CN102517546B

CN102517546B - 一种耐磨刀具的加工方法

Info

Publication number: CN102517546B
Application number: CN2011104564457A
Authority: CN
Inventors: 李宣秋; 宋文龙; 徐长重; 冯西友; 李乃柱; 张亮; 吕文彬; 宋润州; 郑建新
Original assignee: Shantui Chutian Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Shantui Chutian Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: CN102517546A

Abstract

本发明公开了一种耐磨刀具的加工方法，包括步骤：前处理；对刀具基体进行离子清洗；利用多弧离子镀在刀具基体表面沉积Ti过渡层；利用多弧离子镀在Ti过渡层上沉积TiN底层；利用非平衡磁控溅射在TiN底层上沉积TiN层。本发明由于采用多弧离子镀和非平衡磁控溅射复合沉积制备的涂层的方式，可显著提高涂层的强度和韧性，使刀具具有更好的耐冲击性和抗磨损性，有效提高了机械工程装置中的刀具的使用寿命。

Description

一种耐磨刀具的加工方法

技术领域

本发明涉及工程机械加工技术领域，特别涉及一种耐磨刀具的加工方法。

背景技术

工程机械属于土石方作业机械，能够独立完成各种复杂的土方工作，目前应用非常广泛，在国民建设过程中发挥着重要作用。

工程机械作业过程属于循环作业，每个循环作业需要完成一系列切土、铲土、运土等工序。在整个作业过程中，工作装置受力非常复杂，包括切削阻力、铲刀切削刃与地面摩擦阻力等。我国幅员辽阔，土壤种类和性能差异很大，有粘聚力比较大的粘土，也有硬度很高的岩土。在各种恶劣的工作环境和条件下工作时，工程机械工作装置受到严重的冲击与摩擦，导致工作装置尤其是与土壤直接作用的铲刀较易磨损，降低了装置的使用寿命。通常为了提高工作装置的耐磨性，减少更换次数，采用新型的特种耐磨合金钢板并进行特殊的热处理工艺，但是效果仍不甚理想。

综上所述，如何提供一种工程机械的耐磨刀具的生产方法，以提高刀具的使用寿命，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐磨刀具的加工方法，以提高刀具的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明提供了

一种耐磨刀具的加工方法，包括步骤：

1)前处理；

2)对刀具基体进行离子清洗；

3)利用多弧离子镀在刀具基体表面沉积Ti过渡层；

4)利用多弧离子镀在Ti过渡层上沉积TiN底层；

5)利用非平衡磁控溅射在TiN底层上沉积TiN层。

优选地，上述的耐磨刀具的加工方法中，所述步骤2)具体包括以下步骤：

21)向镀膜机内通Ar气，使压力达到第一预设压力，开启偏压电源，使偏压保持第一电压，且占空比为第一占空比，辉光放电清洗第一清洗时间；

22)将偏压电源的偏压调到第二电压，开启离子源，离子清洗第二清洗时间；

23)开启Ti靶电流，保持第一电流并将偏压电源的电压降至第三电压，使离子轰击Ti靶第一工作时间。

优选地，上述的耐磨刀具的加工方法中，所述第一预设压力为1.5Pa，所述第一电压为800V，所述第一占空比为0.6，所述第一清洗时间为30min；

所述第二电压为700V，所述第二清洗时间为30min；

所述第一电流为50A，所述第三电压为600V，离子轰击Ti靶的所述第一工作时间为5min。

优选地，上述的耐磨刀具的加工方法中，所述步骤3)具体包括以下步骤：

31)调节Ar气使镀膜机内的压力达到第二预设压力，将偏压电源的电压降低到第四电压，调整镀膜机内的温度为第一沉积温度，调节Ti靶电流为第二电流，利用多弧离子镀在刀具基体上镀第一时间的Ti过渡层；

32)升高Ti靶电流为第三电流时，继续在Ti过渡层上镀第二时间的Ti过渡层，最终在刀具基体上形成Ti过渡层。

优选地，上述的耐磨刀具的加工方法中，所述第二预设压力为0.5-0.6Pa，所述第四电压为500V，所述第一沉积温度为160℃，所述第二电流为60A，所述第一时间为2-3min；

