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ZrCrC/ZrCrCN疊層復(fù)合涂層刀具及其制備工藝的制作方法

文檔序號(hào):11401094閱讀:368來(lái)源:國(guó)知局

本發(fā)明屬于機(jī)械制造金屬切削刀具領(lǐng)域,特別是涉及一種zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具及其制備工藝。



背景技術(shù):

涂層刀具的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了高速切削技術(shù)的發(fā)展,涂層刀具具有硬度高,耐熱性、耐磨性能好,化學(xué)穩(wěn)定性、抗粘結(jié)性能強(qiáng),摩擦系數(shù)低,刀具壽命更高等優(yōu)點(diǎn)。目前涂層刀具已廣泛應(yīng)用于航天航空材料加工、汽車零部件制造、模具成型制造、機(jī)床制造等行業(yè)中。tic和tin涂層是最早應(yīng)用在刀具表面上的涂層。然而,隨著切削加工技術(shù)的發(fā)展以及高速切削技術(shù)的推廣,二元氮化物硬質(zhì)涂層相對(duì)較弱的韌性和耐磨性限制了其應(yīng)用。通過(guò)制備多元復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層可以顯著提高涂層的韌性、強(qiáng)度及耐沖擊性等綜合性能,涂層的多元復(fù)合結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為涂層刀具的重要發(fā)展方向。ticn是目前最廣泛使用的三元碳氮化合物涂層,ticn涂層由于兼具tic的高硬度和tin的良好韌性,顯著提高了其摩擦磨損性能(jinlongli,shihongzhang,mingxili.influenceofthec2h2flowrateongradientticnfilmsdepositedbymulti-arcionplating[j].appliedsurfacescience,2013(283):134-144.),已廣泛應(yīng)用于銑削、攻牙、沖壓、成型及滾齒的加工,在高速切削時(shí)比普通硬質(zhì)合金刀具的耐磨性高5-8倍。中國(guó)專利“汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽銑刀表面ticn多層復(fù)合涂層制備工藝”(專利號(hào)201510564738.5)利用ti、氮?dú)?n2)與乙炔氣體(c2h2)在450℃沉積溫度下合成了ticn涂層銑刀,解決了26nicrmov145材料轉(zhuǎn)子加工難題。

ticn涂層雖然具有高硬度、低摩擦系數(shù)的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)因其熱穩(wěn)定性和紅硬性較差,僅適合應(yīng)用于低速切削或具有良好冷卻條件的場(chǎng)合,需要對(duì)傳統(tǒng)ticn涂層結(jié)構(gòu)和制備工藝進(jìn)行改進(jìn)。目前,多元化是材料改善力學(xué)性能、耐蝕性和耐磨性的有效途徑,通過(guò)制備多元復(fù)合涂層,既可提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度,又兼顧多種單涂層的綜合性能,顯著提高涂層刀具的性能。

目前ticn等碳氮化合物主要通過(guò)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(cvd)等技術(shù)制備,即通過(guò)ticl4(或ti靶)、ch4(或c2h2)以及n2等氣體反應(yīng)生成,沉積溫度通常超過(guò)400℃,對(duì)基體產(chǎn)生不利影響,同時(shí)氣體碳源容易對(duì)涂層設(shè)備造成污染,制約了其廣泛應(yīng)用。

層狀復(fù)合材料是近幾年發(fā)展起來(lái)的材料增強(qiáng)增韌新技術(shù),這種結(jié)構(gòu)是通過(guò)模仿貝殼而來(lái),因此又叫仿生疊層復(fù)合材料。自然界中貝殼的珍珠層是一種天然的層狀結(jié)構(gòu)材料,其斷裂韌性卻比普通單一均質(zhì)結(jié)構(gòu)高出3000倍以上。因此,通過(guò)模仿生物材料結(jié)構(gòu)形式的層間設(shè)計(jì),制備出的疊層復(fù)合涂層可以提高目前碳氮化合物涂層的韌性、穩(wěn)定性及減摩耐磨性等綜合性能。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

