CN103215544A

CN103215544A - 一种应用于挤压丝锥的涂层

Info

Publication number: CN103215544A
Application number: CN2013101410140A
Authority: CN
Inventors: 李固加
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明公开了一种应用于挤压丝锥的涂层，包括在丝锥的基材上由内至外的过渡层、功能层和自润滑层，所述过渡层是厚度为200～250nm的过渡金属Ti、Cr、Zr中至少一种的单质或氮化物或碳化物或氮碳化物的陶瓷相纳米晶结构，所述主功能层是厚度为2～3μm的TiAlCrN、CrN涂层相互交替组成的陶瓷相纳米晶结构复合层，所述自润滑层是厚度为2μm的WC/C。本发明提供一种应用于挤压丝锥的涂层，具有使丝锥具有更好的耐磨性、抗粘着性、高温抗氧化性和自润滑排它性，从而提高丝锥在钛合金加工的使用寿命，降低生产成本，可应用于电子、塑料行业中广泛使用的各种丝锥。

Description

一种应用于挤压丝锥的涂层

技术领域

本发明属于塑料成型设备技术领域，更具体涉及一种应用于挤压丝锥的涂层。

背景技术

挤压丝锥是利用金属塑性变形原理而加工内螺纹的一种新型螺纹刀具，挤压丝锥挤压内螺纹是无屑加工工艺，特别适用于强度较低、塑性较好的铜合金和铝合金，也可用于不锈钢和低碳钢等硬度低、塑性大的材料攻丝，寿命长。用挤压丝锥挤出的螺纹表面光洁度高，螺纹的金属纤维不断裂，并在表面形成一层冷硬层，可提高螺纹的强度和耐磨性。它从根本上解决了攻丝的排屑困难问题，因无屑，更有利于螺纹的装配。在电子，塑料行业应用广泛。

钛合金作为一种优良的耐腐蚀材料，并具备有强度和韧性等方面的优异使用性能，使之在机器零件及制药、化工设备等各个领域得到广泛的应用。但是，随着钛合金用量的不断增加，钛合金作为难切削材料的加工问题就日益突出。正是因为钛合金具有良好的塑性和一定的韧性及强度，所以导致加工硬化现象严重，易对刀具切削刀口造成损伤。由于它高温下强度高，热传导率低，因此切削温度高，对刀具磨损影响很大，正因它具有相当大的韧性和强度，延伸率大，故极易形成积屑瘤，加快刀具的损伤。这些情况对于钛合金加工，尤其是攻丝将会带来很大困难。

为了解决以上问题，现在国内外都在丝锥表面进行PVD（PhysicAl Vapor DeposiTion）涂层处理，如：TiN、TiCN、CrN等，以提供升丝锥的抗磨损性能，延长其使用寿命，这些涂层对提升丝锥的抗粘着及抗磨损能力成到了一定的作用，但还没有根本解决这个问题，特别在钛合金加工方面。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种应用于挤压丝锥的涂层，通过在丝锥表面镀上一层具有抗高温、高硬度、摩擦系数低自润滑的本发明的涂层，从而使丝锥具有更好的耐磨性、抗粘着性、高温抗氧化性和自润滑排它性，从而提高丝锥在钛合金加工的使用寿命，降低生产成本。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种应用于挤压丝锥的涂层，包括在丝锥的基材上由内至外的过渡层、功能层和自润滑层，所述过渡层是过渡金属中至少一种的单质或氮化物或碳化物或氮碳化物的陶瓷相纳米晶结构，所述主功能层是TiAlCrN、CrN涂层相互交替组成的陶瓷相纳米晶结构复合层，所述自润滑层是WC/C。

更优的，所述过渡层的厚度为200～250nm。

更优的，所述过渡金属包括Ti、Cr、 Zr。

更优的，所述主功能层的厚度为2～3μm。

更优的，所述主功能层的陶瓷相纳米晶复合层的纳米晶体粒的直径小于5nm。

更优的，所述自润滑层的厚度为1～2μm。

采用上述技术方案后，其有益效果是：

1.与现有的TiN、TiCN、TiAlN等普通涂层相丝锥相比，本发明所制作的丝锥，加工钛合金使用寿命可延长2-3倍；

2.本发明生产的丝锥，涂层跟丝锥基材为冶金结合，具有很好的附着力，在使用过种中不会产生脱落；

3.本发明生产的陶瓷相纳米晶复合涂层具有HV4500的显微硬度，而普通的TiN、TiCN、TiAlN等涂层只有HV2000-2800的显微硬度，本发明的涂层具有很高的硬度，因此具有很强的耐磨性，从而解决了丝锥不耐磨的难题；