所述第三电流为70A，所述第二时间为2-3min。

优选地，上述的耐磨刀具的加工方法中，所述步骤4)具体包括以下步骤：

41)调节Ar气使镀膜机内的压力达到第三预设压力，将偏压电源的电压降低到第四电压，并将Ti靶电流的电流调节到第三电流，占空比设置为第二占空比，开启N₂，保证N₂的气压为沉积压力，调整镀膜机内的温度降为第二沉积温度，对Ti过渡层沉积第一沉积时间的TiN层；

42)将Ti靶电流调节到第四电流，沉积第二沉积时间的TiN层；

43)将Ti靶电流调节到第五电流，沉积第三沉积时间的TiN层，最终在Ti过渡层表面形成TiN底层。

优选地，上述的耐磨刀具的加工方法中，所述第三预设压力为0.6Pa，所述第四电压为400V，所述第三电流为70A，所述第二占空比为0.4，所述沉积压力为1.0Pa，所述第二沉积温度为170～180℃，第一沉积时间为20min；

所述第四电流为80A，所述第二沉积时间为20min；

所述第五电流为90A，所述第三沉积时间为20min。

优选地，上述的耐磨刀具的加工方法中所述步骤5)具体包括以下步骤：

51)将占空比调整为第三占空比，关闭Ti靶电流，开启非平衡磁控溅射靶电流，并将电流设置为第一工作电流，在TiN底层上沉积第一预设时间的TiN层；

52)将占空比降至第四占空比，非平衡溅射沉积TiN层第二预设时间；

53)将占空比降至第五占空比，非平衡溅射沉积TiN层第三预设时间；

54)将占空比降至第六占空比，非平衡溅射沉积TiN层第四预设时间；

55)将占空比降至第七占空比，非平衡溅射沉积TiN层第五预设时间，最终在TiN底层表面形成TiN层。

优选地，上述的耐磨刀具的加工方法中，所述第三占空比为0.6，所述第一工作电流为45A，所述第一预设时间为10min；

所述第四占空比为0.5，所述第二预设时间为10min；

所述第五占空比为0.4，所述第三预设时间为10min；

所述第六占空比为0.3，所述第四预设时间为10min；

所述第七占空比为0.2，所述第五预设时间为10min。

优选地，上述的耐磨刀具的加工方法中，所述步骤1)具体为：对刀具基体表面进行喷砂和打磨处理，再用高压气枪清洗刀具基体的表面，然后放入镀膜机，将镀膜机内部抽至压力为9.0×10^-3Pa，并加热到160℃，保温30～40min。

本发明所提供的一种耐磨刀具的加工方法，包括前处理，即对刀具基体的表面进行初步的处理，使满足后续加工的要求，然后对处理后的刀具基体进行离子清洗，并在清洗后的刀具基体表面沉积Ti过渡层，通过多弧离子镀在Ti过渡层表面形成TiN底层，然后利用非平衡磁控溅射在TiN底层上沉积TiN层，最后关闭各种电源、离子源和气体源，涂层结束。本发明由于采用多弧离子镀和非平衡磁控溅射复合沉积制备的涂层的方式，可显著提高涂层的强度和韧性，使刀具具有更好的耐冲击性和抗磨损性，有效提高了机械工程装置中的刀具的使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的耐磨刀具的加工方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种离子清洗的方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种利用多弧离子镀在刀具基体表面沉积Ti过渡层的方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种利用多弧离子镀在Ti过渡层上沉积TiN底层的方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的一种利用非平衡磁控溅射在TiN底层上沉积TiN层的方法的流程图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词总结如下：

多弧离子镀：是一种改进的真空电弧离子镀技术，通过外加的磁场改善电弧放电的状态，使弧斑细化并改善阴极靶刻蚀情况，提高了束流的米芾和定向性，减少熔滴密度，进一步提高沉积速率、涂层质量以及附着性能。该方法具有沉积速度快、效率高、涂层均匀、涂层基体结合强度高的优点。

