CN101775587B

CN101775587B - 一种铜合金加工用微钻及其制备方法

Info

Publication number: CN101775587B
Application number: CN2010100396335A
Authority: CN
Inventors: 汪爱英; 孙丽丽; 张栋
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-01-12
Also published as: CN101775587A

Abstract

本发明公开了一种铜合金加工用微钻及其制备方法，该微钻包括微钻基体和沉积在微钻基体表面的薄膜，所述的薄膜由三层膜层组成，在微钻基体表面由内而外依次为：过渡金属单质薄膜层、过渡金属的碳化物薄膜层和类金刚石碳膜层。所述制备方法包括：微钻基体尖端用金属丝屏蔽后，通过线性离子源或/和磁控溅射源，对微钻基体进行三层薄膜层的沉积。本发明通过对高速钢微钻尖端采用了金属丝屏蔽措施，然后进行了多层薄膜沉积，极大幅度地提高了铜合金加工用微钻的耐磨抗粘附性能、使用寿命和加工质量。

Description

一种铜合金加工用微钻及其制备方法

技术领域

本发明涉及微钻及其制备领域，尤其涉及一种铜合金加工用微钻及其制备方法。

背景技术

随着微钻直径减小和脆性的增加，挠曲便成为产生很多问题的根源。而控制微钻的脆性，就要在微钻基体的硬度和韧性之间加以权衡。一般说来，高速钢微钻容许有一定的挠度并能承受相应的弯曲力，但是，高速钢具有的这种弹性变形能力和较低硬度，也使其耐磨性降低，从而限制了微钻寿命。因此，提高微钻的耐磨性就成了亟需解决的问题。

一般采用具有高刚性和高硬度的硬质合金作为微钻基材，可使微钻的寿命得以延长，加工精度得以提高，但因硬质合金刚性较高，微钻常易发生崩刃和开裂。另外，在微钻基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜而组成的薄膜微钻，则能较好地解决微钻存在的强度和韧性之间的矛盾。这种微钻镀层技术是应市场要求发展起来的一项优质表面强化技术，主要采用真空等离子体镀膜技术进行。此技术不仅有效地提高了微钻的使用寿命和机械加工效率，而且还可获得巨大的经济效益和社会效益。

目前，大多数的研究论文及相关专利都集中在硬质合金基材的微钻的表面改性工作，归纳起来，关于微钻表面强化的技术方向主要有三个：(1)在保证基材具有良好韧性的前提下，提高表面硬度；(2)降低表面摩擦系数，减少润滑油脂和冷却液的使用，降低磨损能耗，提高环境保护；(3)提高表面耐腐蚀能力和抗黏能力，提高加工质量。所涉及的技术主要有电镀法、热丝化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法等。

PVD的镀膜方式主要有蒸发和离子镀两种。蒸发沉积速度快，但是相对来说形成的膜层质量较差。离子镀一般包括阴极弧和磁控溅射，阴极弧形成的膜层有明显金属液滴，而微钻直径小，液滴所占比例高会破坏微钻表面状态。磁控溅射的原理是在充有氩气的真空条件下，采用辉光放电技术使得电子在电场的作用下加速飞向微钻基体的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量氩离子和电子，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子和离子，通过磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高离化率，溅射的靶材离子与通入真空室内的气体反应，生成化合物沉积到基体上。磁控溅射镀膜过程的控制比较容易，膜层表面光滑，但是一般进行微钻工件的溅射沉积往往由于薄膜沉积过程中微钻尖端产生的尖端效应而造成离化率较低，沉积的薄膜的致密度低，薄膜和微钻基体结合力较差、残余应力高，薄膜易从基体上剥落。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：从根本上解决目前微钻镀膜时由于微钻尖端的尖端效应而造成沉积过程中离化率较低、沉积的薄膜致密度低、薄膜和微钻基体结合力较差等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种铜合金加工用微钻，其包括微钻基体和沉积在微钻基体表面的硬度高、耐磨性好且抗粘附的防护薄膜。

本发明还提供了一种铜合金加工用微钻的制备方法，在沉积薄膜之前将微钻的尖端用金属丝进行屏蔽，以避免产生尖端效应。

一种铜合金加工用微钻，包括微钻基体和沉积在微钻基体表面的薄膜，所述的薄膜由三层膜层组成，在微钻基体表面由内而外依次为：过渡金属单质薄膜层、过渡金属的硬质碳化物薄膜层和类金刚石碳(DLC)膜层。

所述的薄膜中三层膜层的厚度，本领域技术人员可根据实际需要通过实验进行调整。

作为优选：

所述的过渡金属选自铬、铝，钛，钨中的一种。该类过渡金属与基体比较匹配，能够更好地提高膜基结合力。

进一步优选，所述的过渡金属单质薄膜层的组分为铬单质(Cr)，所述的过渡金属的硬质碳化物薄膜层的组分为碳化铬(CrC)，与最外层的DLC构成Cr/CrC/DLC的碳膜多层结构。