針對(duì)現(xiàn)有碳氮化合物涂層刀具性能及制備方法的不足,結(jié)合層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明目的在于提供一種zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具及其制備工藝。

本發(fā)明所述的zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具,刀具基體最外層為zrcrcn涂層,刀具基體與zrcrcn涂層間有cr過(guò)渡層,zrcrcn涂層與cr過(guò)渡層之間是zrcrc涂層與zrcrcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)。

刀具基體材料為高速鋼、工具鋼、模具鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石或立方氮化硼中的一種。

本發(fā)明所述的zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具的制備工藝,沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法,沉積時(shí)使用2個(gè)復(fù)合zrcrc非平衡磁控濺射靶,2個(gè)電弧cr靶:首先采用電弧鍍沉積cr過(guò)渡層,然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積zrcrc涂層與zrcrcn涂層,最外層為zrcrcn涂層;其中:zrcrc非平衡磁控濺射靶中包含重量分?jǐn)?shù)為50%-70%的zr、20%-35%的cr和10%-15%的c。

具體包括以下步驟:

(1)刀具基體表面前處理;

(2)刀具基體表面離子清洗;

(3)采用電弧鍍?cè)诘毒呋w表面沉積cr過(guò)渡層;

(4)采用非平衡磁控濺射在cr過(guò)渡層上沉積zrcrc涂層;

(5)采用非平衡磁控濺射在zrcrc涂層上沉積zrcrcn涂層;

(6)采用非平衡磁控濺射在zrcrcn涂層上沉積zrcrc涂層;

(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)……(5),交替沉積zrcrcn涂層、zrcrc涂層、zrcrcn涂層……zrcrcn涂層共80min;

(8)后處理:關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源,涂層結(jié)束。

其中:

步驟(1)中首先將刀具基體表面拋光,然后依次放入酒精和丙酮中,超聲清洗各25min,干燥后放入鍍膜機(jī),抽真空至6.0×10-3pa,加熱至250℃,保溫30~35min。

步驟(2)中通ar氣,其壓力為1.6pa,開(kāi)啟偏壓電源,電壓600v,占空比0.2,輝光放電清洗30min;降低偏壓至400v,開(kāi)啟離子源離子清洗20min,開(kāi)啟電弧cr靶電源,cr靶電流60a,偏壓300v,離子轟擊1~2min。

步驟(3)中調(diào)ar氣壓0.6~0.7pa,偏壓降至250v,cr靶電流60a,沉積溫度240℃,電弧鍍cr過(guò)渡層4~5min。

步驟(4)中調(diào)ar氣壓0.5~0.6pa,偏壓調(diào)至180v,關(guān)閉電弧cr靶電源,zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a,沉積zrcrc涂層4~5min。

步驟(5)開(kāi)啟n2,n2氣壓為1.5pa,ar氣壓0.6pa,偏壓200v,zrcrc非平衡磁控濺射靶電流40a,沉積溫度200℃,復(fù)合沉積zrcrcn涂層4~5min,沉積完成關(guān)閉n2。

步驟(6)中調(diào)ar氣壓0.5~0.6pa,偏壓調(diào)至180v,zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a,沉積zrcrc涂層4~5min。

本發(fā)明所述zrcrc非平衡磁控濺射靶采用真空熱壓法制備,即將裝有zr粉末、cr粉末、c粉末混合粉的模具置入真空熱壓爐,經(jīng)熱壓燒結(jié)后成型所得。