磁控溅射沉积：是一种脉冲非平衡磁控溅射方法，具有可以制备大面积、多组分、致密、高质量的涂层的优点。

本发明核心是提供一种耐磨刀具的加工方法，以提高刀具的使用寿命。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明提供的耐磨刀具的加工方法的流程图。

本发明提供了一种耐磨刀具的加工方法，包括以下步骤：

步骤S1：前处理；

在对刀具基体进行镀膜前，需要对刀具基体的表面进行初步的处理。对刀具基体表面进行喷砂和打磨处理，使刀具基体的表面的粗糙度满足镀膜的要求；用高压气枪清洗刀具基体的表面，以清除刀具基体表面的油污和其他附着物；然后将刀具基体放入到镀膜机，将镀膜机内部抽至一定压力，并对镀膜机进行加热，保温，以保证镀膜前镀膜机内部的镀膜环境(真空度和温度)。

在将刀具基体放入镀膜机后将镀膜机内部抽真空至9.0×10^-3Pa，并加热到160℃，保温30～40min。

步骤S2：对刀具基体进行离子清洗；

为了提高刀具基体表面质量以提高刀具基体与沉积层的结合强度，需要对刀具基体表面存在的有机或者无机污染物进行清洗，使刀具基体表面的清洁度达到需要的标准。鉴于此，本发明实施例中进行了离子清洗，通过离子清洗对刀具基体表面的有机或者无机污染物进行吸附。

步骤S3：利用多弧离子镀在刀具基体表面沉积Ti过渡层；

在刀具基体与涂层间设有Ti过渡层，可以减小残余应力，进而增强涂层与基体的结合强度。

步骤S4：利用多弧离子镀在Ti过渡层上沉积；

通过多弧离子镀沉积TiN底层，提高涂层与刀具基体之间的结合性能，增加涂层的厚度，延长涂层的使用寿命。

步骤S5：利用非平衡磁控溅射在TiN底层上沉积TiN层；

表面涂层为非平衡磁控溅射的TiN层，以增加涂层的致密性，提高涂层的硬度和强度，进一步延长涂层的使用寿命，从而提高刀具的使用寿命。

本发明通过采用多弧离子镀和非平衡磁控溅射复合沉积涂层的制备方法，其中，多弧离子镀沉积能够提高沉积速率、涂层质量以及附着性能，增加了涂层的厚度；非平衡磁控溅射沉积能够提高涂层的硬度和强度。同时采用这两种方法，可显著提高涂层的强度和韧性，使刀具基体有更好的耐冲击性和抗磨损性，进而提高刀具的使用寿命。

请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种离子清洗的方法的流程图。

本发明实施例中提供了一种对刀具基体进行离子清洗的方法，具体的包括以下步骤：

步骤S21：辉光放电清洗；

向镀膜机内通Ar气，使压力达到第一预设压力，开启偏压电源，使偏压保持第一电压，且占空比为第一占空比，辉光放电清洗第一清洗时间。

由于刀具基体的表面可能存在有机或无机污染物，通过普通的清洗是不能达到要求的，因此，本发明提供了离子清洗。向镀膜机内通惰性气体，优选的为Ar气也可以为N₂气，当达到需要的第一预设压力时，开启偏压电源，并保持第一电压，调整占空比为第一占空比，在这种条件下，Ar气轰击刀具基体的表面，在基体表面发生离子交换，从而使有机或无机污染物离开刀具基体表面。

步骤S22：离子清洗；

将偏压电源的偏压调到第二电压，开启离子源，离子清洗第二清洗时间。为了提高沉积层与刀具基体的结合强度，需要刀具基体的表面质量非常高，于是本发明还利用离子源对刀具基体进行离子清洗，将没有被辉光放电清洗掉的污染物进行清除。

步骤S23：离子轰击Ti靶。

开启Ti靶电流，保持第一电流并将偏压电源的电压降至第三电压，使离子轰击Ti靶第一工作时间。清洗完刀具基体后，开启Ti靶电流，并保持第一电流同时将偏压电源的电压调到第三电压，利用离子轰击Ti靶第一工作时间。

