專利名稱：一種多元復(fù)合鍍層切削刀具及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬超硬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有多元復(fù)合鍍層的切削刀具及其制備方法。
自上世紀(jì)80年代中期以來，在抗磨損的硬質(zhì)膜方面得到了成功的應(yīng)用。但是TiN的硬度不夠高，而TiC的脆性很大，限制了它們在高硬度工件加工中的進(jìn)一步應(yīng)用。
現(xiàn)代工業(yè)水平和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對金屬切削加工提出了前所未有的挑戰(zhàn)。總的目標(biāo)是高效率，高質(zhì)量，低成本，低污染。
本發(fā)明提出的多元復(fù)合鍍層切削刀具，是在切削刀具基體上首先鍍覆有一過渡層鈦膜，然后依次鍍覆有n層氮化鈦(TiN)膜和碳氮化鈦(TiCN)膜的復(fù)合層；其中，過渡層鈦膜的厚度為50-100nm，復(fù)合層中，氮化鈦膜的厚度為100-300nm，碳氮化鈦膜的厚度為1000-1600nm，n可取1-4之間。
本發(fā)明中，超硬層結(jié)構(gòu)由三元的碳氮化鈦和二元的氮化鈦構(gòu)成—多元的復(fù)合層，以碳氮化鈦作為復(fù)合層中的主要成分，主要承擔(dān)抗磨損功能。過渡層鈦可增加TiN鍍層與刀具基體的結(jié)合力。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計可使刀具基體材料與工件材料在熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)等參數(shù)方面有很好的匹配。
上述結(jié)構(gòu)中，多元復(fù)合鍍層的總厚度一般為2-5μm為宜。更為合適的厚度為2.5-3.8μm。各鍍層的厚度可按比例增加或減少。
本發(fā)明中，三元的復(fù)合材料碳氮化鈦由TiN和TiC混合而成，可以克服原TiN和TiC的不足，而能保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。該復(fù)合膜層的性質(zhì)可以通過改變C和N的比例加以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的加工對象。
上述多元復(fù)合鍍層切削刀具可采用多弧源離子鍍膜法制備。該方法可兼顧膜層的附著力、均勻性、致密度和沉積速率等各項要求，達(dá)到很好的效果。離子鍍膜的設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖3所示。
在真空系統(tǒng)的箱體的四壁(左右前后)分別設(shè)置純鈦靶材8，形成多個多弧陰極蒸發(fā)源，各由獨(dú)立的電源6控制，電弧的電壓、電流和功率均可獨(dú)立調(diào)節(jié)。四壁可各設(shè)置2個鈦靶，則共有8個多弧陰極蒸發(fā)源(圖中畫出左右兩壁)。多弧放電的特點(diǎn)是粒子的電離度大且電離后的離子的初始能量高，有助增強(qiáng)膜層致密度和附著力。在金屬工件(刀具基體)上施加偏置電壓，可使離子以更高的能量飛行至工件表面，增加粒子的表面遷移率和成膜活性。這種等離子體輔助方法，可以在較低的成膜溫度下，得到附著好的致密的膜層。