CN103317793A - 一种类金刚石基纳米复合涂层刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种类金刚石基纳米复合涂层刀具，至少包括刀具基体，所述的刀具基体上由内至外依次附着有连接层、梯度层和主耐磨层；所述的连接层附着在刀具基体上，连接层为Mo，梯度层附着在连接层上，所述的梯度层为Mo-C层，梯度层中碳含量由内至外逐渐增多；所述的主耐磨层附着在梯度层上，主耐磨层为掺杂有碳化钼的类金刚石涂层，即MoC-DLC层；本发明同时还提供了上述刀具的制备方法。本发明制备的类金刚石基纳米复合材料硬度高，表面光滑，摩擦系数低，同时沉积温度低，工艺条件方便调节，可重复性高，极易大规模工业化。
Description
技术领域
本发明提供了一种类金刚石基纳米复合涂层刀具，应用于机械加工行业，属于超硬涂层刀具领域，本发明还提供了上述刀具的制备方法。
背景技术
随着涂层刀具技术的发展，以超硬刀具应用为基础的高速切削、干切削等绿色加工技术在汽车制造、航空航天、模具工业、电子行业等领域得到广泛的应用。类金刚石（DLC）薄膜硬度高、耐磨损、摩擦系数小，类金刚石涂层刀具耐用度大大提高，工件加工精度和表面质量也大幅度提升，解决了很多难加工材料的加工难题，提高了切削生产率，经济效益显著。
世界各国对类金刚石涂层制备及应用进行了许多有益的尝试，包括离子束沉积、化学气相沉积（CVD）以及物理气相沉积（PVD）方法如阴极电弧沉积(CAD)以及磁控溅射等，其中离子束沉积离子种类和离子能量可控，过滤掉中性粒子，但沉积速率低、设备成本高。CVD方法沉积速率较快，但制备温度较高，对工件的耐温性要求较高，不能适用于普通钢铁材料；CAD方法沉积速率较快，但放电过程中产生大量的液滴难以消除，涂层表面光洁度和耐腐蚀性能受到较大影响，为消除液滴必须进行过滤，导致沉积速率大幅度下降。磁控溅射方法易于大面积成膜，不受基体形状和条件影响，可通过控制等离子体的功率和气压来控制沉积条件。但溅射方法的载能离子与中性粒子的比率较低，难以制备很高硬度的DLC涂层。
作为一种具有高硬度、高弹性模量、高耐磨性和低摩擦系数等一系列优异的性能的涂层，目前得到应用的是CVD类金刚石涂层。其他DLC涂层沉积技术得到产业化的报到还比较少。
发明内容
本发明提供了一种类金刚石基纳米复合涂层刀具，该涂层刀具具有较高的硬度、良好的耐磨和润滑性能。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种类金刚石基纳米复合涂层刀具，至少包括刀具基体，所述的刀具基体上由内至外依次附着有连接层、梯度层和主耐磨层；所述的连接层附着在刀具基体上，连接层为Mo，梯度层附着在连接层上，所述的梯度层为Mo-C层，梯度层中碳含量由内至外逐渐增多；所述的主耐磨层附着在梯度层上，主耐磨层为掺杂有碳化钼的类金刚石涂层，即MoC-DLC层。
所述连接层的厚度为5～50纳米；所述梯度层的厚度50～1000纳米；所述主耐磨层的厚度为1～5微米。
所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金钢。
所述的梯度层中，碳含量由内至外逐渐增多，且渐增多至60at.%。
所述的主耐磨层中，MoC含量为10～30at.%。
本发明中还提供了制备上述类金刚石基纳米复合涂层刀具的方法，在该制备工艺中对刀具基体材质的耐温性要求不高，因此易于产业化推广。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种制备上述类金刚石基纳米复合涂层刀具的方法，包括以下步骤：（1）、将表面洁净的刀具基体装夹在工件架上进行辉光清洗；
（2）、辉光清洗结束后，在Ar气环境、真空度7×10-3~5×10-2Pa、100~200℃、-800~-1000V偏压条件下，打开Mo材质空心阴极离子源，在刀具基体上沉积Mo连接层；
（3）、在Ar气、乙炔混合气体环境、真空度1~3.0Pa、100~200℃、-50~-200V偏压条件下，在Mo连接层上沉积Mo-C梯度层；
（4）、在乙炔环境下，在真空度1.0~5.0Pa、100~200℃、偏压-50~-300V条件下，在Mo-C梯度层上沉积MoC-DLC主耐磨层，沉积结束后，自然冷却，即得到类金刚石基纳米复合涂层刀具。
