專利名稱：一種超細晶硬質合金工具及其表面納米復合膜層制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬材料和機械加工技術領域，涉及一種超細晶硬質合金工具及其表
面納米復合膜層制備方法。
背景技術：
自上個世紀80年代美國的Multi-Arc公司和Vac-Tech公司把TiN薄膜成功地應 用到刀具表面涂層上以來，工具硬質鍍層技術已經(jīng)走過了近30年的歷程。在此期間，為了 不斷滿足機加業(yè)向更加高速和連續(xù)化生產(chǎn)方向發(fā)展以及在更加苛刻條件下使用的需求，工 具基材從最初的低合金工具鋼、高速工具鋼逐漸全面過渡到硬質合金，而與此相適應，硬質 膜層材料也從最初的第一代TiN，過渡到第二代的TiCN、 TiAlN等，最終發(fā)展到今天的花樣 繁多的多組元復合膜和多層膜體系。硬質膜層與基材的適應匹配是工具硬膜涂層技術發(fā)展 的主題之一，正是二者相輔相成匹配發(fā)展，構成了性能不斷完善的工具體系，對現(xiàn)代機械加 工業(yè)起到了極為重要的推動作用。近年來，一個較特殊的加工種類，即微細加工業(yè)隨著微 機械制造、航空航天和信息等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展而越來越顯現(xiàn)出它的強大需求，其特點是加 工更加快速、連續(xù)、加工材料更加復雜，尤其是加工尺度很小，以最具代表性的加工集成電 路板(PCB)導通孔的微型鉆頭和點陣打印機的打印針頭為例，加工直徑越來越小，孔徑由 1. Omm、0. 80mm—直發(fā)展到0. 05mm。與此同時，更加高速的干切削、少/無冷卻液切削和微潤 滑切削，以及更加精密快速的冷作模具成形加工的需求也出現(xiàn)急劇擴大的趨勢，采用普通 的硬質合金作為工具基材，材料的整體強度、剛度、韌性以及減摩性能都已經(jīng)不能滿足新形 勢下的加工要求。研究表明，用晶粒細化的方法可以大幅度提高硬質合金的性能，當WC-Co 硬質合金中WC硬質相的晶粒尺寸小于0. 4 ii m時，材料的基本單元尺度進入納米范圍，成為 顆粒增強型納米復合材料，性能發(fā)生顯著變化，即合金的抗彎強度顯著增加(WC-10% Co可 達到4000MPa以上)，硬度也明顯提高(WC-10% Co可達到HRA92. 5以上)，使得耐磨性能 大幅度提高。當其WC晶粒進一步細化到0. 3 ii m以下時，該類硬質合金被稱為超細晶硬質 合金，它的綜合性能得到進一步提高，除了擁有高抗彎強度以外，主要性能指標如表面納米 硬度已高于20GPa，摩擦系數(shù)已低于0. 2。然而通過晶粒細化來提高其性能有其限度，當晶 粒尺度達到WC的極限后，工具的性能不再因晶粒因素而提高，因此在工具表面進行鍍層處 理就成為進一步提高超細晶硬質合金工具的唯一途徑。但問題在于在現(xiàn)有的傳統(tǒng)硬質膜層 中，如TiN、ZrN、TiAlN、TiCN等，由于它們的硬度一般在都在20-24GPa左右，而摩擦系數(shù)更 多的都高于0. 2，即與基材相比，涂層本身性能并不占多大優(yōu)勢，因此在超細晶硬質合金表 面沉積這些膜層，不但不能進一步提高硬質合金的綜合性能，有時還起到相反的作用。此 外，雖然一些多元復合膜和納米多層膜的硬度都很高，可達到35GPa以上，但由于化學惰性 等因素決定的摩擦系數(shù)也很難低于0. 1，因此也不太適合用于超細晶硬質合金工具的表面 改性用膜。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種用非晶_納米晶復合膜層表面改性了的超 細硬質合金工具，該表面改性膜層與超細晶硬質合金工具基材一起，構成剛度、韌性、硬度、 減摩性能均具有較高水平的工具體系，該工具擁有高抗磨性和抗高溫性能，能提高加工質 量和工具使用壽命，提高加工效率并大幅度降低生產(chǎn)成本。 