4.本发明生产的陶瓷相纳米晶复合涂层，是一种陶瓷相的纳米晶，颗粒小，涂层厚度高达4-5μm，涂层中含有抗高温氧化性能的Al、Cr元素，可以抵挡在加工过程中产生的高温氧化，从而使丝锥有极高加工红硬性和韧性；

5.本发明生产的陶瓷相纳米晶复合涂层的最外层摩擦系数很低，只有0.1左右，可以大幅减少丝锥攻丝过种与被加工材料之间的磨损，同时有利于提高刀具加工效率；

6.主功能层中的陶瓷相纳米晶复合层的纳米晶体粒的直径小于5nm，硬度高、韧性好、抗高温和红硬性；

7.本发明的涂层是采用多弧离子磁控溅射技术生产，因而具有生产成本低的特点，可以大规模工业化生产，节能环保。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明制造的应用于挤压丝锥的涂层是一种全新的纳米晶多元素陶瓷相复合涂层，所用的丝锥是普通的工具钢、粉末高速钢或硬质合金材料所做成，是在丝锥基材上由内至外以次是过度层、功能层（多金属元素的氮化物、碳化物、氮碳化物相互交错组成）、外层保护层。其中过渡层是厚度200-250nm的过渡金属Ti、Cr、Zr中的一种或多种的单质或氮化物或碳化物或氮碳化物的陶瓷相纳米晶结构过渡层，主功能层是2-3μm厚TiAlCrN、CrN涂层相互交替组成的陶瓷相纳米晶结构,抗磨损、抗高温复合层，外层防护层是2μm厚的WC/C自润滑涂层，具有很好的自润滑抗粘着性。

所说的主功能层中的陶瓷相纳米晶结构涂层是Ti、Al、Cr金属的氮化物纳米晶体在工件表面复合形成的陶瓷相薄膜层，此纳米晶体粒的直径小于5nm，颗粒极小，由多层多元素交错形成的复合陶瓷相纳米晶涂层，有很好的致密性，极高的硬度、抗高温和红硬性，能成倍提高丝锥表面硬度和化学红硬性，达长延长使用寿命的目的。

本发明提供的应用于挤压丝锥的涂层的制造方法：先把常规材料的丝锥进行除油清洗，再烤干，装夹具后放在真空阴极电弧离子镀设备中，进行抽真空加热，加热温度设定在350-380度,当抽真空至5×10^-3Pa时,开始充入氩气进行辉光放电清洗,时间为30-45分钟,氩气清洗结束后,将清洗后的丝锥作为基材，在气压0.1～0.2Pa,温度350℃、偏压-200～-250V下,在基材上沉积厚度为200～250nm的Ti、Cr中的一种或多种的单质或氮化物的陶瓷相纳米晶结构过渡层；然后在气压0.4～0.5Pa、温度300℃、偏压-120～-150V偏压条件下交替沉积TiAlCrN 、CrN，即先沉积厚度为0.3μm的CrN，再沉积厚度为0.3μm的TiAlCrN，再沉积厚度为0.3μm的CrN，然后再沉积厚度为0.3μm的TiAlCrN，反复重复以上动作，直至主涂层厚度达2～3μm为至；最后在温度300℃，-180～-200V偏压条件下沉积1～2μm的WC/C润滑涂层

