发明属于机械
切削刀具制造领域,涉及了一种B-Cr/ta-C涂层刀具及其制备方法。
背景技术
[0002] 对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一,目前国内外涂层刀具普遍采用TiN、CrN、TiAlN、AlCrN和CrAlTi等多种涂层。DLC涂层由于具有低的
摩擦系数、高的硬度和抗磨损性能,广泛应用于切削刀具、
齿轮、磨具及工具等表面。然而DLC涂层中SP3键含量一般在30-50%,其硬度一般小于30GPa,且其与基体粘结强度较低。四面体无定型
碳(ta-3 2
C)中SP键含量一般在60-90%,且存在SP键,因此,与DLC相比,ta-C具有更高的硬度和良好的减摩抗磨性能,但由于
薄膜中高应
力的存在,可能加剧薄膜剥落。
[0003] 中国
专利“
申请号201010136163.4”报道了采用
磁控溅射方法在硬质
合金、高速
钢材料表面制备ta-C涂层,该方法制备的ta-C涂层具有较高的硬度和良好的韧性。中国专利“申请号201320221551.1”报道了在手术刀表面沉积纳米ta-C
镀层,减小手术过程出血量和细胞的损伤,从而减轻病人痛苦。中国专利“申请号201380013488.5”报道了在塑料食品容器内壁沉积Si-DLC涂层,从而使其具有高的
氧阻隔性和优异的机械性能。
发明内容
[0004] 技术问题:本发明的目的在于克服上述
现有技术的不足,提供一种B-Cr/ta-C涂层刀具及其制备方法。该刀具既具有良好的韧性和极高的硬度,同时与基体具有较高的结合强度。干切削时,该刀具能够减小摩擦、抑制粘结、降低切削力和切削
温度、减小刀具磨损,从而提高刀具寿命。
[0005] 技术方案:本发明的一种B-Cr/ta-C涂层刀具通过以下方式实现:
[0006] 刀具基体材料为
高速钢或硬质合金,其特征在于:涂层为多层结构,刀具基体的表面为B-Cr/ta-C涂层,B-Cr/ta-C涂层与基体之间有TiCrN和Ti过渡层。
[0007] 所述的B-Cr/ta-C涂层中B和Cr含量的
原子百分比均在2-5%范围内,TiCrN层中Cr含量的原子百分比在10-20%范围内,B-Cr/ta-C层中SP3键结构含量占80-90%。
[0008] 所述的B-Cr/ta-C涂层刀具的制备方法采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备Ti+TiCrN过渡层和B-Cr/ta-C涂层,其具体制备步骤为:
[0009] 1)前处理:将刀具基体材料
研磨抛光至镜面,依次放入酒精和丙
酮中超声清洗各20-30min,去除表面油渍等污染物,采用
真空干燥箱充分干燥后迅速放入
镀膜机真空室,真空室本底真空为7.0×10-3Pa,加热至180-190℃,保温时间30-40min;
[0010] 2)离子清洗:通入Ar气,其压力为0.6-1.5Pa,开启
偏压电源,
电压800-900V,占空比0.2,
辉光放电清洗20-30min;偏压降低至200-300V,开启离子源离子清洗20-30min,开启
电弧源Ti靶,偏压400-600V,靶
电流40-50A,
离子轰击Ti靶1-2min;
[0011] 3)沉积Ti:调整Ar气压至0.4-0.5Pa,偏压降低至100-200V,电弧镀Ti 2-5min;
[0012] 4)沉积TiCrN:调整工作气压为0.5-0.6Pa,偏压80-150V,Ti靶电流80-100A;开启N2,调整N2流量为150-200sccm,沉积温度为220-260℃,开启中频Cr靶电流10-20A,电弧镀+中频磁控溅射沉积TiCrN 5-10min;
[0013] 5)沉积B-Cr/ta-C涂层:关闭Ti靶材,关闭N2;调整Ar气压至0.7-1.5Pa,偏压至150-300V,调整Cr靶电流3-5A,开启B靶电弧电源,电流调制3-5A,开启
石墨阴极电弧电源,电流调制60-100A,电弧镀+中频磁控溅射沉积B-Cr/ta-C50-60min;
[0014] 6)后处理:关闭Cr靶、B靶和石墨靶,关闭偏压电源、离子源及气体源,保温30-40min,涂层结束。
[0015] 有益效果:该刀具涂层为多层结构,刀具表面为B-Cr/ta-C涂层,B-Cr/ta-C涂层与基体之间为TiCrN和Ti过渡层,以减小残余
应力,增加涂层与刀具基体之间的结合强度。掺杂Cr和B的ta-C涂层能够显著的降低涂层内应力、改善其热
