CN103397295B - 一种工模具材料表面的TiN双层镀层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工模具材料表面的TiN双层镀层及其制备方法，包括下述步骤：（1）将工模具材料表面的离子镀TiN层进行机械研磨后再进行清洗；（2）利用磁过滤离子镀装置镀覆TiN层，得到TiN双层镀层。该TiN双层镀层表面平整，膜基结合力高，抗磨损性能好，有利于延长模具的使用寿命；而且镀膜的加工质量高；也适用于涂层效果不佳，膜层有损伤或者经过一定使用程度后的涂层刃具和涂层模具及其修复工作。在镀膜过程中采用电气和机械自动控制，适于批量生产。

Description

一种工模具材料表面的TiN双层镀层及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，特别涉及一种切削刃具和成型模具材料表面的TiN双层镀层及其制备方法。

背景技术

在机械制造业中，目前大部分机械零件的加工方法是切削加工和模具成型，高速钢和硬质合金是当今世界使用最多的刀具模具材料之一。目前工模具正向多种类、高性能、高精度的方向发展,加工成本也在不断上涨,采用适当的方法延长工模具的使用寿命、降低成本、节约资源,已经是摆在工模具行业面前的一个重要问题。

在工模具表面涂覆硬质薄膜，基体保持了良好的韧性和较高的强度，硬质薄膜又具有高耐磨性和低摩擦系数，可以提高加工效率和精度，延长工模具使用寿命，即保证被加工工件的质量，同时也降低加工成本。TiN薄膜具有硬度高、摩擦系数低及抗腐蚀性能强等优点，可显著提高工模具的使用寿命及工作性能，满足现代制造业的高要求，广泛用于切削刃具和模具表面改性。基体材料和硬质薄膜的结合力可显著影响涂层工模具耐磨性能及使用使命。

目前，当涂层涂镀效果不佳，或膜层有损伤时，生产上很多情况下采用配制“化学去除液”去除镀层，但这种方法避免不了会伤害到基体，影响重新镀膜后的效果。涂层刃具和模具经反复使用之后也会存在不同程度的磨损和刮伤，若因局部表面失效而弃之，将会造成极大的资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种表面质量好，加工质量高、抗磨损性能好、使用寿命长、薄膜与基体材料之间结合力大的TiN双层镀层，也适用于涂层效果不佳，膜层有损伤或者经过一定使用程度后的涂层刃具和涂层模具及其修复。

本发明的另一个目的在于提供一种上述TiN双层镀层的制备方法，即首先在基体上镀覆膜基结合力好但表面粗糙度大的过渡层，过渡层经机械研磨后镀覆平整镀层以提高复合镀层的力学性能和表面质量。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种工模具材料表面的TiN双层镀层的制备方法，包括下述步骤：

（1）将工模具材料表面的离子镀TiN层进行机械研磨后再进行清洗；

（2）利用磁过滤离子镀装置镀覆TiN层，得到TiN双层镀层。

所述离子镀TiN层的镀覆条件为抽真空至6.5×10^-3Pa或以上，温度控制在200～230℃，加偏压-100～-200V，占空比为20%；靶源电流60～90A，电压18～25V；氮气流量70～100SCCM，镀膜时间为30～60min。

所述磁过滤离子镀TiN层的镀覆条件为样品正对着磁过滤器口，抽真空至6.5×10^-3Pa或以上，基体材料温度控制在200～230℃，氮气流量90～110SCCM，靶电流为60～90A，电压18～25V，偏压-100～-200V，磁过滤电流3.5～4.5A，镀膜时间为90～120min。

所述清洗为先进行表面清洗，然后进行离子清洗。

所述表面清洗是将工模具材料在丙酮和酒精中用超声波依次清洗15min，然后烘干。

所述离子清洗是将工模具材料装入多弧离子镀膜机中，抽真空至6.5×10^-3Pa或以上，温度控制在200～230℃，加偏压-600～-800V，占空比为40%；启动单弧靶源，电流60～90A，电压18～25V；用高纯氩轰击刀具材料表面进行清洗，清洗时间为5～15min。