本发明是利用多弧离子磁控溅射技术（PVD法）在常规材料丝锥表面沉积陶瓷相纳米晶复合涂层，此涂层硬度高达HV4500，具有耐磨性好，化学红硬性好、涂层附着力强、抗高温性能好，无污染、环保等优点。对于解决目前丝锥加工钛合金材料不耐磨、寿命短是个最佳的选择。该技术是结合了蒸发与溅射技术而发展的一种PVD技术。在真空腔体内，衬底（要镀膜的基材）与蒸发源（金属靶材）施加一电场，当腔体压力适当时，蒸发源（金属靶材）与衬底之间会产生弧光放电离化金属靶材，在氩气情况下打开Ti、Cr金属靶材生成过渡层，过渡层结束后，充入氮气，调节氮气分压及占空比、弧流等参数，同时打开Ti、Cr、Al金属靶材，氮气离子跟金属离子产生化学反映生成金属氮化物TiAlCrN层，通过靶材溅射时间来控制膜层厚度，当TiAlCrN涂层达到0.3μm厚度后，关掉Ti、Al靶材，只有氮气跟Cr发生反映生成CrN涂层，当CrN涂层达到0.3μm厚度后，又打开Ti、Al靶材，如此反复，最终达到理想厚度2-3μm的多元素交替形成的多层纳米晶陶瓷相结构的复合涂层,最后关闭Ti、Al、Cr金属靶材及氮气，打开W靶材，充入C₂H₂,形成WC/C抗粘着自润滑层。

实施例1：

将普通丝锥超声波除油除蜡清洗干净，烘干，置于自主研制VAST-P800型涂层设备腔体内，加热抽真空至5×10^-3，基材温度350度，通入氩气，使氩气气压维持在0.1 Pa，基材偏压在800～900V之间，进行辉光放电清洗,时间为45分钟。氩气清洗结束后, 在0.1Pa气压下,基材温度350度,-250V偏压下,在基材上沉积200纳米厚的Cr层过渡层。然后，关闭氩气，充入氮气，氮气分压在0.5Pa、温度300度，-150V偏压条件下打开TiAl(合金靶)和Cr靶，沉积TiAlCrN达到厚度为300纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为300纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为300纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为300纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为300纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为300纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为300纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为300纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为300纳米，最终形成厚度为2.4微米的主功能层。再然后，关闭氮气，关闭TiAl、Cr靶，充入乙炔，使乙炔分压在0.6Pa，基材温度在300度，基材偏压-200V，打开W靶，沉积WC/C，形成自润滑层，自润滑层厚度为1.5微米，最后，停止镀膜，让基材自然冷却至100度，取出基材。

实施例2：

将普通丝锥超声波除油除蜡清洗干净，烘干，置于自主研制VAST-P800型涂层设备腔体内，加热抽真空至5×10^-3，基材温度350度，通入氩气，使氩气气压维持在0.1 Pa，基材偏压在800～900V之间，进行辉光放电清洗,时间为35分钟。氩气清洗结束后, 充入氮气，氮气分压在0.4Pa，氩气分压在0.2Pa气压下,基材温度350度,-200V偏压下,打开Ti靶，在基材上沉积250纳米厚的TiN层过渡层。然后，关闭氩气，充入氮气，氮气分压在0.4Pa、温度300度，-120V偏压条件下打开Cr靶，沉积CrN达到厚度为300纳米，调整氮气分压，使氮气分压在0.4 Pa ，打开TiAl靶，沉积TiAlCrN达到厚度为300纳米；再关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为300纳米，打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为300纳米；再关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为300纳米，打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为300纳米；再关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为300纳米，最终形成厚度为2.1μm的主功能层。再然后，关闭氮气，关闭TiAl、Cr靶，充入乙炔，使乙炔分压在0.5Pa，基材温度在300度，基材偏压-180V，打开W靶，沉积WC/C形成厚度为2微米的自润滑层。最后，停止镀膜，让基材自然冷却至100度，取出基材（工件）。

实施例3：

将普通丝锥超声波除油除蜡清洗干净，烘干，置于自主研制VAST-P800型涂层设备腔体内，加热抽真空至5×10^-3，基材温度350度，通入氩气，使氩气气压维持在0.1 Pa，基材偏压在800～900V之间，进行辉光放电清洗,时间为45分钟。氩气清洗结束后, 在0.1Pa气压下,基材温度350度,-250V偏压下,在基材上沉积250纳米厚的TiN层过渡层。然后，关闭氩气，充入氮气，氮气分压在0.5Pa、温度300度，-150V偏压条件下打开TiAl(合金靶)和Cr靶，沉积TiAlCrN达到厚度为200纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为200纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为200纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为200纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为200纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为200纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为200纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为200纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为400纳米，最终形成厚度为2微米的主功能层。再然后，关闭氮气，关闭TiAl、Cr靶，充入乙炔，使乙炔分压在0.6Pa，基材温度在300度，基材偏压-200V，打开W靶，沉积WC/C，形成自润滑层，自润滑层厚度为2微米，最后，停止镀膜，让基材自然冷却至100度，取出基材。

