專利名稱：一種pcb用超硬耐磨鉻基復(fù)合涂層微型銑刀及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及印刷線路板(PCB)用微型銑刀納米復(fù)合涂層領(lǐng)域，特別涉及到一種PCB用超硬耐磨鉻基復(fù)合涂層微型銑刀及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著全球信息技術(shù)(IT)硬件制造產(chǎn)業(yè)向國內(nèi)的轉(zhuǎn)移，中國已成為IT硬件核心組件印制電路板(PCB)的全球化制造基地。每年消耗量達數(shù)億支的PCB微型銑刀的品質(zhì)成為PCB制造技術(shù)革新的核心問題。隨著PCB產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，銑刀轉(zhuǎn)速趨高(6萬轉(zhuǎn)/分鐘)、線路板層數(shù)增多、難加工無鹵素PCB板大量采用，使PCB成型加工的條件更加苛刻。上海殼瑞微材料科技有限公司從2008年11月成立后，通過I年的不斷研究和測試于2009年11月至2012年8月，累計向PCB行業(yè)提供3000萬只鍍膜微鉆和300萬只鍍 膜微型銑刀，建立了 PCB微鉆和微型銑刀硬質(zhì)涂層企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(清洗、涂層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))，突破了多年來將硬質(zhì)涂層應(yīng)用于PCB微鉆和PCB用微型銑刀并且量產(chǎn)化的技術(shù)難題(微型化、高精度、耐磨性以及硬度方面)。與傳統(tǒng)大尺寸銑刀相比，PCB用微型銑刀直徑小至O. 4mm，微型銑刀使用過程中產(chǎn)生的微曲變形和振動使微型銑刀表面的脆性涂層產(chǎn)生微裂紋，尺寸細(xì)小的合金銑刀對表面裂紋極為敏感加上過高的切削轉(zhuǎn)速(6萬轉(zhuǎn)/分)，加工過程中產(chǎn)生高溫而導(dǎo)致銑刀脆斷。因為微型銑刀是否會發(fā)生斷刀與銑刀的排屑能力有非常密切的關(guān)系，光潔性高、和被切削材料親和性低的涂層具有低的摩擦系數(shù)和高的抗氧化溫度，有利于排屑能力和切削能力的提高，從而有利于極大地減少斷刀率。為了克服微型銑刀在使用過程中產(chǎn)生的上述問題，開發(fā)一種復(fù)合涂層越來越重要，因為復(fù)合涂層是一種高硬度、高塑性、低磨損率、耐高溫、抗氧化的復(fù)合涂層，微型銑刀的使用壽命可以提高原使用壽命的數(shù)倍，可節(jié)約成本，而且還可大量節(jié)省原材料和人力，具有明顯的經(jīng)濟效益，故該鍍層工藝在PCB微型銑刀上有較大的推廣應(yīng)用前景。因此，本發(fā)明針對微型銑刀的切削特點，設(shè)計了韌性好、硬度高、摩擦系數(shù)小的高性能氮化鋯CrN/AlCrTiN雙相復(fù)合涂層。因為CrN的硬度在1600_2000Ην之間，韌性好，熱膨脹系數(shù)為6. 9Χ 10_6/Κ，彈性模量為530kN/mm2。熱膨脹系數(shù)及彈性模量與PCB基體接近，熱匹配性、化學(xué)匹配性好，良好的熱穩(wěn)定性，但單一的CrN涂層硬度較低。在CrN中加入Al和Ti，通過固溶強化、納米強化和復(fù)相強化，可以使復(fù)合涂層硬度和韌性顯著提高，涂層中AlCrTiN相的存在可以大大降低涂層的摩擦系數(shù)，提高刀具的排屑性能和抗氧化溫度，降低切削力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，通過選擇合適的涂層材料以及沉積方法來提高微型銑刀的使用壽命以及改善其各個方面的使用性能，從而一方面為印刷電路板的制造節(jié)省成本，提高經(jīng)濟效益，另一方面為印制電路板小型化、精細(xì)化的發(fā)展起到很好的促進作用。本發(fā)明通過對CrN和AlCrTiN進行復(fù)合設(shè)計，通過界面強化、固溶強化、納米強化和復(fù)相強化，可以使復(fù)合涂層硬度和韌性顯著提高，涂層中AlCrTiN相的存在可以大大降低涂層的摩擦系數(shù)，提高刀具的排屑性能和抗氧化溫度，降低切削力，從而獲得一種結(jié)合力強、硬度高、韌性好、摩擦系數(shù)低以及使用壽命高的PCB銑刀用復(fù)合涂層。為實現(xiàn)本發(fā)明的以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)
