本發(fā)明屬于刀具涂層技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種離子源增強(qiáng)電弧離子鍍制備高溫合金切削刀具涂層的新方法。
背景技術(shù):
近年來先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的葉片、盤軸、機(jī)匣等主要結(jié)構(gòu)件,大量采用新型超高強(qiáng)耐高溫合金,這給刀具切削加工增加了更大的難度,對切削技術(shù)也提出了更高的要求。以渦輪機(jī)匣零件為例,鐵基、鎳基和鈷基高溫合金等難加工材料大量采用。這些難加工材料導(dǎo)熱系數(shù)小,比強(qiáng)度大,切削溫度高,易產(chǎn)生加工硬化,特別是鎳基高溫合金的高硬度、高強(qiáng)度和良好塑性,致使它的可切削性較差,其難加工特性主要表現(xiàn)為:切削力一般為鋼件的1.5-2倍,切削溫度約為鋼的2倍;材料導(dǎo)熱系數(shù)低,切削熱集中在刀尖,不易散出。另外,切削產(chǎn)生的高溫使刀具發(fā)生嚴(yán)重的擴(kuò)散磨損、氧化磨損和粘結(jié)磨損等,導(dǎo)致切削時刀具磨損快,使用壽命短。因此,針對高溫合金等難加工材料的刀具設(shè)計、選材及切削工藝開發(fā)顯得尤為重要和迫切。
航空高溫合金的切削刀具基體選材,一般應(yīng)滿足耐磨性好、抗氧化、耐高溫和抗沖擊能力強(qiáng)等特性,常見的有硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具等,經(jīng)過幾十年發(fā)展,刀具基體材料的相關(guān)技術(shù)研發(fā)已日趨成熟,基材所能發(fā)揮的作用幾乎被挖掘到極致。當(dāng)然,決定刀具切削性能的因素除了刀具材料,刀具空間幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接影響到切削熱的大小、切屑的流向和形狀、已加工表面質(zhì)量、切削分力的大小等,但經(jīng)過多年研發(fā)積累已無進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計的空間。在這種情況下,刀具表面涂層技術(shù)則顯示出巨大的應(yīng)用前景,已經(jīng)并將繼續(xù)成為刀具制造領(lǐng)域的革命性技術(shù)手段。
所謂刀具涂層技術(shù)是指在要求耐磨損、耐高溫的切削刀具表面,利用真空氣相沉積方法制備一層約2-5微米的超硬涂層,與刀具基體一起形成表層復(fù)合材料。相比刀具基體材料,該表面涂層材料一般具有高硬度,不易磨損和抗氧化及抗耐腐蝕的優(yōu)異性能,可以顯著提高刀具基體的耐磨損、耐腐蝕和抗氧化性能,使刀具的服役性能改善,加工效率提高,使用壽命延長,且生產(chǎn)成本遠(yuǎn)比同樣性能的基體材料的價格低。因此,凡要求耐磨損、耐腐蝕和抗氧化的刀具,均需進(jìn)行涂層加工處理。目前,刀具涂層已在航空、兵器、汽車、機(jī)械、電子等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。刀具涂層技術(shù)的發(fā)展起步于上世紀(jì)80年代,早期主要是耐磨損的TiN、TiC涂層等,進(jìn)入90年代研發(fā)成功抗氧化的TiAlN涂層,進(jìn)入21世紀(jì)又發(fā)展出超硬的TiSiN、TiAlSiN涂層,以及最新出現(xiàn)的高溫性能優(yōu)異的CrAlN涂層。
