本發(fā)明屬于機械切削刀具制造領(lǐng)域，涉及了一種B-Cr/ta-C涂層刀具及其制備方法。
背景技術(shù)：
對刀具進行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一，目前國內(nèi)外涂層刀具普遍采用TiN、CrN、TiAlN、AlCrN和CrAlTi等多種涂層。DLC涂層由于具有低的摩擦系數(shù)、高的硬度和抗磨損性能，廣泛應(yīng)用于切削刀具、齒輪、磨具及工具等表面。然而DLC涂層中SP3鍵含量一般在30-50％，其硬度一般小于30GPa，且其與基體粘結(jié)強度較低。四面體無定型碳(ta-C)中SP3鍵含量一般在60-90％，且存在SP2鍵，因此，與DLC相比，ta-C具有更高的硬度和良好的減摩抗磨性能，但由于薄膜中高應(yīng)力的存在，可能加劇薄膜剝落。
中國專利“申請?zhí)?01010136163.4”報道了采用磁控濺射方法在硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備ta-C涂層，該方法制備的ta-C涂層具有較高的硬度和良好的韌性。中國專利“申請?zhí)?01320221551.1”報道了在手術(shù)刀表面沉積納米ta-C鍍層，減小手術(shù)過程出血量和細胞的損傷，從而減輕病人痛苦。中國專利“申請?zhí)?01380013488.5”報道了在塑料食品容器內(nèi)壁沉積Si-DLC涂層，從而使其具有高的氧阻隔性和優(yōu)異的機械性能。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
技術(shù)問題：本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種B-Cr/ta-C涂層刀具及其制備方法。該刀具既具有良好的韌性和極高的硬度，同時與基體具有較高的結(jié)合強度。干切削時，該刀具能夠減小摩擦、抑制粘結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損，從而提高刀具壽命。
技術(shù)方案：本發(fā)明的一種B-Cr/ta-C涂層刀具通過以下方式實現(xiàn)：
刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，其特征在于：涂層為多層結(jié)構(gòu)，刀具基體的表面為B-Cr/ta-C涂層，B-Cr/ta-C涂層與基體之間有TiCrN和Ti過渡層。
所述的B-Cr/ta-C涂層中B和Cr含量的原子百分比均在2-5％范圍內(nèi)，TiCrN層中Cr含量的原子百分比在10-20％范圍內(nèi)，B-Cr/ta-C層中SP3鍵結(jié)構(gòu)含量占80-90％。
所述的B-Cr/ta-C涂層刀具的制備方法采用多弧離子鍍+中頻磁控濺射共沉積的方法在刀具表面制備Ti+TiCrN過渡層和B-Cr/ta-C涂層，其具體制備步驟為：
1)前處理：將刀具基體材料研磨拋光至鏡面，依次放入酒精和丙酮中超聲清洗各20-30min，去除表面油漬等污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入鍍膜機真空室，真空室本底真空為7.0×10-3Pa，加熱至180-190℃，保溫時間30-40min；
2)離子清洗：通入Ar氣，其壓力為0.6-1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓800-900V，占空比0.2，輝光放電清洗20-30min；偏壓降低至200-300V，開啟離子源離子清洗20-30min，開啟電弧源Ti靶，偏壓400-600V，靶電流40-50A，離子轟擊Ti靶1-2min；
3)沉積Ti：調(diào)整Ar氣壓至0.4-0.5Pa，偏壓降低至100-200V，電弧鍍Ti 2-5min；
4)沉積TiCrN：調(diào)整工作氣壓為0.5-0.6Pa，偏壓80-150V，Ti靶電流80-100A；開啟N2，調(diào)整N2流量為150-200sccm，沉積溫度為220-260℃，開啟中頻Cr靶電流10-20A，電弧鍍+中頻磁控濺射沉積TiCrN 5-10min；
5)沉積B-Cr/ta-C涂層：關(guān)閉Ti靶材，關(guān)閉N2；調(diào)整Ar氣壓至0.7-1.5Pa，偏壓至150-300V，調(diào)整Cr靶電流3-5A，開啟B靶電弧電源，電流調(diào)制3-5A，開啟石墨陰極電弧電源，電流調(diào)制60-100A，電弧鍍+中頻磁控濺射沉積B-Cr/ta-C50-60min；
6)后處理：關(guān)閉Cr靶、B靶和石墨靶，關(guān)閉偏壓電源、離子源及氣體源，保溫30-40min，涂層結(jié)束。