本发明实施例中，将第一预设压力设为1.5Pa，第一电压设为800V，第一占空比设为0.6，第一清洗时间设为30min。向镀膜机内通Ar气，使镀膜机内的压力达到1.5Pa，然后开启偏压电源，并将电压调为800V，调整占空比为0.6，通过辉光放电对刀具基体表面进行清洗30min。

将第二电压设为700V，第二清洗时间设为30min。将偏压电源的电压调到700V，然后开启离子源对经过辉光放电清洗后的刀具基体进行离子清洗30min。

将第一电流设为50A，第三电压设为600V，第一工作时间设为5min。开启多弧离子镀将Ti靶电流调整到50A，调节偏压电源的电压到600V，利用离子轰击Ti靶5min。

请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种利用多弧离子镀在刀具基体表面沉积Ti过渡层的方法的流程图。

本发明实施例提供了一种利用多弧离子镀在刀具基体表面沉积Ti过渡层的方法，具体包括以下步骤：

S31：利用多弧离子镀镀第一Ti过渡层；

调节Ar气使镀膜机内的压力达到第二预设压力，将偏压电源的电压降低到第四电压，调整镀膜机内的温度为第一沉积温度，调节Ti靶电流为第二电流，利用多弧离子镀在刀具基体上镀第一时间的Ti过渡层。调整镀膜机内的条件，使满足多弧离子镀在刀具基体上镀Ti过渡层的要求。

S32：利用多弧离子镀镀第二Ti过渡层；

升高Ti靶电流为第三电流时，继续在Ti过渡层上镀Ti镀第二时间过渡层，在刀具基体上形成Ti过渡层。升高Ti靶电流其他条件不变，在已经形成的Ti过渡层表面继续沉积Ti过渡层。通过分层沉积Ti过渡层可减少Ti过渡层与刀具基体在沉积过程中的热变形。

本发明提供的实施例中将第二预设压力设为0.5-0.6Pa，第四电压设为500V，第一沉积温度设为160℃，第二电流设为60A，第一时间设为2-3min。调整镀膜机内Ar气，将镀膜机内部的压力调整为0.5-0.6Pa，将偏压电源的电压降至500V，设置镀膜机内的温度为160℃，并将Ti靶电流设为60A，在这种条件下通过多弧离子镀对刀具基体表面镀2-3min的Ti过渡层。

将第三电流为70A，第二时间设为2-3min，调整Ti靶电流设为60A，其他条件不变，在已经形成的Ti过渡层表面继续沉积Ti过渡层。

请参考图4，图4为本发明实施例提供的一种利用多弧离子镀在Ti过渡层上沉积TiN底层的方法的流程图。

本发明提供了一种利用多弧离子镀在Ti过渡层上沉积TiN底层的方法，具体的包括以下步骤：

S41：沉积第一层TiN底层；

调节Ar气使镀膜机内的压力达到第三预设压力，将偏压电源的电压降低到第四电压，并将Ti靶电流的电流调节到第三电流，占空比设置为第二占空比，开启N₂，保证N₂的气压为沉积压力，调整镀膜机内的温度降为第二沉积温度，对Ti过渡层沉积第一沉积时间的TiN底层。

调整镀膜机内的参数，使满足多弧离子镀在Ti过渡层上沉积TiN底层的要求然后开启N₂，并保证N₂的气压为沉积压力，将镀膜机内的温度降到第二沉积温度，然后在Ti过渡层表面沉积第一沉积时间的TiN底层。

S42：沉积第二层TiN底层；

将Ti靶电流调节到第四电流，沉积第二沉积时间的TiN底层。

其他参数不变，调整Ti靶电流，在已经沉积的TiN层表面继续沉积TiN层。通过调整Ti靶电流使电流值渐变，这样使刀具基体上的TiN层逐层附着，这样可以降低刀具基体与沉积涂层之间的残余应力。