本發(fā)明的科學依據(jù)是碳基類金剛石(Diamond-Like Carbon, DLC)薄膜是一種主 要由鄧3和鄧2雜化鍵組成的混雜非晶態(tài)碳基薄膜材料，因其具有諸多與金剛石相似的性能 而命名為類金剛石，更為可貴的是，在眾多硬膜材料體系中，DLC薄膜是少數(shù)具有很低摩擦 系數(shù)(一般條件下低于O. 1)的硬膜材料之一，這與碳基材料的理化屬性有關。但是DLC卻 不能直接用來作為與高品質硬質合金相匹配的涂層材料，原因在于， 一方面DLC薄膜在生 長過程中產(chǎn)生較大的內應力，使薄膜過早崩落；另一方面，DLC薄膜的熱穩(wěn)定性較差，在高 于約350 °C的溫度下即開始出現(xiàn)石墨化及氧化現(xiàn)象；此外，在硬質合金上制備DLC時，作為 粘結相的Co對碳有很高的固溶度，致使DLC不易形核；同時Co在類金剛石沉積過程中促進 石墨的形成，也會導致DLC薄膜的性能大幅下降。 對碳基非晶DLC薄膜進行用氮化鋯的納米晶進行彌散摻雜改性，能使之在保持低 摩擦系數(shù)的前提下提高強度、改善內應力并提高熱穩(wěn)定性，可成為與超細晶硬質合金相匹 配的理想材料。因為在這種結構中，通過彌散分布的納米晶氮化鋯的作用，將對DLC基體的 網(wǎng)格結構產(chǎn)生影響，從而生成二維的納米團簇陣列或納米尺度的作用微區(qū)，可抑制位錯滑 移和晶界滑移、增強材料整體的強度，直接帶來的潛在改性效果是進一步提高強度、降低應 力、增加熱穩(wěn)定性，更主要的是由于材料的基體是碳，因此還會具有很好的減摩性能。
為了實現(xiàn)上述材料設想，可使用電弧離子鍍分離靶技術，因為它可以將沉積DLC 薄膜和沉積ZrN薄膜的工藝合二為一，制備出在非晶碳基DLC均勻摻雜ZrN納米晶的 nc-ZrN/a-C復合薄膜。具體地就是使用電弧離子鍍設備，在不同的陰極靶上一部分安裝沉 積DLC所需的純石墨，而另一部分安裝沉積ZrN所需的金屬鋯，并用送氣系統(tǒng)通入反應氣體 N2，由于N與Zr的化學親和力遠大于N與C間的親和力，以及C的晶化勢壘很高，而ZrN的 晶化勢壘很低，因此沉積產(chǎn)物自然形成摻雜有晶化ZrN相的非晶碳基DLC薄膜，由于電弧 離子鍍的沉積過程的遠離平衡態(tài)特征，得到的ZrN的晶粒尺度自然在納米范圍。用此方法 的最大優(yōu)點是，通過調控兩個靶弧電流Ic/I&的不同匹配，可以很方便地改變ZrN的摻雜含 量，而不必冶煉大量的合金靶。
本發(fā)明的技術解決方案是 —種超細晶硬質合金工具，由硬質合金工具基材和其表面的納米復合膜層構成， 其特征在于硬質合金工具基材是WC的平均晶粒尺寸為0. 1 m-0. 3 m的超細晶WC-Co 硬質合金，表面的納米復合膜層是摻雜氮化鋯納米晶的類金剛石膜層，膜層的厚度為 0. 1 li m_5 li m。 所述的一種超細晶硬質合金工具，其特征在于所述的表面的納米復合膜層是摻 雜氮化鋯納米晶的類金剛石膜層，氮化鋯納米晶的摻雜含量為重量百分比45% -95%。
所述的一種超細晶硬質合金工具，其特征在于所述的工具是直徑1. 2mm-0. 1mm 的加工集成電路板和印刷線路板導通孔的超細品硬質合金微型鉆頭； 所述的一種超細晶硬質合金工具，其特征在于所述的工具是直徑為