一種PCB用超硬耐磨鉻基復(fù)合涂層微型銑刀，其特征在于所述微型銑刀的基體為硬質(zhì)合金，所述基體表面上沉積有作為內(nèi)層和外層的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)層為過渡層，所述過度層的材料為CrN，其厚度為O. 2-0. 8微米；所述外層為復(fù)合層，所述復(fù)合層的材料為AlCrTiN，其厚度為1-4微米。本發(fā)明制備方法的技術(shù)方案是一種PCB用超硬耐磨鉻基復(fù)合涂層微型銑刀的制備方法，具有以下步驟(I)首先對所述微型銑刀的硬質(zhì)合金基體表面進行清洗，將其溫度設(shè)為200-300°C，采用離子鍍技術(shù)在所述硬質(zhì)合金基體表面上沉積材料為CrN的過渡層，在采用離子鍍沉積CrN過渡層時采用純Cr靶，電弧電流為60-80A，引入氣體為Ar和N2, Ar流量為20-40ml/min，N2流量為200-400ml/min，采用脈沖負(fù)偏壓，偏壓占空比為30_50%，偏壓峰值為-500V至-700V ；(2)在上一步得到的所述過渡層上采用改進型磁過濾離子鍍膜機沉積材料為AlCrTiN的復(fù)合層，改進型磁過濾離子鍍沉積AlCrTiN復(fù)合層采用純Cr靶和鈦鋁合金靶，保持偏壓、Ar流量不變，N2流量為400-600ml/min電弧電流設(shè)為60A，鍍AlCrTiN層50-70min，鍍膜停止后冷卻20分鐘，然后取樣。 首先通過高脈沖偏壓增強的Ar等離子體的轟擊作用和金屬Cr和提離子的注入作用強化涂層和基體之間的結(jié)合強度，然后依次采用離子鍍技術(shù)沉積CrN過渡層，通過改進型磁過濾離子鍍CrN/AlCrTiN復(fù)合層。離子鍍CrN過渡層厚度約O. 2-1微米，和硬質(zhì)合金基體具有好的熱匹配性、力學(xué)匹配性和化學(xué)匹配性，保證涂層和基體良好的結(jié)合強度。改進型磁過濾離子鍍CrN/AlCrTiN復(fù)合層厚度約1_4微米，硬度高，摩擦系數(shù)O. 2-0. 3，具有良好的耐磨性和排屑性能和熱穩(wěn)定性。涂層厚度、復(fù)合層組成AlCrTi年比例可根據(jù)使用要求調(diào)制。所獲得的復(fù)合涂層的膜/基結(jié)合強度達100-120N，IOg載荷下表面復(fù)合硬度達30-38GPa，和GCr 15配副摩擦系數(shù)為O. 2-0. 3。本發(fā)明的有益效果是鍍有本發(fā)明涂層的微型銑刀，在其切削加工PCB的過程中，不但可以大幅降低銑刀容易斷裂的問題，同時可以大幅提高銑刀的工作壽命，進而提高加工效率。同時由于銑刀表面的涂層具有良好的韌性和耐磨性能，以及較低的摩擦系數(shù)，可以大幅提聞廣品質(zhì)量，從而節(jié)省成本和提聞附加價值。綜上所述，本發(fā)明的銑刀復(fù)合涂層及其制備方法使用于PCB微型銑刀中不僅具有良好的耐磨性和排屑性能，其與基體的結(jié)合力強，并且所述復(fù)合涂層硬度高、韌性好、摩擦系數(shù)低，從而使得銑刀的使用壽命延長，降低生產(chǎn)成本，易于實現(xiàn)工業(yè)化、批量化生產(chǎn)并且具有非常好的工業(yè)應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明的PCB用超硬耐磨鉻基復(fù)合涂層微型銑刀的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖以及具體實施例來對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。