S43：沉积第三层TiN底层。

将Ti靶电流调节到第五电流，沉积第三沉积时间的TiN底层，最终在Ti过渡层表面形成TiN底层。

调整Ti靶电流，继续沉积TiN底层。

本发明将第三预设压力设为0.6Pa，第四电压设为400V，第三电流设为70A，第二占空比设为0.4，第二沉积温度设为170～180℃，第一沉积时间设为20min。调整镀膜机内的Ar气使镀膜机内的压力达到第三预设压力0.6Pa，调整偏压电源的电压将电压降低到400V，将Ti靶电流调节到70A，占空比设为0.4，然后开启N₂气，并将N₂气的压力调整为1.0Pa，将镀膜机内的沉积温度调整到170～180℃，在这种条件下利用多弧离子镀在刀具基体上沉积TiN底层。

将第四电流设为80A，第二沉积时间设为20min。保证其他参数不变，将Ti靶电流调整为80A，然后在已经沉积的TiN底层的表面继续沉积20min的TiN底层。

将第五电流设为90A，第三沉积时间设为20min。将Ti靶电流调整为90A，继续沉积20min的TiN底层。

请参考图5，图5为本发明实施例提供的一种利用非平衡磁控溅射在TiN底层上沉积TiN层的方法的流程图。

本发明提供了一种利用非平衡磁控溅射在TiN底层上沉积TiN层的方法，具体包括以下步骤：

S51：沉积第一层TiN层；

将占空比调整为第三占空比，关闭Ti靶电流，开启非平衡磁控溅射靶电流，并将电流设置为第一工作电流，在TiN底层上沉积第一预设时间的TiN层。

调整占空比，关闭Ti靶电流，然后开启非平衡磁控溅射靶电流，并将非平衡磁控溅射靶电流的值设为第一工作电流，在TiN底层表面沉积一段时间的TiN层。

S52：沉积第二层TiN层；

将占空比降至第四占空比，非平衡溅射沉积TiN层第二预设时间。

S53：沉积第三层TiN层；

将占空比降至第五占空比，非平衡溅射沉积TiN层第三预设时间。

S54：沉积第四层TiN层；

将占空比降至第六占空比，非平衡溅射沉积TiN层第四预设时间。

S55：沉积第五层TiN层。

将占空比降至第七占空比，非平衡溅射沉积TiN层第五预设时间，最终在TiN底层表面形成TiN层。

通过上述步骤可知，本发明调整不同的占空比，使TiN层逐层附着，这样可以降低涂层和刀具基体之间的残余应力，同时增加涂层的厚度，以提高刀具基体的使用寿命。

本发明提供的实施例中将第一工作电流设为45A，第三占空比设为0.6，第一预设时间设为10min。其它参数不变，将占空比设为0.6，然后关闭多弧靶电流，开启非平衡磁控溅射靶电流并调整为45A，沉积TiN层10min。

改变占空比为0.5非平衡磁控溅射TiN层10min。

改变占空比为0.4非平衡磁控溅射TiN层10min。

改变占空比为0.3非平衡磁控溅射TiN层10min。

改变占空比为0.2非平衡磁控溅射TiN层10min。

本发明通过将占空比的变化设为梯度变化，使涂层逐层附着，降低了涂层与基体之间的残余应力，减小了刀具基体沉积过程中的热变形。从而提高刀具基体的耐磨性，降低对特种钢板的依赖，提高了刀具的使用寿命。

在最后将上述用到的偏压电源、非平衡磁控溅射电源、离子源和气体源都关闭，涂层结束。

以上对本发明所提供的耐磨刀具的加工方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种耐磨刀具的加工方法，其特征在于，包括步骤：

1）对刀具基体表面进行前处理；

2）对刀具基体表面进行离子清洗；

3）利用多弧离子镀在刀具基体表面沉积Ti过渡层；

4）利用多弧离子镀在Ti过渡层上沉积TiN底层；

5）利用非平衡磁控溅射在TiN底层上沉积TiN层；

其中，所述步骤3）具体包括：

31）调节Ar气使镀膜机内的压力达到第二预设压力，将偏压电源的电压降低到第四电压，调整镀膜机内的温度为第一沉积温度，调节Ti靶电流为第二电流，利用多弧离子镀在刀具基体上镀第一时间的Ti过渡层；