41. Omm-0. 1mm的點陣打印機的超細晶硬質合金打印針頭。 所述的一種超細晶硬質合金工具，其特征在于所述的工具是超細晶硬質合金模具，模具的長度為5mm-150mm。 所述的一種超細晶硬質合金工具，其特征在于所述的工具是超細晶硬質合金銑刀，銑刀的直徑為3mm-20mm。 所述的一種超細晶硬質合金工具，其特征在于所述的工具是超細晶硬質合金牙鉆，牙鉆的直徑為5mm-10mm。 —種超細晶硬質合金工具的表面納米復合膜層制備方法，是用電弧離子鍍技術在超細晶硬質合金工具表面沉積摻雜氮化鋯納米晶的類金剛石膜層的制備方法，其工藝過程是將超細晶硬質合金工具經(jīng)超聲清洗并烘干處理后，放置于電弧離子鍍真空室的載物卡具上，由真空系統(tǒng)將真空室真空抽到5X10—2Pa_5X10—卞a;之后充入惰性氣體氬到0. 8Pa-4Pa并加幅值為600V-1500V的偏壓引發(fā)輝光等離子體開始對工具表面進行濺射清洗5min-10min ;然后將氬氣壓降低到0. 3Pa_0. 8Pa，啟動陰極靶電弧，調整弧流，調整偏壓，通入反應氣體開始進行鍍膜過程，時間為20min-60min ;再經(jīng)過充分爐冷后放掉真空取出已鍍膜的工具；其特征在于所述的啟動陰極靶電弧為啟動石墨靶和純鋯靶電??；調整弧流為調整石墨耙弧流為40A-120A，純鋯耙弧流為60A-120A ;調整偏壓是調整脈沖偏壓，其中幅值為300V-1000V、頻率為5kHz-40kHz、占空比為5% -50% ;通入反應氣體為通入氮氣，氮氣分壓為0. 3Pa-0. 8Pa。 本發(fā)明的效果和益處是用電弧離子鍍分離靶技術將沉積DLC膜層和沉積ZrN膜層的工藝合二為一，在超細晶硬質合金工具基材上制備出在非晶碳基DLC膜層中彌散鑲嵌有ZrN納米晶的nc-ZrN/a-C復合膜層，使改性后的工具表面納米硬度高于40GPa、摩擦系數(shù)低于0. 1、熱穩(wěn)定性高于50(TC，使工具膜/基體系達到優(yōu)化匹配從而擁有高抗磨性和高溫性能，能提高加工質量和工具使用壽命，提高加工效率并大幅度降低生產(chǎn)成本。適用于機械加工的精加工技術領域。
具體實施例方式
以下結合技術方案詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式
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實施例1 : 將超細晶硬質合金微鉆經(jīng)過清洗干燥等前處理后，放置于電弧離子鍍設備真空室的載物卡具上，在陰極弧源位置上一部分安裝純石墨靶，一部分安裝純鋯靶，抽真空到5X10-3Pa，通氬氣到l.OPa，加-800VX 20kHz X 40 %的脈沖偏壓引發(fā)輝光等離子體，用等離子體中的離子對微鉆進行濺射清洗處理10分鐘；然后降偏壓幅值到_300V，降低氬氣壓到0. 8Pa，啟動石墨靶和鋯靶陰極電弧，石墨靶弧流為50A，鋯靶弧流到80A，然后通入氮氣，氮氣分壓為0. 5Pa，開始沉積摻雜氮化鋯納米晶的DLC類金剛石薄膜，時間為40分鐘；到時后進行卸偏壓、?；?、停氣、維持真空進行爐冷1小時，最后放掉真空取出已鍍膜的微鉆。如此在微鉆表面沉積合成厚度為1微米的nc-ZrN/a-C非晶納米晶復合膜層，使微鉆表面納米硬度大于40GPa，摩擦系數(shù)低于0. l，熱穩(wěn)定性高于500°C。
實施例2 :將內孔直徑為50mm的①100 X 50mm超細晶硬質合金擠壓模具經(jīng)過清洗干燥等前處理后，放置于電弧離子鍍設備真空室的載物卡具上，在陰極弧源位置上一部分安裝純石墨革巴， 一部分安裝純鋯靶，抽真空到5 X 10—3Pa，通氬氣到1. 0Pa，加-800VX 20kHz X 40 %的脈沖偏壓引發(fā)輝光等離子體，用等離子體中的離子對模具進行濺射清洗處理10分鐘；然后降偏壓幅值到-500V,降低氬氣壓到0. 8Pa，啟動石墨靶和鋯靶陰極電弧，石墨靶弧流為40A，鋯靶弧流到IOOA，然后通入氮氣，氮氣分壓為0. 6Pa，開始沉積摻雜有氮化鋯納米晶的DLC類金剛石薄膜，時間為60分鐘；到時后進行卸偏壓、?；　⑼?、維持真空進行爐冷1小時，最后放掉真空取出已鍍膜的模具。如此在模具內、外表面沉積合成厚度為2微米的nc-ZrN/a-C非晶納米晶復合膜層，使模具表面納米硬度大于40GPa，摩擦系數(shù)低于0. l，熱穩(wěn)定性高于5Q(TC。