本发明克服了现有的类金刚石涂层制备技术的不足，在各种材质的刀具基体材料上制备Mo掺杂类金刚石基纳米复合材料，通过空心阴极离子源本身提供Mo，通过空心阴极离子源离化效应提供C，通过控制空心阴极离子源电流大小，含碳气体流量来实现类金刚石基复合涂层梯度结构。本发明的方法一方面使类金刚石基复合涂层具有较高硬度；另一方面Mo连接层在高真空下涂覆，残余气体影响小，再加上空心阴极离子源提供高纯度的Mo离子，没有大颗粒金属熔滴影响，确保了涂层在刀具基体上的附着力；此外再加上梯度层Mo-C进一步提高了涂层在刀具基体的附着性能，同时消除了硬度突变而极易出现的涂层崩裂失效。
本发明制备的类金刚石基纳米复合材料硬度高，表面光滑，摩擦系数低，同时沉积温度低，工艺条件方便调节，可重复性高，极易实现大规模工业化。
附图说明
图1为本发明所提供的类金刚石基纳米复合涂层刀具的制备装置结构示意图；
图2为本发明所提供的类金刚石基纳米复合涂层的拉曼图谱；
图3为本发明制备的类金刚石基纳米复合涂层刀具的表面原子力显微图；
图4为本发明所制备的类金刚石基纳米复合涂层的表面纳米硬度测试曲线图；
图5为本发明制备的类金刚石基纳米复合涂层刀具实物图；
图6为本发明所制备的类金刚石基纳米复合涂层的截面扫描电镜图；
图中：1-抽真空系统，2-真空室，3工件架，4-加热器，5-空心阴极离子源，6-炉门。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护内容不局限于以下实施例。
本发明所提供的下列实施例中用来制备类金刚石基纳米复合涂层刀具的装置如图1所示，包括抽真空系统1、真空室2、工件架3、加热器4、空心阴极离子源5、炉门6。抽真空系统1由一个扩散泵、一个罗茨泵和两个机械泵构成，用来维持镀膜腔的真空，最低真空可达到7×10-4Pa；真空室2与抽真空系统1相连，其内壁固装有加热器4，用于加热除气过程和镀膜过程中的升温；空心阴极离子源5分布于真空室2的炉壁两侧及炉门6上，由0~120A高频逆变式电源供电，利用高度离化的金属Mo离子，轰击工件表面，提高涂层与工件之间的附着力，工件偏压由30kW直流脉冲电源提供，偏压可在0~-1000V范围内连续调节；刀具装在工件架3上；Ar和含碳气体分别由质量流量计控制，通过空心阴极离子源中心孔进入真空室；转架绕炉体中心轴的公转、工件架的自转和工件的自转，以保证镀膜的均匀性；循环冷却水系统由两路循环系统提供，均为5kW冷水机，一路与抽真空系统1的扩散泵冷却管路相连用来冷却扩散泵，另一路通过靶体上的水管与空心阴极离子源相连，用来冷却离子源部分。冷却水的温度控制在15℃，可有效降低并控制靶材表面温度。
实施例1
本实施例中所提供的类金刚石基纳米复合涂层刀具的制备方法如下：
首先，将刀具清洗干净，装夹在工件架上，对刀具基体辉光清洗。辉光清洗结束后，在Ar气环境、气压7×10-3Pa，偏压保持在-800V，温度控制在100℃，打开离子源，得到厚度为5纳米的Mo连接层；在Ar和乙炔气体混合环境下，气压控制在1.0Pa，偏压控制在-50V，温度100℃，在Mo连接层上沉积50纳米的Mo-C梯度层，C最高含量50at.%。然后在1.0 Pa乙炔气体，-50V偏压，温度100℃，在Mo-C梯层上沉积厚度为2微米的MoC-DLC主耐磨层，MoC含量控制在10at.%；涂层总厚度2.055微米，硬度35GPa，表面粗糙度1.5纳米，摩擦系数0.18。沉积结束后，自然冷却至室温后取出刀具，即得到沉积有类金刚石基纳米复合涂层刀具。
实施例2
本实施例中所提供的类金刚石基纳米复合涂层刀具的制备方法如下：
首先，将刀具清洗干净，装夹在工件架上，对刀具基体辉光清洗。辉光清洗结束后，在Ar气环境、气压5×10-2Pa，温度200℃、-1000V偏压下，温度控制在200℃，打开离子源，得到厚度为50纳米的Mo连接层；在Ar和乙炔气体混合环境下，气压控制在3.0Pa，偏压控制在-200V，温度200℃，在Mo连接层上沉积1000纳米的Mo-C梯度层，C最高含量60at.%。然后在5.0 Pa乙炔气体，-300V偏压，温度200℃，在Mo-C梯层上沉积厚度为5微米的MoC-DLC主耐磨层，MoC含量控制在30at.%；涂层总厚度6.05微米，硬度40GPa，表面粗糙度2纳米，摩擦系数0.12。沉积结束后，自然冷却至室温后取出刀具，即得到沉积有类金刚石基纳米复合涂层刀具。
实施例3
本实施例中所提供的类金刚石基纳米复合涂层刀具的制备方法如下：