本發(fā)明所制備zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具,刀具最外層為zrcrcn涂層,刀具基體與涂層間有cr過(guò)渡層,zrcrcn涂層與cr過(guò)渡層之間是zrcrc涂層和zrcrcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)。刀具基體上的cr過(guò)渡層主要作用是減緩因涂層成分突變?cè)斐傻膶娱g應(yīng)力,提高了涂層與刀具基體間的結(jié)合性能,涂層中cr元素對(duì)涂層起到固溶強(qiáng)化作用,提高了涂層的抗氧化性,zr元素提高了涂層的硬度和耐磨性能。同時(shí)該疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的層間界面可阻止涂層柱狀晶的生長(zhǎng),阻礙裂紋和缺陷的擴(kuò)展,提高涂層的硬度、韌性和耐沖擊性。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下有益效果。

本發(fā)明采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法,直接采用zrcrc復(fù)合靶作碳源,且沉積溫度控制在300℃以下,可在更為廣泛的刀具或工具基體上制備。所制得的zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具綜合了zrcrcn超硬碳氮化合物涂層、zrcrc超硬碳化物涂層及疊層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),可明顯改善ticn涂層刀具的物理機(jī)械性能,該疊層復(fù)合刀具可降低切削過(guò)程的切削力和切削溫度,提高涂層刀具的紅硬性性及抗氧化能力,減小刀具磨損35-45%,提高涂層刀具使用壽命30-40%。同時(shí),zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)通過(guò)疊層之間的界面減緩?fù)繉觿兟浜土鸭y擴(kuò)展,該zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具可廣泛應(yīng)用于各種黑色金屬和有色金屬的高速加工及干切削加工。

附圖說(shuō)明

圖1、本發(fā)明的zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中:1、刀具基體2、cr過(guò)渡層3、zrcrc涂層4、zrcrcn涂層5、zrcrc涂層與zrcrcn涂層交替的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面給出本發(fā)明的二個(gè)最佳實(shí)施例:

實(shí)施例1

一種zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具及其制備工藝,該刀具為普通的銑刀片,其基體材料為:硬質(zhì)合金tw2,刀具基體最外層為zrcrcn涂層,刀具基體與zrcrcn涂層間有cr過(guò)渡層,zrcrcn涂層與cr過(guò)渡層之間是zrcrc涂層與zrcrcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)。沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法,沉積時(shí)使用2個(gè)復(fù)合zrcrc非平衡磁控濺射靶,2個(gè)電弧cr靶:首先采用電弧鍍沉積cr過(guò)渡層,然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積zrcrc涂層與zrcrcn涂層,最外層為zrcrcn復(fù)合涂層;其中:zrcrc非平衡磁控濺射靶中包含重量分?jǐn)?shù)為50%的zr、35%的cr和15%的c。

其制備步驟包括如下:

(1)刀具基體表面前處理:將刀具基體表面拋光,去除表面油污、銹跡等雜質(zhì),然后依次放入酒精和丙酮中,超聲清洗各25min,去除刀具表面油污和其它附著物,電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī),抽真空至6.0×10-3pa,加熱至250℃,保溫30~35min;

(2)刀具基體表面離子清洗:通ar氣,其壓力為1.6pa,開(kāi)啟偏壓電源,電壓600v,占空比0.2,輝光放電清洗30min;降低偏壓至400v,開(kāi)啟離子源離子清洗20min,開(kāi)啟電弧cr靶電源,cr靶電流60a,偏壓300v,離子轟擊1~2min;

(3)采用電弧鍍?cè)诘毒呋w表面沉積cr過(guò)渡層:調(diào)ar氣壓0.6~0.7pa,偏壓降至250v,cr靶電流60a,沉積溫度240℃,電弧鍍cr過(guò)渡層4~5min;

(4)采用非平衡磁控濺射在cr過(guò)渡層上沉積zrcrc涂層:調(diào)ar氣壓0.5~0.6pa,偏壓調(diào)至180v,關(guān)閉電弧cr靶電源,開(kāi)啟zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a,沉積zrcrc層4~5min;