權利要求
一種超細晶硬質合金工具，由硬質合金工具基材和其表面的納米復合膜層構成，其特征在于硬質合金工具基材是WC的平均晶粒尺寸為0.1μm-0.3μm的超細晶WC-Co硬質合金，表面的納米復合膜層是摻雜氮化鋯納米晶的類金剛石膜層，膜層的厚度為0.1μm-5μm，氮化鋯的摻雜含量為重量百分比45％-95％。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種超細晶硬質合金工具，其特征在于所述的工具是直徑1. 2mm-0. 1mm的加工集成電路板和印刷線路板導通孔的超細晶硬質合金微型鉆頭。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種超細晶硬質合金工具，其特征在于所述的工具是直徑 為1. Omm-0. 1mm的點陣打印機的超細晶硬質合金打印針頭。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種超細晶硬質合金工具，其特征在于所述的工具是超細 晶硬質合金模具。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種超細晶硬質合金工具，其特征在于所述的工具是超細 晶硬質合金銑刀。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種超細晶硬質合金工具，其特征在于所述的工具是超細晶硬質合金牙鉆。
7. —種超細晶硬質合金工具的表面納米復合膜層制備方法，是用電弧離子鍍技術 在超細晶硬質合金工具表面沉積摻雜氮化鋯納米晶的類金剛石膜層的制備方法，其工藝 過程是將超細晶硬質合金工具經(jīng)超聲清洗并烘干處理后，放置于電弧離子鍍真空室的載 物卡具上，由真空系統(tǒng)將真空室真空抽到5X10—2Pa_5X10—卞a;之后充入惰性氣體氬到 0. 8Pa-4Pa并加幅值為600V-1500V的偏壓引發(fā)輝光等離子體開始對工具表面進行濺射清 洗5min-10min ;然后將氬氣壓降低到0. 3Pa_0. 8Pa，啟動陰極靶電弧，調整弧流，調整偏壓， 通入反應氣體開始進行鍍膜過程，時間為20min-60min ;再經(jīng)過充分爐冷后放掉真空取出 已鍍膜的工具；其特征在于所述的啟動陰極靶電弧為啟動石墨靶和純鋯靶電?。徽{整弧 流為調整石墨耙弧流為40A-120A，純鋯耙弧流為60A-120A ;調整偏壓是調整脈沖偏壓，其 中幅值為300V-1000V、頻率為5kHz-40kHz、占空比為5% -50% ;通入反應氣體為通入氮氣， 氮氣分壓為0. 3Pa-0. 8Pa。
全文摘要
一種超細晶硬質合金工具及其表面納米復合膜層制備方法，屬于金屬材料和機械加工技術領域。其特征是提供一種用納米復合膜層表面改性的超細晶硬質合金工具，該膜層是用電弧離子鍍方法制備的摻雜氮化鋯納米晶的類金剛石膜層，它與WC晶粒為0.1-0.3微米的超細晶WC-Co硬質合金微鉆、打印針頭、銑刀以及模具等工具基材一起構成了高性能的工具體系。本發(fā)明的效果和益處是使超細晶硬質合金工具具有高于40GPa的表面硬度和高于500℃的熱穩(wěn)定性，以及低于0.1的摩擦系數(shù)，能夠大幅度提高加工質量和工具使用壽命。特別適用于機械加工的精加工技術領域。
文檔編號C23C14/32GK101786348SQ20091024881
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權日2009年12月25日
發(fā)明者李紅凱, 林國強 申請人:大連理工大學