圖1示出了本發(fā)明的PCB用超硬耐磨鉻基復(fù)合涂層微型銑刀的結(jié)構(gòu)，從圖1中可以看出，在微型銑刀的硬質(zhì)合金基體c上依次沉積有兩層涂層，內(nèi)層b為過渡層，該過渡層的材料為CrN，其厚度可以為O. 2-0. 8微米，外層a為復(fù)合層，該復(fù)合層的材料為AlCrTiN，其厚度為1-4微米。從下述的幾個實施例中可以看出過渡層CrN與硬質(zhì)合金基體具有良好的熱匹配性、力學(xué)匹配性和化學(xué)匹配性，保證涂層和基體良好的結(jié)合強度。采用非對稱雙極磁控濺射的AlCrTiN復(fù)合層厚度也可以約為1-4微米，此厚度的復(fù)合層硬度高，摩擦系數(shù)較低為O. 1-0. 2，并且具有良好的耐磨性和排屑性能。涂層厚度、復(fù)合層中CrN相和AlCrTiN相的組成比例可根據(jù)使用要求調(diào)制。依照本發(fā)明的下述方法所獲得的復(fù)合涂層的膜/基 結(jié)合強度能達80-100N，IOg載荷下表面復(fù)合硬度達30-40GPa，并且GCrl5配副摩擦系數(shù)為O.1-O. 3 ο以下為制備涂層的具體實施例。實施例一
首先取硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)測試樣為O. 4-0. 6mm的PCB銑刀，將該PCB銑刀經(jīng)除油、有機清洗、漂洗及等離子清洗后進行沉積涂層。先將硬質(zhì)合金基體(即待沉積涂層的微型銑刀)設(shè)定溫度在200°C，沉積工藝設(shè)定后由工控機控制。基體脈沖偏壓頻率為80KHz、偏壓峰值-800V、占空比40%，Ar流量40ml/min，打開離子鍍Cr靶，電弧電流設(shè)為70A，Cr離子從Cr靶上蒸發(fā)出來，對硬質(zhì)合金基體進行轟擊清洗Imin ;然后將脈沖偏壓調(diào)至峰值-500V、占空比40%，Ar流量20ml/min，N2流量200ml/min，并且維持離子鍍Cr靶電流60A，此階段Cr離子與氮氣反應(yīng)生成CrN，從而在硬質(zhì)合金基體上沉積CrN的過渡層，鍍CrN IOmin ;然后關(guān)閉離子鍍Cr IE,保持脈沖偏壓、Ar流量不變，N2流量500ml/min不變，開啟改進型磁過濾離子鍍膜機電源，電弧電流60A，鍍AlCrTiN 50min。鍍膜機停止后冷卻20分鐘后取樣。對制備的試樣進行測試，得到的測試結(jié)果為=CrN的過渡層的厚度為0.2μπι，AlCrTiN復(fù)合層的厚度為3 μ m，劃痕結(jié)合力120N，10g載荷下表面復(fù)合硬度35GPa，摩擦系數(shù)O. 28。和未涂覆本發(fā)明的涂層的銑刀相比，切削質(zhì)量不降低，并且制得的銑刀壽命提高3. 2倍。實施例二
取硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)測試樣直徑為O. 8-1. 2mmPCB銑刀，經(jīng)除油、有機清洗、漂洗及等離子清洗后進行沉積涂層。硬質(zhì)合金基體溫度設(shè)為250°C，沉積工藝設(shè)定后由工控機控制。硬質(zhì)合金基體脈沖偏壓頻率為80KHz、偏壓峰值-800V、占空比40%，Ar流量40ml/min，打開離子鍍Cr IE,電弧電流70A, Cr離子從Cr祀上蒸發(fā)出來,對硬質(zhì)合金基體進行轟擊清洗Imin ；然后脈沖偏壓調(diào)至峰值-600V、占空比40%，Ar流量30ml/min，N2流量300ml/min，維持離子鍍Cr靶電流70A，此階段Cr離子與氮氣反應(yīng)生成CrN，從而在硬質(zhì)合金基體上沉積CrN的過渡層，鍍CrN IOmin ;之后關(guān)閉離子鍍Cr靶，保持偏壓、Ar流量不變，N2的流量為600ml/min，開啟改進型磁過濾離子鍍膜機，電弧電流60A，鍍AlCrTiN 60min。鍍膜停止后冷卻20分鐘后取樣。得到的測試結(jié)果為=CrN的過渡層的厚度為0.6 μ m，AlCrTiN復(fù)合層的厚度為3. 5 μ m，劃痕結(jié)合力120N，10g載荷下表面復(fù)合硬度37GPa，摩擦系數(shù)O. 26。微型銑刀壽命提高3. 4倍，和未涂覆復(fù)合涂層的銑刀相比，切削質(zhì)量不降低。實施例三
取硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)測試樣直徑為1. 3-2mm的PCB銑刀，經(jīng)除油、有機清洗、漂洗及等離子清洗后沉積涂層。硬質(zhì)合金基體溫度設(shè)300°C，沉積工藝設(shè)定后由工控機控制?；w脈沖偏壓頻率80KHz、偏壓峰值-800V、占空比40%，Ar流量40ml/min，打開離子鍍Cr靶，電弧電流70A，Cr離子從Cr靶上蒸發(fā)出來，對硬質(zhì)合金基體進行轟擊清洗Imin ;脈沖偏壓調(diào)至峰值-700V、占空比40%，Ar流量40ml/min，N2流量400ml/min，維持離子鍍Cr靶電流80A，此階段Cr離子與氮氣反應(yīng)生成CrN,從而在硬質(zhì)合金基體上沉積CrN的過渡層,鍍CrN 15min ；關(guān)閉離子鍍Cr祀,保持脈沖偏壓、Ar流量不變，N2流量700ml/min,開啟改進型磁過濾離子鍍膜機，電弧電流60A，鍍AlCrTiN 70min。鍍膜停止后冷卻20分鐘后取樣。得到的測試結(jié)果為=CrN的過渡層的厚度為0·8μπι，AlCrTiN復(fù)合層的厚度為3.4 μ m，劃痕結(jié)合力102N，IOg載荷下表面復(fù)合硬度38GPa，摩擦系數(shù)O. 28。銑刀壽命提2. 9倍，和未涂覆復(fù)合涂層的 銑刀相比，切削質(zhì)量不降低。通過上述具體實施例可知，
為了突出本發(fā)明的上述具有納米復(fù)合涂層的銑刀的技術(shù)效果，還提供了比較例進行對t匕，通過對比可以看出本發(fā)明能夠很好地提供銑刀的使用壽命，具有很好的技術(shù)效果。比較例一
取硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)測試樣直徑為O. 8-1. 2mm的PCB銑刀，經(jīng)除油、有機清洗、漂洗及等離子清洗后沉積涂層。硬質(zhì)合金基體溫度設(shè)為250°C，沉積工藝設(shè)定后由工控機控制?；w脈沖偏壓頻率80KHz、偏壓峰值-800V、占空比40%，Ar流量40ml/min，打開離子鍍Cr靶，電弧電流70A，轟擊清洗Imin ;脈沖偏壓調(diào)至峰值-500V、占空比40%，Ar流量30ml/min，N2流量300ml/min，維持離子鍍Cr靶電流70A，此階段Cr離子與氮氣反應(yīng)生成CrN，從而在硬質(zhì)合金基體上沉積CrN的過渡層，鍍CrN 15min ;關(guān)閉離子鍍Cr靶，保持偏壓、Ar流量不變，N2流量600ml/min，開啟改進型磁過濾離子鍍膜機，電弧電流60A，鍍CrN 60min。鍍膜停止后冷卻20分鐘后取樣。標(biāo)準(zhǔn)試樣涂層厚度2. 5 μ m，劃痕結(jié)合力125N，IOg載荷下表面復(fù)合硬度27Gpa，摩擦系數(shù)O. 3，銑刀壽命無提高。比較例二
取硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)測試樣直徑為為O. 8-1. 2mm的PCB銑刀，經(jīng)除油、除銹、有機清洗和漂洗及等離子清洗后沉積涂層。基體溫度250°C，沉積工藝設(shè)定后由工控機控制。基體脈沖偏壓頻率80KHz、峰值-800V、占空比40%，Ar流量40ml/min，打開離子鍍Cr靶，電弧電流70A，轟擊清洗Imin ;脈沖偏壓調(diào)至峰值-500V、占空比40%，Ar流量30ml/min，N2流量300ml/min,維持離子鍍Cr靶電流70A，此階段Cr離子與氮氣反應(yīng)生成CrN，從而在硬質(zhì)合金基體上沉積CrN的過渡層，鍍CrN 15min ;關(guān)閉離子鍍Cr靶，保持偏壓、Ar流量不變，N2流量600ml/min，開啟改進型磁過濾離子鍍膜機，電弧電流60A，鍍AlTiN 60min。