本發(fā)明方法的步驟和工藝條件如下鍍膜系統(tǒng)的本底真空度優(yōu)于10-3Pa；預(yù)熱，在鍍膜之前，先對工件(刀具基體)加溫至350-400℃，保溫90-120分鐘；清洗，工件上的偏壓加到900-1100伏，用高能鈦離子轟擊工件進(jìn)行離子清洗；鍍膜，沉積膜層時偏壓降到200-300伏，以保證沉積速率，這樣的轟擊能量仍能明顯增強(qiáng)成膜粒子的活性，提高膜層結(jié)合力；系統(tǒng)總壓強(qiáng)在0.133-0.200Pa(帕斯卡)范圍內(nèi)，工作氣體為惰性氣體Ar和反應(yīng)氣體N2和C2H2；制備Ti鍍層時，通入Ar氣，其分壓強(qiáng)等于總壓強(qiáng)；制備TiN鍍層時，通入Ar氣和N2氣，N2的分壓強(qiáng)為總壓強(qiáng)的1％-12％，其余為Ar氣；制備TiCN鍍層時，使用Ar氣，N2氣和C2H2氣分別為總壓強(qiáng)的1％-12％，其余為Ar氣。
硬質(zhì)鍍層的制備工藝和參數(shù)的最佳化，要根據(jù)工件的材質(zhì)和尺寸大小而加以調(diào)節(jié)。材質(zhì)較硬，尺寸較大，工件加溫溫度高些，保溫時間長些，偏壓高些，多弧功率與電流也大些。
對多元復(fù)合硬質(zhì)鍍層而言，復(fù)合鍍層中各元素組分的比例，是影響硬質(zhì)鍍層重要因素。元素組分配比合適，其硬質(zhì)鍍層性能就比較好。我們采用了XPS(X射線光電子譜)和SEM(掃描電子顯微鏡)的EDS(能量分散譜)技術(shù)檢測鍍層的組分。根據(jù)檢測結(jié)果來調(diào)整鍍膜參數(shù)(如反應(yīng)氣體分壓強(qiáng)等)，以控制鍍層的組分。對于復(fù)合鍍層中TiN，其原子比Ti∶N比較好的范圍為0.97-1.03。對于復(fù)合鍍層中的主要膜層TiCN，金屬鈦原子(Ti)與非金屬原子(C+N)之間的原子Ti∶(C+N)比范圍為0.70-1.01。就膜層硬度而言，其原子比為1時，金屬原子與非金屬原子能充分地鍵合，硬度最高。考慮到加工較硬工件時膜層脆性的顯現(xiàn)較明顯，其原子比略小于1為佳。非金屬原子C和N的原子比C∶N比較好的范圍為1.7-1.0。圖4為以EDS(能量分散譜)技術(shù)檢測鍍層的組分的各元素的原子比的X-射線的強(qiáng)度譜圖。
由本發(fā)明制備的多元復(fù)合多層硬質(zhì)鍍層為紫銅色，有金屬光澤。顯微硬度達(dá)到2600-3300kgf/mm2，其抗磨損性能較之單一鍍層的刀具有明顯的增強(qiáng)，因此使用壽命明顯提高。
圖2為多元復(fù)合硬質(zhì)鍍層結(jié)構(gòu)圖示，圖中給出復(fù)合層數(shù)n＝2。
圖3為多弧源離子鍍膜裝置示意圖。
圖4為多元復(fù)合硬質(zhì)鍍層組分分析EDS譜。
圖中標(biāo)號1為刀具基體，2為Ti鍍層，3為TiN鍍層，4為TiCN鍍層，5為氣體輸入口，6為多弧蒸發(fā)電源，7為泵組，8為鈦靶，9為偏壓電源，10為待鍍工件(刀具基體)，11為轉(zhuǎn)軸。
實施例1采用鍍覆TiN與TiCN各1層，即n＝1的組合結(jié)構(gòu)。其中，在刀具其體上鍍覆的Ti膜厚度為100nm；TiN膜厚度為300nm，Ti與N的原子比控制為0.97；TiCN膜厚度1600nm，Ti與(N+C)的原子比為0.70，N與C的原子比為1.0。經(jīng)過上述工藝制備得到刀具(絲錐)，12支絲錐共加工4713個工件，平均每支加工392件，使用壽命是未鍍層的4.6倍。切削速度為169轉(zhuǎn)/分。
實施例2采用鍍覆TiN與TiCN各2層，即n＝2的組合結(jié)構(gòu)。其中，在刀具其體上鍍覆的Ti膜厚度為100nm；TiN膜厚度為250nm，Ti與N的原子比控制為1.0；TiCN膜厚度1500nm，Ti與(N+C)的原子比為1.0，N與C的原子比為1.7。經(jīng)過上述工藝制備得到刀具(絲錐)，11支絲錐共加工5632個工件，平均每支加工512件，使用壽命是未鍍層的6.1倍。切削速度仍為169轉(zhuǎn)/分。