近年來以高速切削、干切削等為代表的新型切削工藝顯示出強(qiáng)大的生命力,正成為提高航空零部件切削加工效率和質(zhì)量、降低成本和提倡綠色加工的主要技術(shù)手段。高速切削(大于50米/分鐘)工藝的優(yōu)點主要表現(xiàn)在,加工表面質(zhì)量可以提高1-2級,可獲得相當(dāng)于磨削加工的表面粗糙度;允許進(jìn)給速度提高5-10倍,切削速度提高15%-20%,高速切削可降低制造成本20%~40%。干切削(無冷卻液,也成綠色切削)工藝的優(yōu)點是降低能源消耗,減少廢氣、廢渣、廢液的排放等。
刀具要實現(xiàn)高速切削和干切削,其刀具表面必須采用抗氧化和高溫紅硬性很好的超硬涂層。這是因為,高速切削工藝進(jìn)刀量大、溫度高,現(xiàn)有基體材料難以匹配高速切削性能要求;而干切削過程因無冷卻液和潤滑液,對刀具的耐高溫性能要求更高,這些都需要刀具表面的高性能涂層來滿足。因此,離開高性能的涂層設(shè)計及實現(xiàn),高速切削和干切削等先進(jìn)切削工藝就無從談起。近十年來,已在工業(yè)生產(chǎn)中成功應(yīng)用的刀具涂層有TiN、CrN、TiC、TiCN等。這類涂層硬度高,耐磨性好,但高溫性能僅能到550℃左右,只能用于碳鋼、不銹鋼和有色金屬的切削加工,難以用于高溫合金的切削加工。TiAlN涂層雖然最高耐溫可以達(dá)到850℃,但超過900℃后抗氧化性能會明顯下降。
近年來,國外出現(xiàn)了一種新的CrAlN刀具涂層,也稱無鈦涂層,抗氧化溫度可以達(dá)到1000℃以上,耐磨損性能也很優(yōu)異,特別適合航空高溫合金刀具切削加工應(yīng)用。CrAlN涂層優(yōu)良的抗氧化性能可歸功于,高溫時涂層表面的部分Al氧化后,在切屑/刀具界面形成Al2O3薄膜,把刀具與切削熱隔離開來,使熱量很少傳到刀具,從而能在較長的時間內(nèi)保持刀尖的堅硬和鋒利。另外,含Cr的CrAlN涂層的表面摩擦系數(shù)降低,通過減少摩擦來降低切削熱,保持刀具材料不受化學(xué)反應(yīng)的作用,因為在大多數(shù)高速干切削中,高溫對化學(xué)反應(yīng)有很大的催化作用。CrAlN涂層刀具既有硬度高、耐磨性好的特性,又有摩擦系數(shù)小、切屑易流出的優(yōu)點,有優(yōu)良的替代冷卻液的功能。因此,CrAlN涂層在連續(xù)干切削時,優(yōu)于TiN、CrN、TiC、TiAlN等傳統(tǒng)刀具涂層,具有巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力。
目前刀具涂層制備主要采用電弧離子鍍方法,該方法的優(yōu)點是靶材離化率高、沉積速率快、結(jié)合性能好,但電弧放電過程中從靶材濺射下來的金屬液滴較大,涂層結(jié)構(gòu)較為疏松,表面粗糙度較差,會影響涂層刀具的切削性能和使用壽命。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
基于傳統(tǒng)刀具涂層耐磨損性能及抗氧化性能的不足,本發(fā)明的目的在于,提供一種離子源增強(qiáng)電弧離子鍍制備高溫合金切削刀具涂層的新方法,采用該方法在刀具表面制備CrAlN涂層,特別適合于高速切削和干切削等嚴(yán)酷服役條件下的航空高溫合金切削刀具。
為了實現(xiàn)上述任務(wù),本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案:
一種離子源增強(qiáng)電弧離子鍍制備高溫合金切削刀具涂層的方法,其特征在于,按下列步驟進(jìn)行:
1)將高溫合金切削刀具預(yù)處理后放入離子源增強(qiáng)電弧離子鍍膜設(shè)備的真空室中的轉(zhuǎn)架桿上,該轉(zhuǎn)架桿隨轉(zhuǎn)架臺轉(zhuǎn)動,或者自轉(zhuǎn),以保證鍍膜過程的均勻性;
