CN101831651A - 一种硬质合金刀具镀膜方法及刀具 - Google Patents

一种硬质合金刀具镀膜方法及刀具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种增强硬质合金刀具性能的镀膜方法，特别涉及的是硬质合金刀具过渡层的制备方法，以最终实现在硬质合金刀具表面涂层金刚石膜。本发明的方法包括如下步骤：先在硬质合金刀具表面镀制Ti-Cr合金膜，作为镀制金刚石涂层的过渡层；上述硬质合金刀具经丙酮清洗脱水后，放入化学气相沉积金刚石生长设备中进行金刚石涂层。利用本方法镀制的硬质合金刀具的表面镀有Ti-Cr合金膜过渡层，在Ti-Cr合金膜过渡层上镀有金刚石涂层。所述Ti-Cr合金膜过渡层厚度为1-2μm。本发明通过过渡层的镀制，保证了硬质合金刀具进行金刚石涂层的可行性，为提高硬质合金刀具的性能提供了工艺保证。

Description

一种硬质合金刀具镀膜方法及刀具
技术领域
本发明涉及一种增强硬质合金刀具性能的镀膜方法，特别涉及的是硬质合金刀具过渡层的制备方法，以最终实现在硬质合金刀具表面涂层金刚石膜。
背景技术
本发明是把物理气相沉积(PVD)多弧离子镀技术和化学气相沉积(CVD)金刚石制备技术结合在一起的一种新技术，可简称为PCVD复合涂层技术。物理气相沉积多弧离子镀技术是一种设有1个或多个可同时蒸发离化难熔金属材料的镀膜技术，具有镀膜速度快，膜层组织致密，附着力好，均匀性好的特点。热丝化学气相沉积金刚石技术是利用热丝(钨丝或钽丝)产生的高温(2200℃左右)，将CH4H2混合气体激发，得到大量反应粒子，这些粒子经吸附、脱附等过程而进入气相形成等离子体，经过一系列复杂的化学反应到达基台表面，在适宜条件下形成了金刚石膜。具有技术成熟，设备操作简单，生产成本低，膜层质量好的特点。
因为YG系列或YT系列硬质合金一般含有6-8％的钴，用化学气相沉积方法在这类刀具上进行金刚石涂层时，因为钴的析出导致成膜困难或膜层结合力很差。要解决这一难题，主要措施是去除硬质合金材料中的钴。现在去除钴的方法一般是化学法，即用酸脱钴，因为此法破坏了硬质合金的基体成分，刀具基体受到很大损伤，降低了刀体的强度，即使能够涂层金刚石，意义也不是很大，因此未能推广。
发明内容
本方法是先在硬质合金刀具上用物理气相沉积方法镀一层钛铬合金膜作为过渡层，然后再进行CVD金刚石涂层。其原理是：钛和铬都是强碳化物形成材料，与基体硬质合金和金刚石均有良好的浸润性和结合力，可以消除薄膜与基底因晶格失配，热膨胀系数差异而造成的内应力，既可以防止碳过度渗入基底，又可以防止钴从基体深处向表面扩散。在这样的过渡层上再进行CVD金刚石涂层，既能保证硬质合金刀具原有的强度和锋利度，又可以通过金刚石涂层，大幅度提高刀具的耐磨性，加工效率和使用寿命。
基于上述原理，本发明是一种基于金刚石涂层的硬质合金刀具过渡层的镀膜方法，其特征在于：先在硬质合金刀具表面镀制Ti-Cr合金膜过渡层，上述硬质合金刀具经丙酮清洗脱水后，放入化学气相沉积金刚石生长设备中进行金刚石涂层。
上述Ti-Cr合金膜过渡层的制备方法具体如下：
1、Ti-Cr合金靶材的制备：Ti采用高纯海绵钛(纯度99.99％)，Cr选用高纯铬(纯度99.99％)，合金成分为：Ti质量百分比70-80％，Cr质量百分比20-30％，Ti和Cr进行真空冶炼得到合金锭，然后按尺寸要求加工成Ti-Cr合金靶材；
2、用物理气相沉积方法镀膜：把经超声波清洗的硬质合金刀具放入PVD设备的真空室，抽真空达到1×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具表面3分钟，轰击偏压从400V降至250V，弧电源保持在60A，镀膜时间30-40分钟，关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1.5小时后取出样品；这样，在硬质合金刀具表面就镀制了一层厚度为1-2um的Ti-Cr合金膜。
本发明的一种硬质合金刀具，所述硬质合金刀具的表面镀有Ti-Cr合金膜过渡层，在Ti-Cr合金膜过渡层上再镀有金刚石涂层。
进一步的，所述Ti-Cr合金膜过渡层厚度为1-2um。
本发明确定了用PVD方法先在硬质合金刀具上镀制一层Ti-Cr合金膜作为过渡层，然后再用CVD方法进行金刚石涂层的方法。确定了靶材的成分和制备方法，确定了PVD涂层的工艺参数，避免了膜层因升温过快引起的内应力过大而发生爆裂或脱落现象，使膜层与基体之间具有很好的附着力。本发明通过过渡层的镀制，保证了硬质合金刀具进行金刚石涂层的可行性，为提高硬质合金刀具的性能提供了工艺保证。
具体实施方式
实例1：
柄径∮3.175mm立铣刀，全长38mm，材质：硬质合金。经除油、超声波清洗、烘干后，立式放入真空室中的盘式夹具上。抽真空，真空度达到1×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗刀具表面3分钟，轰击偏压从401V降至248V，电流保持在60A，镀膜时间32分钟，关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1小时20分钟后取出样品。经检测，刀具上镀制的Ti-Cr合金膜厚度1.35um。上述硬质合金刀具经丙酮清洗脱水后再放入化学气相沉积金刚石生长设备中进行金刚石涂层，即可得到具有Ti-Cr合金膜过渡层的硬质合金刀具。
实例2：
柄径∮2.5mm钻头全长38mm，材质：硬质合金。经除油、超声波清洗、烘干后，立式放入真空室中的盘式夹具上。抽真空，真空度达到1×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗刀具表面2.5分钟，轰击偏压从400V降至251V，电流保持在58A，镀膜时间35分钟，关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1小时30分钟后取出样品。经检测，刀具上镀制的Ti-Cr合金膜厚度1.63um。上述硬质合金刀具经丙酮清洗脱水后再放入化学气相沉积金刚石生长设备中进行金刚石涂层，即可得到具有Ti-Cr合金膜过渡层的硬质合金刀具。
实例3：
柄径∮3.175mm立铣刀，全长38mm，材质：硬质合金。经除油、超声波清洗、烘干后，立式放入真空室中的盘式夹具上。抽真空，真空度达到1×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗刀具表面2分钟，轰击偏压从395V降至250V，电流保持在59A，镀膜时间40分钟，关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1小时35分钟后取出样品。经检测，刀具上镀制的Ti-Cr合金膜厚度1.41um。上述硬质合金刀具经丙酮清洗脱水后再放入化学气相沉积金刚石生长设备中进行金刚石涂层，即可得到具有Ti-Cr合金膜过渡层的硬质合金刀具。