實施例3采用鍍復(fù)TiN與TiCN各1層，即n＝3的組合結(jié)構(gòu)。其中，在刀具其體上鍍覆的Ti膜厚度為.80nm；TiN膜厚度為100nm，Ti與N的原子比控制為1.03；TiCN膜厚度1000nm，Ti與(N+C)的原子比為1.01，N與C的原子比為1.2。經(jīng)過上述工藝制備得到刀具(絲錐)，70支絲錐共加工31894個工件，平均每支加工456件，使用壽命是未鍍層的5.4倍。切削速度為169轉(zhuǎn)/分。
實施例4采用鍍復(fù)TiN與TiCN各1層，即n＝4的組合結(jié)構(gòu)。其中，在刀具其體上鍍覆的Ti膜厚度為.50nm；TiN膜厚度為100nm，Ti與N的原子比控制為1.0；TiCN膜厚度1000nm，Ti與(N+C)的原子比為1.0，N與C的原子比為1.5。經(jīng)過上述工藝制備得到刀具(絲錐)，70支絲錐共加工43187個工件，平均每支加工617件，使用壽命是未鍍層的7.3倍。切削速度提高到338轉(zhuǎn)/分。
權(quán)利要求
1.一種多元復(fù)合鍍層切削刀具，其特征在于在切削刀具基體上首先鍍覆有一過渡層鈦膜，然后依次鍍覆有n層氮化鈦(TiN)膜和碳氮化鈦(TiCN)膜的復(fù)合層；其中，過渡層鈦膜的厚度為50-100nm，復(fù)合層中，氮化鈦膜的厚度為100-300nm，碳氮化鈦膜的厚度為1000-1600nm，n取1-4之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削刀具，其特征在于復(fù)合鍍層的總厚度為2-5μm。
3.一種如權(quán)利要求1所述的切削刀具的制備方法，其特征在于采用多弧源離子鍍膜法鍍覆多元復(fù)合鍍層，具體步驟如下鍍膜系統(tǒng)的本底真空度優(yōu)于10-3Pa；預(yù)熱，在鍍膜之前，先對刀具基體加溫至350-400℃，保溫90-120分鐘；清洗，刀具基體的偏壓加到900-1100伏，用高能鈦離子轟擊工件進(jìn)行離子清洗；鍍膜，沉積膜層時偏壓降到200-300伏，以保證沉積速率；系統(tǒng)總壓強(qiáng)在0.133-0.200Pa范圍內(nèi)，工作氣體為惰性氣體Ar和反應(yīng)氣體N2和C2H2制備Ti鍍層時，通入Ar氣，其分壓強(qiáng)等于總壓強(qiáng)；制備TiN鍍層時，通入Ar氣和N2氣，N2的分壓強(qiáng)為總壓強(qiáng)的1％-12％，其余為Ar氣；制備TiCN鍍層時，使用Ar氣，N2氣和C2H2氣分別為總壓強(qiáng)的1％-12％，其余為Ar氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于復(fù)合鍍層的組分控制如下對于TiN層，其Ti和N的原子比為0.97-1.03；對于TiCN層，其Ti與(C+N)的原子比為0.70-1.01，其中，C和N的原子比為1.7∶1.0。
全文摘要
本發(fā)明為一種多元復(fù)合鍍層切削刀具。它以切削刀具為基體，其上先鍍覆一過渡層Ti膜，然后依次鍍覆n層TiN膜和TiCN膜復(fù)合硬質(zhì)鍍層。其中，Ti膜厚度為50－100nm，每層TiN膜厚度為100－300nm，每層TiCN膜厚度為1000－1600nm，n取1－4。上述結(jié)構(gòu)的多元復(fù)合鍍層可采用多弧源離子鍍膜法制備。本發(fā)明制備切削刀具，其復(fù)合硬質(zhì)鍍層為紫銅色，有金屬光澤，顯微硬度達(dá)2600－3300kgf/mm
文檔編號B23B27/14GK1476948SQ0314161
公開日2004年2月25日 申請日期2003年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月15日
發(fā)明者嚴(yán)學(xué)儉, 張亞樑 申請人:復(fù)旦大學(xué), 上海恒久工具實業(yè)有限公司