实施例4：

将普通丝锥超声波除油除蜡清洗干净，烘干，置于自主研制VAST-P800型涂层设备腔体内，加热抽真空至5×10^-3，基材温度350度，通入氩气，使氩气气压维持在0.1 Pa，基材偏压在800～900V之间，进行辉光放电清洗,时间为35分钟。氩气清洗结束后, 充入氮气，氮气分压在0.4Pa，氩气分压在0.2Pa气压下,基材温度350度,-200V偏压下,打开Ti靶，在基材上沉积250纳米厚的TiN层过渡层。然后，关闭氩气，充入氮气，氮气分压在0.4Pa、温度300度，-120V偏压条件下打开Cr靶，沉积CrN达到厚度为400纳米，调整氮气分压，使氮气分压在0.4 Pa ，打开TiAl靶，沉积TiAlCrN达到厚度为400纳米；再关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为400纳米，打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为400纳米；再关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为400纳米，打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为400纳米；再关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为400纳米，最终形成厚度为2.5μm的主功能层。再然后，关闭氮气，关闭TiAl、Cr靶，充入乙炔，使乙炔分压在0.5Pa，基材温度在300度，基材偏压-180V，打开W靶，沉积WC/C形成厚度为1.5微米的自润滑层。最后，停止镀膜，让基材自然冷却至100度，取出基材（工件）。

实施例5：

将普通丝锥超声波除油除蜡清洗干净，烘干，置于自主研制VAST-P800型涂层设备腔体内，加热抽真空至5×10^-3，基材温度350度，通入氩气，使氩气气压维持在0.1 Pa，基材偏压在800～900V之间，进行辉光放电清洗,时间为45分钟。氩气清洗结束后, 在0.1Pa气压下,基材温度350度,-250V偏压下,在基材上沉积200纳米厚的Zr层过渡层。然后，关闭氩气，充入氮气，氮气分压在0.5Pa、温度300度，-150V偏压条件下打开TiAl(合金靶)和Cr靶，沉积TiAlCrN达到厚度为200纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为350纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为350纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为350纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为350纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为350纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为350纳米，关闭TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积CrN达到厚度为350纳米；再打开TiAl靶，调整氮气分压，使氮气分压在0.5 Pa ，沉积TiAlCrN达到厚度为200纳米，最终形成厚度为3微米的主功能层。再然后，关闭氮气，关闭TiAl、Cr靶，充入乙炔，使乙炔分压在0.6Pa，基材温度在300度，基材偏压-200V，打开W靶，沉积WC/C，形成自润滑层，自润滑层厚度为1微米，最后，停止镀膜，让基材自然冷却至100度，取出基材。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干修改和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种应用于挤压丝锥的涂层，包括在丝锥的基材上由内至外的过渡层、功能层和自润滑层，其特征在于，所述过渡层是过渡金属中至少一种的单质或氮化物或碳化物或氮碳化物的陶瓷相纳米晶结构，所述主功能层是TiAlCrN、CrN涂层相互交替组成的陶瓷相纳米晶结构复合层，所述自润滑层是WC/C。

2.根据权利要求1所述的一种应用于挤压丝锥的涂层，其特征在于，所述过渡层的厚度为200～250nm。

3.根据权利要求1所述的一种应用于挤压丝锥的涂层，其特征在于，所述过渡金属包括Ti、Cr、 Zr。

4.根据权利要求1所述的一种应用于挤压丝锥的涂层，其特征在于，所述主功能层的厚度为2～3μm。

5.根据权利要求1所述的一种应用于挤压丝锥的涂层，其特征在于，所述主功能层的陶瓷相纳米晶复合层的纳米晶体粒的直径小于5nm。

6.根据权利要求1所述的一种应用于挤压丝锥的涂层，其特征在于，所述自润滑层的厚度为1～2μm。