有益效果：該刀具涂層為多層結(jié)構(gòu)，刀具表面為B-Cr/ta-C涂層，B-Cr/ta-C涂層與基體之間為TiCrN和Ti過渡層，以減小殘余應(yīng)力，增加涂層與刀具基體之間的結(jié)合強度。摻雜Cr和B的ta-C涂層能夠顯著的降低涂層內(nèi)應(yīng)力、改善其熱穩(wěn)定性，且有助于降低涂層表面粗糙度并提高其致密性。該刀具既具有良好的韌性和極高的硬度，同時與基體具有較高的結(jié)合強度。干切削時，該刀具能夠減小摩擦、抑制粘結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損，從而提高刀具壽命。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的B-Cr/ta-C涂層刀具的結(jié)構(gòu)示意圖。其中有：刀具基體1，Ti過渡層2，TiCrN過渡層3，B-Cr/ta-C涂層4。
具體實施方式
實例1：B-Cr/ta-C涂層刀具及其制備方法，刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，涂層為多層結(jié)構(gòu)，刀具表面為B-Cr/ta-C涂層，B-Cr/ta-C涂層與基體之間有TiCrN和Ti過渡層。B-Cr/ta-C涂層刀具的制備方法是采用多弧離子鍍+中頻磁控濺射共沉積的方式。其具體制備步驟為：
1)前處理：將刀具基體材料研磨拋光至鏡面，依次放入酒精和丙酮中超聲清洗各20min，去除表面油漬等污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入鍍膜機真空室。真空室本底真空為7.0×10-3Pa，加熱至180℃，保溫時間30min。
2)離子清洗：通入Ar氣，其壓力為0.8Pa，開啟偏壓電源，電壓800V，占空比0.2，輝光放電清洗20min；偏壓降低至200V，開啟離子源離子清洗30min，開啟電弧源Ti靶，偏壓400V，靶電流40A，離子轟擊Ti靶1min。
3)沉積Ti：調(diào)整Ar氣壓至0.4Pa，偏壓降低至100V，電弧鍍Ti 2min。
4)沉積TiCrN：調(diào)整工作氣壓為0.5Pa，偏壓90V，Ti靶電流80A；開啟N2，調(diào)整N2流量為150sccm，沉積溫度為220℃，開啟中頻Cr靶電流10A，電弧鍍+中頻磁控濺射沉積TiCrN 6min。
5)沉積B-Cr/ta-C涂層：關(guān)閉Ti靶材，關(guān)閉N2。調(diào)整Ar氣壓至0.8Pa，偏壓至180V。調(diào)整Cr靶電流3A，開啟B靶電弧電源，電流調(diào)制3A，開啟石墨陰極電弧電源，電流調(diào)制60A，電弧鍍+中頻磁控濺射沉積B-Cr/ta-C 50min。
6)后處理：關(guān)閉Cr靶、B靶和石墨靶，關(guān)閉偏壓電源、離子源及氣體源，保溫40min，涂層結(jié)束。
實例2：B-Cr/ta-C涂層刀具及其制備方法，刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，涂層為多層結(jié)構(gòu)，刀具表面為B-Cr/ta-C涂層，B-Cr/ta-C涂層與基體之間有TiCrN和Ti過渡層。B-Cr/ta-C涂層刀具的制備方法是采用多弧離子鍍+中頻磁控濺射共沉積的方式。其具體制備步驟為：
1)前處理：將刀具基體材料研磨拋光至鏡面，依次放入酒精和丙酮中超聲清洗各30min，去除表面油漬等污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入鍍膜機真空室。真空室本底真空為7.0×10-3Pa，加熱至180℃，保溫時間40min。
2)離子清洗：通入Ar氣，其壓力為1.2Pa，開啟偏壓電源，電壓900V，占空比0.2，輝光放電清洗30min；偏壓降低至200V，開啟離子源離子清洗20min，開啟電弧源Ti靶，偏壓550V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶2min。
3)沉積Ti：調(diào)整Ar氣壓至0.5Pa，偏壓降低至180V，電弧鍍Ti 4min。
4)沉積TiCrN：調(diào)整工作氣壓為0.6Pa，偏壓120V，Ti靶電流100A；開啟N2，調(diào)整N2流量為200sccm，沉積溫度為250℃，開啟中頻Cr靶電流20A，電弧鍍+中頻磁控濺射沉積TiCrN 8min。
5)沉積B-Cr/ta-C涂層：關(guān)閉Ti靶材，關(guān)閉N2。調(diào)整Ar氣壓至1.5Pa，偏壓至260V。調(diào)整Cr靶電流5A，開啟B靶電弧電源，電流調(diào)制5A，開啟石墨陰極電弧電源，電流調(diào)制100A，電弧鍍+中頻磁控濺射沉積B-Cr/ta-C 60min。
6)后處理：關(guān)閉Cr靶、B靶和石墨靶，關(guān)閉偏壓電源、離子源及氣體源，保溫30min，涂層結(jié)束。