CN102226263B

CN102226263B - 刀具及其制造方法

Info

Publication number: CN102226263B
Application number: CN 201110144780
Authority: CN
Inventors: 王国伟; 李靖; 刘以亮; 郭向阳; 叶体章
Original assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Engineering Co Ltd
Current assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: CN102226263A

Abstract

本发明涉及一种刀具及其制造方法，该刀具包括刀具本体以及刀刃；该刀具的制造方法，包括以下步骤：S1：通过离子注入方法在刀具的刀刃近表面和表面形成注入层；S2：在所述注入层的表面通过多弧离子镀方法沉积至少一层硬质的沉积层。本发明通过离子注入的方法形成注入层，极大地改善刀具材料的表面性能，增加刀刃的硬度、强度及耐摩擦性能；然后通过多弧离子镀形成硬质的沉积层，沉积层与刀具材料表面的注入层紧密结合，结合强度较高，生产加工时不会脱落而影响加工效率和效果，可满足更高、更苛刻的环境要求。

Description

刀具及其制造方法

技术领域

本发明涉及刀具加工领域，更具体地说，涉及一种刀具及其制造方法。

背景技术

目前，切削不锈钢材料的切削刀具具有较高的强度要求，由于刀具与不锈钢材料之间的持续摩擦产生的切削废热，导致切削刃粘结、刀具磨损严重，产生加工硬化，且易产生屑瘤，不易断屑，这些因素会影响普通刀具切削精度和使用寿命，同时普通刀具不能高速高质量地切削不锈钢。现有技术中，常通过物理沉积和化学沉积的方法在刀具上涂制硬质涂层，这种方法在一定程度上能够提高刀具的强度、硬度、耐摩擦磨损性能以及使用寿命，然而，这类膜层疏松多孔，力学性能稍差，膜基结合强度低，而所述的切削用刀具对涂层与基体之间的结合力要求较高，一旦两者之间结合力不够，则容易出现涂层脱落，影响刀具的使用寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术是通过物理沉积和化学沉积的方法在刀具上涂制硬质涂层，该涂层与刀具基体之间由于结合力较低导致基体上附着的涂层容易脱落从而影响刀具性能并降低其使用寿命这一缺陷，提供一种刀具及其制造方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种刀具，包括刀具本体以及刀刃，将原子注入所述刀刃近表面和表面形成厚度h的注入层，在所述注入层的表面沉积有至少一层硬质的沉积层。

本发明一种刀具，优选的，所述注入层的厚度h为50-500nm。

本发明一种刀具，优选的，所述沉积层的厚度为2μm-15μm。

本发明还提供一种刀具的制造方法，包括以下步骤：

S1：通过离子注入方法将原子注入刀具的刀刃近表面和表面形成注入层；

S2：在所述注入层的表面通过多弧离子镀方法沉积至少一层硬质的沉积层。

本发明一种刀具的制造方法，优选的，在所述步骤S1中，离子注入过程的电压为-10～-45kV，脉冲高压的频率为100～500Hz，脉冲宽度为5～50μs，气压为0.1Pa～1.2Pa，离子注入时间为10～120min。

本发明一种刀具的制造方法，优选的，在所述步骤S2中，多弧离子镀过程的脉冲偏压为-50～-1000V，脉冲偏压占空比10％-70％，电弧弧流40～80A，电弧弧压5-40V，Ar与N₂气体流量比为1∶20～10∶20，气体压强0.6～1.6Pa，沉积时间10～120min。

本发明一种刀具的制造方法，优选的，所述注入层的材料为TiN。

本发明一种刀具的制造方法，优选的，所述沉积层的材料为TiN、TiC、TiNC或TiAlN。

本发明一种刀具的制造方法，优选的，所述沉积层的材料为Al、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W的氮化物或碳化物。

本发明一种刀具的制造方法，优选的，所述刀具本体的材料为硬质合金、金属材料、非金属材料、或者复合材料。

本发明可达到以下有益效果：通过离子注入的方法形成注入层，极大地改善刀具材料的表面性能，增加刀刃的硬度、强度及耐摩擦性能；然后通过多弧离子镀沉积至少一层硬质的沉积层，沉积层与刀具材料表面的注入层紧密结合，因沉积层与刀刃不直接接触，同时注入层与沉积层可以为同种物质，所以结合强度较高，生产加工时不会脱落而影响加工效率和效果，可满足更高、更苛刻的环境要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的刀具的结构示意图；

附图标号说明：

1、刀刃 10、刀刃界面

11、注入层 111、近表面

112、表面 2、沉积层

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供一种刀具，用于切削不锈钢、铝、铝合金、镍以及其他有色金属或非金属，该刀具包括刀具本体、刀刃1以及钻头等切削工具，通过离子注入方法在刀刃1的近表面111和表面112区域形成厚度h的注入层11，该注入层11极大地改善刀具材料的表面性能，增加刀刃1的硬度、强度及耐摩擦性能；然后在注入层11的表面通过多弧离子镀方法沉积一层或多层硬质的沉积层2，沉积层2与刀刃表面112的注入层11紧密结合，因沉积层2不直接与刀刃1结合，同时注入层11与沉积层2可以为同种物质，所以结合强度较高，生产加工时不会脱落而影响加工效率和效果。