32）升高Ti靶电流为第三电流时，继续在Ti过渡层上镀第二时间的Ti过渡层，最终在刀具基体上形成Ti过渡层；

所述步骤4）具体包括：

41）调节Ar气使镀膜机内的压力达到第三预设压力，将偏压电源的电压降低到第四电压，并将Ti靶电流的电流调节到第三电流，占空比设置为第二占空比，开启N2，保证N2的气压为沉积压力，调整镀膜机内的温度降为第二沉积温度，对Ti过渡层沉积第一沉积时间的TiN层；

42）将Ti靶电流调节到第四电流，沉积第二沉积时间的TiN层；

43）将Ti靶电流调节到第五电流，沉积第三沉积时间的TiN层，最终在Ti过渡层表面形成TiN底层。

2.根据权利要求1所述的耐磨刀具的加工方法，其特征在于，所述步骤2）具体包括以下步骤：

21）向镀膜机内通Ar气，使压力达到第一预设压力，开启偏压电源，使偏压保持第一电压，且占空比为第一占空比，辉光放电清洗第一清洗时间；

22）将偏压电源的偏压调到第二电压，开启离子源，离子清洗第二清洗时间；

23）开启Ti靶电流，保持第一电流并将偏压电源的电压降至第三电压，使离子轰击Ti靶第一工作时间。

3.根据权利要求2所述的耐磨刀具的加工方法，其特征在于，所述第一预设压力为1.5Pa，所述第一电压为800V，所述第一占空比为0.6，所述第一清洗时间为30min；

所述第二电压为700V，所述第二清洗时间为30min；

4.根据权利要求1所述的耐磨刀具的加工方法，其特征在于，所述第二预设压力为0.5-0.6Pa，所述第四电压为500V，所述第一沉积温度为160℃，所述第二电流为60A，所述第一时间为2-3min；

所述第三电流为70A，所述第二时间为2-3min。

5.根据权利要求1所述的耐磨刀具的加工方法，其特征在于，所述第三预设压力为0.6Pa，所述第四电压为400V，所述第三电流为70A，所述第二占空比为0.4，所述沉积压力为1.0Pa，所述第二沉积温度为170～180℃，第一沉积时间为20min；

所述第四电流为80A，所述第二沉积时间为20min；

所述第五电流为90A，所述第三沉积时间为20min。

6.根据权利要求1所述的耐磨刀具的加工方法，其特征在于，所述步骤5）具体包括以下步骤：

51）将占空比调整为第三占空比，关闭Ti靶电流，开启非平衡磁控溅射靶电流，并将电流设置为第一工作电流，在TiN底层上沉积第一预设时间的TiN层；

52）将占空比降至第四占空比，非平衡溅射沉积TiN层第二预设时间；

53）将占空比降至第五占空比，非平衡溅射沉积TiN层第三预设时间；

54）将占空比降至第六占空比，非平衡溅射沉积TiN层第四预设时间；

55）将占空比降至第七占空比，非平衡溅射沉积TiN层第五预设时间，最终在TiN底层表面形成TiN层。

7.根据权利要求6所述的耐磨刀具的加工方法，其特征在于，所述第三占空比为0.6，所述第一工作电流为45A，所述第一预设时间为10min；

所述第四占空比为0.5，所述第二预设时间为10min；

所述第五占空比为0.4，所述第三预设时间为10min；

所述第六占空比为0.3，所述第四预设时间为10min；

所述第七占空比为0.2，所述第五预设时间为10min。

8.根据权利要求1-7任一项所述的耐磨刀具的加工方法，其特征在于，所述步骤1）具体为：对刀具基体表面进行喷砂和打磨处理，再用高压气枪清洗刀具基体的表面，然后放入镀膜机，将镀膜机内部抽至压力为9.0×10-3Pa，并加热到160℃，保温30～40min。