鍍膜停止后冷卻20分鐘后取樣。標(biāo)準(zhǔn)試樣涂層厚度2. 7 μ m，劃痕結(jié)合力45N，IOg載荷下表面復(fù)合硬度35Gpa,摩擦系數(shù)O. 3，統(tǒng)刀壽命提聞30%。從上述兩個比較例中可以看出，在與本發(fā)明實施例相同的條件下，如果內(nèi)層和外層都是沉積CrN，此種情況下得到的銑刀，使用壽命沒有任何提高；如果內(nèi)層沉積CrN，而外層僅僅沉積AlTiN層，銑刀的壽命有所提高，也即提高了1. 3倍，但是與本發(fā)明的上述實施例一至相比，壽命提高也是不明顯的。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)的任何修改。等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護之內(nèi)本發(fā)明中的實施例僅用于對本發(fā)明進行說明，并不構(gòu)成對權(quán)利要求范圍的限制，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員可以想到的其他實質(zhì)上等同的替代，均在本發(fā)明保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種PCB用超硬耐磨鉻基復(fù)合涂層微型銑刀，其特征在于所述微型銑刀的基體為硬質(zhì)合金，所述基體表面上沉積有作為內(nèi)層和外層的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)層為過渡層，所述過度層的材料為CrN，其厚度為O. 2-0. 8微米；所述外層為復(fù)合層，所述復(fù)合層的材料為 AlCrTiN，其厚度為1-4微米。
2.一種如權(quán)利要求1所述的PCB用超硬耐磨鉻基復(fù)合涂層微型銑刀的制備方法，其特征在于具有以下步驟(I)首先對所述微型銑刀的硬質(zhì)合金基體表面進行清洗，將其溫度設(shè)為200-300°C，采用離子鍍技術(shù)在所述硬質(zhì)合金基體表面上沉積材料為CrN的過渡層，在采用離子鍍沉積CrN過渡層時采用純Cr靶，電弧電流為60-80A，引入氣體為Ar和N2, Ar流量為20-40ml/min，N2流量為200-400ml/min，采用脈沖負(fù)偏壓，偏壓占空比為30_50%，偏壓峰值為-500V至-·700V ；(2)在上一步得到的所述過渡層上采用改進型磁過濾離子鍍膜機沉積材料為AlCrTiN的復(fù)合層，改進型磁過濾離子鍍沉積AlCrTiN復(fù)合層采用純Cr靶和鈦鋁合金靶，保持偏壓、Ar流量不變，N2流量為400-600ml/min電弧電流設(shè)為60A，鍍AlCrTiN 層50-70min，鍍膜停止后冷卻20分鐘，然后取樣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種PCB用超硬耐磨鉻基復(fù)合涂層微型銑刀及其制備方法，采用離子鍍技術(shù)和改進型磁過濾離子鍍在硬質(zhì)合金基體上分別沉積內(nèi)層和外層，所述內(nèi)層為CrN過渡層，其與硬質(zhì)合金基體結(jié)合具有很好的熱學(xué)、力學(xué)和化學(xué)匹配性，保證CrN過渡層和基體良好的結(jié)合強度；所述外層為AlCrTiN復(fù)合層，其具有高硬度、強韌性和低摩擦系數(shù)的特點。本發(fā)明通過對CrN和AlCrTiN進行復(fù)合設(shè)計，利用界面強化、固溶強化、雙相強化和納米強化，獲得一種具有結(jié)合力強、硬度高、韌性好、摩擦系數(shù)低的復(fù)合涂層的PCB銑刀。
文檔編號B32B15/04GK103008746SQ2012105580
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者黃仕江 申請人:上海殼瑞微材料科技有限公司