2)以安置在爐體左內(nèi)壁上的矩形電弧Ti靶作為底層的Ti來源,通過調(diào)整電弧Ti靶的電流控制電弧Ti靶的濺射率;以三個均勻布置在爐體右內(nèi)壁上的圓形電弧CrAl靶作為制備CrAlN涂層的Cr、Al元素來源,其中,Cr、Al元素的原子成分比例為Cr/Al=70/30,通過調(diào)整電弧CrAl靶的電流控制電弧CrAl靶的濺射率;將高純Ar和高純N2通過離子源進(jìn)入真空室,其中,Ar作為離化氣體,保證有效的輝光放電過程;N2作為反應(yīng)氣體,使其離化并與Cr、Al元素結(jié)合,在高溫合金切削刀具表面沉積形成CrAlN涂層;
3)制備工藝條件:
A)高溫合金切削刀具的離子源增強(qiáng)等離子體轟擊清洗:
高溫合金切削刀具裝入真空室后,抽真空并加熱到500℃不變,鍍膜前,通入10ml/min的Ar經(jīng)過離子源進(jìn)入到真空室,當(dāng)真空室氣壓達(dá)到3Pa時,開偏壓至-800V對真空室的高溫合金切削刀具表面進(jìn)行轟擊清洗,持續(xù)10分鐘;
B)Ti底層制備:
高溫合金切削刀具清洗完成后,調(diào)節(jié)Ar流量到5ml/min,離子源功率1.5KW,將真空室氣壓調(diào)至0.3Pa,打開矩形電弧Ti靶電源,弧電流150A,調(diào)整偏壓到-200V,制備Ti底層,持續(xù)10分鐘;
C)CrAlN涂層制備:
Ti底層制備完成后,將偏壓調(diào)整為-150V,將離子源功率調(diào)整為2.0KW,打開N2開關(guān),N2經(jīng)過離子源進(jìn)入到真空室,調(diào)整N2流量使真空室氣壓為0.3Pa,將矩形電弧Ti靶關(guān)閉,將圓形電弧CrAl靶打開,電流為90A,開始在Ti底層上制備CrAlN涂層,鍍膜過程中真空室溫度由加熱器加熱維持為500℃,持續(xù)60分鐘;鍍膜結(jié)束后關(guān)閉加熱器,當(dāng)真空室溫度降到100℃以下時,取出帶有CrAlN涂層的高溫合金切削刀具。
本發(fā)明的離子源增強(qiáng)電弧離子鍍制備高溫合金切削刀具涂層的方法,其技術(shù)創(chuàng)新突破上主要體現(xiàn)在:
1、將陽極層矩形氣體離子源引入到電弧離子鍍中,解決了工件表面鍍膜之前的高效快速轟擊清洗和刻蝕,涂層結(jié)合力大幅提高。同時,在鍍膜過程中始終使離子源處于工作狀態(tài),保證了膜層的細(xì)膩和致密,涂層的耐磨性和抗氧化性能隨之顯著提高。
2、制備的CrAlN涂層,其抗氧化溫度為1000℃,顯微硬度Hv3500,能很好滿足刀具的耐磨損性能、抗熱疲勞性能和抗氧化性能要求,特別適合于高溫、高速等嚴(yán)酷服役條件下的航空高溫合金切削刀具的表面涂層要求。
附圖說明
圖1為離子源增強(qiáng)電弧離子鍍膜設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實施方式
申請人在研究時發(fā)現(xiàn),在傳統(tǒng)電弧離子鍍方法中引入氣體離子源,利用高能氣體放電刻蝕工件表面,能夠顯著提高其結(jié)合力。同時,利用離子源的增強(qiáng)轟擊協(xié)同效應(yīng),提高了真空室內(nèi)等離子體密度和反應(yīng)氣體的離化效果,涂層微觀粒子顯著細(xì)化,從而可以大幅改善涂層的致密結(jié)構(gòu)和抗氧化性能。因此,如果用于制備刀具涂層,有望很好的滿足航空高溫合金刀具的嚴(yán)酷切削條件和使用效果。
本實施例給出一種離子源增強(qiáng)電弧離子鍍制備高溫合金切削刀具涂層的方法,在硬質(zhì)合金刀具表面制備耐磨損、抗氧化CrAlN涂層,具體制備過程是:
(1)采用商業(yè)購置的YG6碳化鎢硬質(zhì)合金切削刀片作為樣品(刀片材料成分,WC:94wt.%,Co:6wt.%,硬度HRA89)。
樣品預(yù)處理:表面除油、拋光后浸入丙酮中超聲波清洗,酒精脫水。