Claims (4)

1.一种硬质合金刀具镀膜方法，其特征在于所述方法如下，包括如下步骤：
1.1先在硬质合金刀具表面镀制Ti-Cr合金膜，作为镀制金刚石涂层的过渡层；
1.2上述硬质合金刀具经丙酮清洗脱水后，放入化学气相沉积金刚石生长设备中进行金刚石涂层。
2.根据权利要求1所述的一种硬质合金刀具镀膜方法，其特征在于，所述步骤1.1Ti-Cr合金膜镀制方法如下：
2.1Ti-Cr合金靶材的制备：Ti采用高纯海绵钛(纯度99.99％)，Cr选用高纯铬(纯度99.99％)，合金成分为：Ti质量百分比70-80％，Cr质量百分比20-30％，Ti和Cr进行真空冶炼得到合金锭，然后按尺寸要求加工成Ti-Cr合金靶材；
2.2用物理气相沉积方法镀膜：把经超声波清洗的硬质合金刀具放入物理气相沉积设备的真空室，抽真空达到1×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具表面2-3分钟，轰击偏压从400V降至250V，弧电源保持在60A，镀膜时间30-40分钟，关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1.5小时后取出样品；这样，在硬质合金刀具表面就镀制了一层厚度为1-2um的Ti-Cr合金膜。
3.一种硬质合金刀具，其特征在于：所述硬质合金刀具的表面镀有Ti-Cr合金膜过渡层，在Ti-Cr合金膜过渡层上镀有金刚石涂层。
4.根据权利要求3所述的一种硬质合金刀具，其特征在于：所述Ti-Cr合金膜过渡层厚度为1-2um。
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