DLC是一大类非晶态固体碳膜材料的统称，主要由含金刚石相的sp3碳杂化键和sp2键的石墨团簇混合构成，可含有一定量的氢。

所述的铜合金加工用微钻的制备方法，包括步骤：

(1)将微钻基体尖端用金属丝屏蔽后安装在兼具公转和自转功能的工件托架上，工件托架置于真空室中，布置磁控溅射源和线性离子源，使磁控溅射源与线性离子源环绕在微钻基体的周围；

(2)在磁控溅射源上安装由过渡金属制成的金属靶，将真空室抽真空至压强小于2.0×10^-5Torr后，通入惰性气体，开启线性离子源，调整微钻基体的负偏压为0～300V，对微钻基体表面进行离子轰击，工作时间为5分钟～40分钟，关闭线性离子源；

(3)在微钻基体表面沉积过渡金属单质薄膜层：调整微钻基体的负偏压为50V～200V，开启磁控溅射源，调整磁控溅射源的工作电流为2A～3A，通入惰性气体，工作时间为10分钟～15分钟；

(4)在微钻基体表面沉积过渡金属的硬质碳化物薄膜层：保持步骤(3)中的工作条件不变，启动线性离子源，调整线性离子源的工作电流为0.1A～0.2A，同时通入含碳气体，工作时间为10分钟～15分钟；

(5)在微钻基体表面沉积类金刚石碳薄膜层：关闭磁控溅射源，设置线性离子源的工作电流为0.1A～0.2A，线性离子源的工作电压为1000V～1320V，调整微钻基体的负偏压为50V～200V，工作时间为60分钟～100分钟，即制得带薄膜层的铜合金加工用微钻。

步骤(1)中，所述的金属丝选用具有良好导电性的金属材料，可以避免电场在微钻尖端产生集中放电而导致的“尖端效应”，致使微钻尖端无法成膜，优选铜丝或铁丝。

所述的微钻基体一般预先在有机溶剂中清洗后再将其尖端用金属丝屏蔽。以改善基体的清洁程度，提高镀膜的质量。

所述的有机溶剂优选三氯乙烯、无水乙醇或丙酮。

步骤(2)与步骤(3)中，所述的惰性气体优选为氩气。

步骤(4)中，所述的含碳气体优选甲烷、乙炔或苯。

所述的微钻基体可选用市售的未镀膜的微钻。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)微钻基体的尖端表面采用了金属丝屏蔽，避免了尖端效应造成的离化率较低，沉积的薄膜的致密度低，薄膜和微钻基体结合力较差、残余应力高，薄膜易从基体上剥落的问题，从而在微钻基体乃至微钻尖端获得了均匀优质的薄膜，尤其在微钻切削刃边缘处获得了结合力好的薄膜，而微钻切削刃是极为重要的部位，其边缘处获得结合力好的薄膜之后，可以更好地保护微钻，延长其使用寿命。

(2)采用大面积线性离子源，以含碳气体为碳源，合成的类金刚石碳膜的膜基结合力好，摩擦系数低，硬度高。

(3)选用合适的过渡层，即过渡金属单质薄膜层和过渡金属的碳化物薄膜层，通过过渡金属单质薄膜层使过渡金属的碳化物薄膜层更好的结合在微钻基体上，通过过渡金属的碳化物薄膜层增加过渡金属单质薄膜层与类金刚石碳膜层的结合力，从而大幅提高了最外层抗粘耐磨保护薄膜即类金刚石碳膜层与微钻基体之间的结合力。

(4)将被镀微钻基体固定在工件架上，以公转和自转的方式可以实现大批量微钻基体的大面积均匀成膜。

(5)将类金刚石碳膜层作为微钻的表层，可以极大幅度地提高微钻的耐磨抗粘附性能，提高微钻寿命和加工质量。

(6)将具有高离化率、高能束、长时间运行稳定和大面积沉积等优点的线性离子束源技术与具有沉积过渡层和大面积沉积容易等优点的复合矩形磁控溅射(即磁控溅射)技术相结合，通过金属丝屏蔽的技术路径，在铜合金加工用微钻上成功制备出了具有低摩擦系数、高硬度、良好自润滑特性和膜基结合力的耐磨抗黏防护薄膜。

附图说明

图1为本发明铜合金加工用微钻制备方法的流程示意图；

图2为本发明微钻基体尖端用金属丝屏蔽后的结构示意图；

图3为未进行金属丝屏蔽时按本发明方法沉积薄膜后的微钻尖端SEM图；

图4为本发明采用金属丝屏蔽后的镀膜微钻尖端SEM图。

具体实施方式

实施例1

采用的镀膜机包括真空室、磁控溅射源、线性离子源和兼具公转和自转功能的工件托架，工件托架安装在真空室内部。

(1)将微钻基体在三氯乙烯中进行超声清洗，干燥后将其尖端用铜丝缠绕进行屏蔽，再安装在工件托架上，布置磁控溅射源和线性离子源，使磁控溅射源与线性离子源环绕在微钻基体的周围。