(2)如圖1所示,電弧離子鍍膜設(shè)備至少包括外加電源偏壓1、轉(zhuǎn)臺架2、真空室3、轉(zhuǎn)架桿4、矩形電弧Ti靶5、永磁體6、圓形電弧CrAl靶(7、8、9)(粉末冶金電弧靶,其中Cr、Al元素的原子成分比例為Cr/Al=70/30)、加熱器10、泵組11、離子源12。將預(yù)處理好的樣品放入離子源增強(qiáng)電弧離子鍍膜設(shè)備的真空室5內(nèi)的轉(zhuǎn)架桿4上,轉(zhuǎn)架桿4可以隨轉(zhuǎn)臺架2轉(zhuǎn)動,也可以自轉(zhuǎn)。
(3)采用840×140×10mm的矩形電弧Ti靶5作為Ti底層的Ti來源,通過調(diào)整矩形電弧Ti靶5的電流控制電弧Ti靶5的濺射率;采用直徑尺寸為65mm的圓形電弧CrAl靶(7、8、9)作為制備CrAlN涂層的Cr、Al元素的來源,如圖1所示,三個圓形電弧CrAl靶以均布的方式布置在爐體右內(nèi)壁上,并通過調(diào)整圓形電弧CrAl靶的電流控制電弧CrAl靶(7、8、9)的濺射率;高純Ar和高純N2通過離子源12進(jìn)入真空室3,高純Ar作為離化氣體,保證有效的輝光放電過程,高純N2作為反應(yīng)氣體,使其離化并與CrAl靶濺射下來的Cr、Al粒子結(jié)合,在樣品表面沉積形成CrAlN涂層。
(4)優(yōu)化工藝條件為:
A)樣品的離子源增強(qiáng)等離子體轟擊清洗:
樣品裝入真空室3內(nèi)的轉(zhuǎn)架桿4上,對真空室3抽真空并加熱到500℃不變,鍍膜前,通入10ml/min的Ar經(jīng)過離子源進(jìn)入到真空室3,當(dāng)真空室3氣壓達(dá)到3Pa時,開偏壓至-800V對真空室3的樣品表面進(jìn)行轟擊清洗,持續(xù)10分鐘;
B)Ti底層制備:
樣品清洗完成后,調(diào)節(jié)Ar流量到5ml/min,離子源功率1.5KW,將真空室3氣壓調(diào)至0.3Pa,打開矩形電弧Ti靶電源,電流150A,調(diào)整偏壓到-200V,制備Ti底層,持續(xù)10分鐘;
C)CrAlN涂層制備:
Ti底層制備完成后,將偏壓調(diào)整為-150V,將離子源功率調(diào)整為2.0KW,打開N2開關(guān),N2經(jīng)過離子源進(jìn)入到真空室,調(diào)整N2流量使真空室氣壓為0.3Pa,將矩形電弧Ti靶關(guān)閉,將圓形電弧CrAl靶打開,電流為90A,開始在Ti底層上制備CrAlN涂層,持續(xù)60分鐘,鍍膜過程中真空室溫度由加熱器加熱維持為500℃。鍍膜結(jié)束后真空室降溫到100℃以下,取出樣品。
經(jīng)測定,采用上述實施例制備的耐磨損、抗氧化CrAlN涂層,其厚度為5微米,成分含量為Cr:15at.%,Al:27at.%,N:58at.%,顯微硬度Hv3500,抗氧化溫度1000℃,在室溫干摩擦和對副為GCr15條件下,銷盤實驗測出涂層的摩擦系數(shù)為0.3。
經(jīng)高速切削實驗測試,在表面涂覆有CrAlN涂層的YG6碳化鎢硬質(zhì)合金刀片,在切削速度v=60m/min,切削深度αp=0.5mm,進(jìn)給量f=0.2mm/r的切削參數(shù)下,用于加工GH4169鎳基高溫合金零件,共計可加工時間120min。而沒有涂覆CrAlN涂層的YG6碳化鎢硬質(zhì)合金刀片在同樣切削參數(shù)下僅可加工30min就氧化磨損失效,前者比后者提高了3倍。表明本實施例在硬質(zhì)合金刀具表面制備的耐磨損、抗氧化CrAlN涂層的高速切削效果尤為顯著。
需要進(jìn)一步說明的是,本實施例給出的離子源增強(qiáng)電弧離子鍍制備高溫合金切削刀具涂層的方法,可以選擇在任何刀具材料上進(jìn)行實施,并不限于以上的實施例。