首先，将刀具清洗干净，装夹在工件架上，对刀具基体辉光清洗。辉光清洗结束后，在Ar气环境、气压2×10-2Pa，偏压保持在-900V，温度控制在150℃，打开离子源，得到厚度为30纳米的Mo连接层；在Ar和乙炔气体混合环境下，气压控制在2.0Pa，偏压控制在-150V，温度150℃，在Mo连接层上沉积500纳米的Mo-C梯度层，C最高含量50at.%。然后在3.0 Pa乙炔气体，-200V偏压，温度150℃，在Mo-C梯层上沉积厚度为3微米的MoC-DLC主耐磨层，MoC含量控制在20at.%；涂层总厚度3.53微米，硬度40GPa，表面粗糙度1.3纳米，摩擦系数0.15。沉积结束后，自然冷却至室温后取出刀具，即得到沉积有类金刚石基纳米复合涂层刀具。
本实施例中所制备的类金刚石基纳米复合涂层的拉曼图谱如图2所示，从图中可以明显看出，主耐磨层是由MoC掺杂DLC构成的纳米复合结构。
本实施例中所制备的类金刚石基纳米复合涂层刀具的表面原子力显微图如图3所示，从图中可以明显看出涂层刀具表面晶粒细腻，粗糙度较小。
本实施例中所制备的类金刚石基纳米复合涂层的表面纳米硬度曲线如图4所示，从图中可以看涂层硬度高达40GPa。
本实施例中所制备的类金刚石基纳米复合涂层刀具的实物图如图5所示，从图中可以看出刀具表面光滑，没有大颗粒等缺陷。
本实施例中所制备的类金刚石基纳米复合涂层的截面扫描电镜图如图6所示，从图中可以看出，涂层与刀具基体附着紧密，涂层致密。
Claims (10)
1.一种类金刚石基纳米复合涂层刀具，至少包括刀具基体，其特征在于：所述的刀具基体上由内至外依次附着有连接层、梯度层和主耐磨层；所述的连接层附着在刀具基体上，连接层为Mo，梯度层附着在连接层上，所述的梯度层为Mo-C层，梯度层中碳含量由内至外逐渐增多；所述的主耐磨层附着在梯度层上，主耐磨层为掺杂有碳化钼的类金刚石涂层，即MoC-DLC层。
2.根据权利要求1所述的类金刚石基纳米复合涂层刀具，其特征在于：所述连接层的厚度为5～50纳米；所述梯度层的厚度50～1000纳米；所述主耐磨层的厚度为0.2～5微米。
3.根据权利要求1或2所述的类金刚石基纳米复合涂层刀具，其特征在于：所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金钢。
4.根据权利要求1或2所述的类金刚石基纳米复合涂层刀具，其特征在于：所述的梯度层中，碳含量由内至外逐渐增多，且渐增多至60at.%。
5.根据权利要求1或2所述的类金刚石基纳米复合涂层刀具，其特征在于：所述的主耐磨层中，MoC含量为10～30at.%。
6.一种制备权利要求1所述的类金刚石基纳米复合涂层刀具的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）、将表面洁净的刀具基体装夹在工件架上进行辉光清洗；
（2）、辉光清洗结束后，在Ar气环境、真空度7×10-3~5×10-2Pa、100~200℃、-800~-1000V偏压条件下，打开Mo材质空心阴极离子源，在刀具基体上沉积Mo连接层；
（3）、在Ar气、乙炔混合气体环境、真空度1~3.0Pa、100~200℃、-50~-200V偏压条件下，在Mo连接层上沉积Mo-C梯度层；
（4）、在乙炔环境下，在真空度1.0~5.0Pa、100~200℃、偏压-50~-300V条件下，在Mo-C梯度层上沉积MoC-DLC主耐磨层，沉积结束后，自然冷却，即得到类金刚石基纳米复合涂层刀具。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述连接层的厚度为5～50纳米；所述梯度层的厚度50～1000纳米；所述主耐磨层的厚度为1～5微米。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金钢。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述的梯度层中，碳含量由内至外逐渐增多，逐渐增多至60at.%。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述的主耐磨层中，MoC含量为10～30at.%。
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