(5)采用非平衡磁控濺射在zrcrc涂層上沉積zrcrcn涂層:開(kāi)啟n2,n2氣壓為1.5pa,ar氣壓0.6pa,偏壓200v,zrcrc非平衡磁控濺射靶電流40a,沉積溫度200℃,復(fù)合沉積zrcrcn涂層4~5min,沉積完成關(guān)閉n2;

(6)采用非平衡磁控濺射在zrcrcn涂層上沉積zrcrc涂層:調(diào)ar氣壓0.5~0.6pa,偏壓調(diào)至180v,調(diào)zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a,沉積zrcrc層4~5min;

(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)……(5),交替沉積zrcrcn涂層、zrcrc涂層、zrcrcn涂層……zrcrcn涂層共80min:

(8)后處理:關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源,涂層結(jié)束。

實(shí)施例2

一種zrcrc/zrcrcn疊層復(fù)合涂層刀具及其制備方法,該刀具為普通麻花鉆,其刀具基體材料為:高速鋼w18cr4v。刀具基體最外層為zrcrcn涂層,刀具基體與zrcrcn涂層間有cr過(guò)渡層,zrcrcn涂層與cr過(guò)渡層之間是zrcrc涂層與zrcrcn涂層交替的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)。沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍的復(fù)合鍍膜方法,沉積時(shí)使用2個(gè)復(fù)合zrcrc非平衡磁控濺射靶,2個(gè)電弧cr靶:首先采用電弧鍍沉積cr過(guò)渡層,然后采用非平衡磁控濺射方法交替沉積zrcrc涂層與zrcrcn涂層,最外層為zrcrcn復(fù)合涂層;其中:zrcrc非平衡磁控濺射靶中包含重量分?jǐn)?shù)為70%的zr、20%的cr和10%的c。

其制備步驟包括如下:

(1)刀具基體表面前處理:將刀具基體表面拋光,去除表面油污、銹跡等雜質(zhì),然后依次放入酒精和丙酮中,超聲清洗各25min,去除刀具表面油污和其它附著物,電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī),抽真空至6.0×10-3pa,加熱至250℃,保溫30~35min;

(2)刀具基體表面離子清洗:通ar氣,其壓力為1.6pa,開(kāi)啟偏壓電源,電壓600v,占空比0.2,輝光放電清洗30min;降低偏壓至400v,開(kāi)啟離子源離子清洗20min,開(kāi)啟電弧cr靶電源,cr靶電流60a,偏壓300v,離子轟擊1~2min;

(3)采用電弧鍍?cè)诘毒呋w表面沉積cr過(guò)渡層:調(diào)ar氣壓0.6~0.7pa,偏壓降至250v,cr靶電流60a,沉積溫度240℃,電弧鍍cr過(guò)渡層4~5min;

(4)采用非平衡磁控濺射在cr過(guò)渡層上沉積zrcrc涂層:調(diào)ar氣壓0.5~0.6pa,偏壓調(diào)至180v,關(guān)閉電弧cr靶電源,開(kāi)啟zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a,沉積zrcrc層4~5min;

(5)采用非平衡磁控濺射在zrcrc涂層上沉積zrcrcn涂層:開(kāi)啟n2,n2氣壓為1.5pa,ar氣壓0.6pa,偏壓200v,zrcrc非平衡磁控濺射靶電流40a,沉積溫度200℃,復(fù)合沉積zrcrcn涂層4~5min,沉積完成關(guān)閉n2。;

(6)采用非平衡磁控濺射在zrcrcn涂層上沉積zrcrc涂層:調(diào)ar氣壓0.5~0.6pa,偏壓調(diào)至180v,調(diào)zrcrc非平衡磁控濺射靶電流30a,沉積zrcrc層4~5min;

(7)重復(fù)(5)、(6)、(5)……(5),交替沉積zrcrcn涂層、zrcrc涂層、zrcrcn涂層……zrcrcn涂層共80min:

(8)后處理:關(guān)閉各靶電源、離子源及氣體源,涂層結(jié)束。

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