稳定性,且有助于降低涂层表面粗糙度并提高其致密性。该刀具既具有良好的韧性和极高的硬度,同时与基体具有较高的结合强度。干切削时,该刀具能够减小摩擦、抑制粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损,从而提高刀具寿命。
附图说明
[0016] 图1为本发明的B-Cr/ta-C涂层刀具的结构示意图。其中有:刀具基体1,Ti过渡层2,TiCrN过渡层3,B-Cr/ta-C涂层4。
具体实施方式
[0017] 实例1:B-Cr/ta-C涂层刀具及其制备方法,刀具基体材料为高速钢或硬质合金,涂层为多层结构,刀具表面为B-Cr/ta-C涂层,B-Cr/ta-C涂层与基体之间有TiCrN和Ti过渡层。B-Cr/ta-C涂层刀具的制备方法是采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方式。其具体制备步骤为:
[0018] 1)前处理:将刀具基体材料研磨抛光至镜面,依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20min,去除表面油渍等污染物,采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室。真空室本底真空为7.0×10-3Pa,加热至180℃,保温时间30min。
[0019] 2)离子清洗:通入Ar气,其压力为0.8Pa,开启偏压电源,电压800V,占空比0.2,辉光放电清洗20min;偏压降低至200V,开启离子源离子清洗30min,开启电弧源Ti靶,偏压400V,靶电流40A,离子轰击Ti靶1min。
[0020] 3)沉积Ti:调整Ar气压至0.4Pa,偏压降低至100V,电弧镀Ti 2min。
[0021] 4)沉积TiCrN:调整工作气压为0.5Pa,偏压90V,Ti靶电流80A;开启N2,调整N2流量为150sccm,沉积温度为220℃,开启中频Cr靶电流10A,电弧镀+中频磁控溅射沉积TiCrN 6min。
[0022] 5)沉积B-Cr/ta-C涂层:关闭Ti靶材,关闭N2。调整Ar气压至0.8Pa,偏压至180V。调整Cr靶电流3A,开启B靶电弧电源,电流调制3A,开启石墨阴极电弧电源,电流调制60A,电弧镀+中频磁控溅射沉积B-Cr/ta-C 50min。
[0023] 6)后处理:关闭Cr靶、B靶和石墨靶,关闭偏压电源、离子源及气体源,保温40min,涂层结束。
[0024] 实例2:B-Cr/ta-C涂层刀具及其制备方法,刀具基体材料为高速钢或硬质合金,涂层为多层结构,刀具表面为B-Cr/ta-C涂层,B-Cr/ta-C涂层与基体之间有TiCrN和Ti过渡层。B-Cr/ta-C涂层刀具的制备方法是采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方式。其具体制备步骤为:
[0025] 1)前处理:将刀具基体材料研磨抛光至镜面,依次放入酒精和丙酮中超声清洗各30min,去除表面油渍等污染物,采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室。真空室本底真空为7.0×10-3Pa,加热至180℃,保温时间40min。
[0026] 2)离子清洗:通入Ar气,其压力为1.2Pa,开启偏压电源,电压900V,占空比0.2,辉光放电清洗30min;偏压降低至200V,开启离子源离子清洗20min,开启电弧源Ti靶,偏压550V,靶电流50A,离子轰击Ti靶2min。
[0027] 3)沉积Ti:调整Ar气压至0.5Pa,偏压降低至180V,电弧镀Ti 4min。
[0028] 4)沉积TiCrN:调整工作气压为0.6Pa,偏压120V,Ti靶电流100A;开启N2,调整N2流量为200sccm,沉积温度为250℃,开启中频Cr靶电流20A,电弧镀+中频磁控溅射沉积TiCrN 8min。
[0029] 5)沉积B-Cr/ta-C涂层:关闭Ti靶材,关闭N2。调整Ar气压至1.5Pa,偏压至260V。调整Cr靶电流5A,开启B靶电弧电源,电流调制5A,开启石墨阴极电弧电源,电流调制100A,电弧镀+中频磁控溅射沉积B-Cr/ta-C 60min。
[0030] 6)后处理:关闭Cr靶、B靶和石墨靶,关闭偏压电源、离子源及气体源,保温30min,涂层结束。