(2)在磁控溅射源上安装由单质铬制成的铬靶，将真空室抽真空至压强为1.6×10^-5Torr后，通入氩气，开启线性离子源，调整微钻基体的负偏压为200V，对微钻基体表面进行离子轰击，工作时间为40分钟，关闭线性离子源。

(3)在微钻基体表面沉积过渡金属单质薄膜层：调整微钻基体的负偏压为200V，开启磁控溅射源，调整磁控溅射源的工作电流为3A，通入氩气，气体压强为1.6mTorr，工作时间为10分钟。

(4)在微钻基体表面沉积过渡金属的硬质碳化物薄膜层：保持步骤(3)中的工作条件不变，启动线性离子源，调整线性离子源的工作电流为0.2A，同时通入乙炔气体，气体压强为0.5mTorr，沉积温度为100℃，工作时间为10分钟。

(5)在微钻基体表面沉积类金刚石碳薄膜层：关闭磁控溅射源，设置线性离子源的工作电流为0.2A，线性离子源的工作电压为1300±20V，调整微钻基体的负偏压为200V，工作时间为60分钟，即制得带薄膜层的铜合金加工用微钻。

实施例2

(1)将微钻基体在无水乙醇中进行超声清洗，干燥后将其尖端用铁丝缠绕进行屏蔽，再安装在工件托架上，布置磁控溅射源和线性离子源，使磁控溅射源与线性离子源环绕在微钻基体的周围。

(2)在磁控溅射源上安装由单质钛制成的钛靶，将真空室抽真空至压强为2.0×10^-5Torr后，通入氩气，开启线性离子源，调整微钻基体的负偏压为100V，对微钻基体表面进行离子轰击，工作时间为5分钟，关闭线性离子源。

(3)在微钻基体表面沉积过渡金属单质薄膜层：调整微钻基体的负偏压为50V，开启磁控溅射源，调整磁控溅射源的工作电流为2A，通入氩气，气体压强为1.6mTorr，工作时间为15分钟。

(4)在微钻基体表面沉积过渡金属的硬质碳化物薄膜层：保持步骤(3)中的工作条件不变，启动线性离子源，调整线性离子源的工作电流为0.1A，同时通入甲烷气体，气体压强为0.5mTorr，沉积温度为90℃，工作时间为15分钟。

(5)在微钻基体表面沉积类金刚石碳薄膜层：关闭磁控溅射源，设置线性离子源的工作电流为0.3A，线性离子源的工作电压为1000V，调整微钻基体的负偏压为50V，工作时间为100分钟，即制得带薄膜层的铜合金加工用微钻。

从图4可看出，采用本发明方法沉积薄膜后的微钻尖端能够成功成膜，且相对较均匀，从图3可看出，采用未进行金属丝屏蔽时按本发明方法沉积薄膜后的微钻尖端由于尖端效应薄膜发生明显地剥落现象，无法成膜。

Claims

1.一种铜合金加工用微钻的制备方法，其特征在于，包括步骤：

(4)在微钻基体表面沉积过渡金属的碳化物薄膜层：保持步骤(3)中的工作条件不变，启动线性离子源，调整线性离子源的工作电流为0.1A～0.2A，同时通入含碳气体，工作时间为10分钟～15分钟；

(5)在微钻基体表面沉积类金刚石碳薄膜层：关闭磁控溅射源，设置线性离子源的工作电流为0.1A～0.3A，线性离子源的工作电压为1000V～1320V，调整微钻基体的负偏压为50V～200V，工作时间为60分钟～100分钟，即制得带薄膜层的铜合金加工用微钻；

所述的铜合金加工用微钻，包括微钻基体和沉积在微钻基体表面的薄膜，所述的薄膜由三层膜层组成，在微钻基体表面由内而外依次为：过渡金属单质薄膜层、过渡金属的碳化物薄膜层和类金刚石碳膜层。

2.如权利要求1所述的铜合金加工用微钻的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的金属丝选自铜丝或铁丝。

3.如权利要求1所述的铜合金加工用微钻的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的微钻基体预先在有机溶剂中清洗后再将其尖端用金属丝屏蔽。

4.如权利要求3所述的铜合金加工用微钻的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂选自三氯乙烯、无水乙醇或丙酮。

5.如权利要求1所述的铜合金加工用微钻的制备方法，其特征在于，步骤(2)与步骤(3)中，所述的惰性气体为氩气。

6.如权利要求1所述的铜合金加工用微钻的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的含碳气体选自甲烷、乙炔或苯。

7.如权利要求1所述的铜合金加工用微钻的制备方法，其特征在于，所述的过渡金属选自铬、铝、钛、钨中的一种。

8.如权利要求1所述的铜合金加工用微钻的制备方法，其特征在于，所述的过渡金属单质薄膜层的组分为铬单质；所述的过渡金属的碳化物薄膜层的组分为碳化铬。