作为优选，注入层11的厚度h为50-500nm，注入层11内刀具材料的原子与所注入的原子之间紧密结合，结合强度较高。厚度h与刀具的刀刃1材料有密切关系，可以选取50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm。

作为优选，为了保证表面改性后的刀具能够满足工业生产要求，沉积层2的厚度为2μm-15μm。可以选取5μm、10μm、12μm、15μm。

进一步的，该注入层11中的原子优选为TiN。

沉积层2的材料可以为TiN、TiC、TiNC或TiAlN；也可以为Al、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W的氮化物或碳化物。沉积层2的数量可以为一层、两层、或者多层。作为优选，沉积层2的材料为TiN。

基于上述刀具的结构改进，本发明还提供一种刀具的制造方法，包括以下步骤：S1：通过离子注入方法在刀刃1的近表面111和表面112区域形成注入层11；S2：在注入层11的表面112通过多弧离子镀方法沉积硬质的沉积层2。如图1所示，刀刃1的近表面111区域是位于刀刃1内层，刀刃1的表面112区域是位于刀刃1外侧，近表面11与表面112的分界面为刀刃界面10。

作为优选，表面改变硬度性能后的刀具能够满足工业生产要求，沉积层2的厚度为2μm-15μm。可以选取5μm、10μm、12μm、15μm。

进一步的，该注入层11中的原子优选为TiN。沉积层2的材料可以为TiN、TiC、TiNC或TiAlN；也可以为Al、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W的氮化物或碳化物；沉积层2的数量可以为一层、两层、或者多层。作为优选，沉积层2的材料为TiN。

具体的，在步骤S1中，离子注入过程参数如下：电压为-10～-45kV，可以选取-10kV、-20kV、-25kV、-30kV或者-40kV；脉冲高压的频率为100～500Hz，脉冲宽度为5～50μs；离子注入过程中气压为0.1～1.2Pa；离子注入时间为10-120min，可以选取30min、60min、90min、120min。

进一步的，离子注入过程中电压优选-35～-45kV；脉冲高压的频率优选为250～475Hz；脉冲宽度优选的35～45μs；气压优选为0.76～1.1Pa；离子注入时间优选为90～120min。

在步骤S2中，多弧离子镀过程参数如下：脉冲偏压为-50～-1000V，脉冲偏压占空比10％-70％，电弧弧流40～80A，电弧弧压5-40V，Ar与N₂气体流量比为1∶20～10∶20 sccm(standard-state cubic centimeter per minute)，气体压强0.6～1.6Pa，沉积时间10～120min。

进一步的，多弧离子镀过程中脉冲偏压优选为-860～-1000V，脉冲偏压占空比优选为65％-70％，电弧弧流优选为55～75A，电弧弧压优选为30-40V，Ar与N₂气体流量比优选为1∶10～10∶30sccm，气体压强优选为0.1～1.6Pa，沉积时间优选为80～120min。

本发明将硬质合金离子注入刀刃1表面112和近表面111形成注入层11，极大地改善刀具材料的表面性能，增加刀刃1的硬度、强度及耐摩擦性能；然后通过多弧离子镀沉积一层或多层硬质的沉积层2，沉积层2与刀刃1的注入层11紧密结合，因沉积层2与刀刃1不直接接触，同时注入层11与沉积层2可以为同种物质，所以结合强度较高，生产加工时不会脱落而影响加工效率和效果，可满足更高、更苛刻的环境要求。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种刀具的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过离子注入方法将原子注入刀具的刀刃近表面并在所述近表面形成注入层；

S2：在所述注入层的表面通过多弧离子镀方法沉积至少一层硬质的沉积层；

其中，所述注入层的材料为TiN；

所述沉积层的材料为TiN、TiC、TiNC或TiA1N；

或者，所述沉积层的材料为Al、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W的氮化物或碳化物；

在所述步骤S1中，离子注入过程的电压为-10～-45kV，脉冲高压的频率为100～500Hz，脉冲宽度为5～50μs，气压为0.1Pa～1.2Pa，离子注入时间为10～120min；

在所述步骤S2中，多弧离子镀过程的脉冲电压为-50～-1000V，脉冲偏压占空气比10%～70%，电弧弧流40～80A，电弧弧压5～40V，Ar与N₂气体流量比为1:20～10:20，气体压强0.6～1.6Pa，沉积时间10～120min。

2.根据权利要求1所述的刀具的制造方法，其特征在于，所述刀具本体的材料为金属材料、非金属材料、或者复合材料。