所述机械研磨是用1000#、1200#、1500#金相水磨砂纸依次进行研磨。

所述工模具材料为高速钢和硬质合金材料。

上述方法制备的TiN双层镀层是在工模具材料表面依次镀有离子镀Ti/TiN层、磁过滤离子镀TiN层，所述离子镀Ti/TiN层经过机械研磨。

所述离子镀Ti/TiN层厚度为1.0～2.0μm；磁过滤离子镀TiN层厚度为1.0～2.0μm。

一种工模具材料表面的TiN双层镀层，分为以下两种，一种是在工模具基体材料的表面上先镀覆一层微米级TiN薄膜，经过机械研磨后再镀覆一层纳米级TiN薄膜；其中微米级TiN颗粒尺寸为500～1000nm，薄膜厚度为1～2μm；纳米级TiN颗粒尺寸为40～100nm，薄膜厚度为1～2μm，双层膜的总厚度为2～4μm。另一种是在涂层刃具和涂层模具的膜层有损伤或者经过一定使用程度后有损伤时对其进行修复，该修复是在上述涂层刃具和模具的基体未受到严重损伤的情况下进行的。

本发明中，过渡层是普通多弧离子镀制备Ti/TiN薄膜，镀覆Ti层可增加TiN薄膜与基体之间的相容性，提高膜基结合力，经过机械研磨后，表面大颗粒及结合不牢薄膜脱落，以研磨后的Ti/TiN薄膜为过渡层，利用磁过滤电弧离子镀镀覆纳米级TiN薄膜，TiN膜层与基体的结合力既存在范德华力和机械咬合，还有准原子力，以及TiN膜层间的相容性均可提高双层膜以及膜和基体材料的结合力，其界面结合力可超过30N。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

（1）过渡层是普通多弧离子镀制备厚度为1～2μm的微米级TiN薄膜，经过机械研磨后，粗糙度降低，表面大颗粒及膜基结合不牢的薄膜也会脱落，采用磁过滤生成厚度为1～2μm的纳米级TiN表面镀层，整个双层镀层的制备时间较短，成本低。

（2）本发明也适用于涂层效果不佳，膜层有损伤或者经过一定使用程度后的涂层刃具和涂层模具及其修复工作。

（3）本发明结合普通电弧离子镀技术离化率、入射粒子能量高、膜基结合力好和磁过滤膜层致密度高，摩擦系数小，硬度高等优点，镀覆的双层膜膜基结合力高，膜层致密，表面相对平整；另外，TiN膜层与基体的结合力既存在范德华力和机械咬合，还有准原子力，以及TiN膜层间的相容性均可提高双层膜间以及膜和基体材料的结合力。

（4）本发明在镀膜过程采用电气和机械自动控制，制备工艺简单，易于操作。

附图说明

图1为经过机械研磨后的离子镀TiN过渡层表面光学显微镜下照片（放大倍数500×）；

图2为过渡层未经研磨的TiN双层镀层表面扫描电镜图片（放大倍数1000×）；

图3为实施例1的表面扫描电镜图片（放大倍数500×）；

图4为普通多弧离子镀在硅片上镀覆微米TiN薄膜的截面扫描电镜图片；

图5为磁过滤离子镀在硅片上镀覆纳米TiN薄膜的截面扫描电镜图片；

图6为实施例3测试结合力后的划痕末端形貌图；

图7为开放式微/纳米综合力学测试系统对实施例2的样品微米划痕测试图，其中，Fn-加载力；Pd-压入深度；AE-声发射强度；

图8为开放式微/纳米综合力学测试系统对实施例3的样品微米划痕测试图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例1

采用AIP-01型多弧离子镀膜机，由沈阳远科航公司制造，镀膜机内附加磁过滤器装置，由北京师范大学低能核物理研究所制造，所采用的工件是线切割成10mm×10mm×4mm的块状材料（M2钢）；

（1）首先将工件经机械研磨、抛光后在丙酮和酒精中用超声波依次清洗各15min，然后烘干；

（2）将烘干后的工件装入多弧离子镀膜机中，样品正对着靶源，距离靶面150mm，样品公转/自转，然后用机械泵、罗茨泵、扩散泵逐级抽真空至6.5×10^-3Pa，温度控制在200～230℃，加偏压-700V，占空比为40%；启动单弧靶源，电流70A，电压25V；用99.99%的高纯氩轰击工件进行离子清洗，清洗时间为5min；

（3）将偏压调控在-200V、占空比为20%，单弧靶（纯钛靶）电流为70A，电压为25V；镀覆纯Ti膜，镀膜时间为5min；

（4）将氮气流量调整为80SCCM，镀覆TiN膜，镀膜时间为30min；镀膜结束后按照AIP-01型多弧离子镀膜机的操作程序取出试样。

(5)将镀膜后的样品取出，用1000#、1200#、1500#金相水磨砂纸依次进行机械研磨。

（6）将经机械研磨的镀膜工件在丙酮和酒精中用超声波依次清洗各15min，然后烘干；装入镀膜机中，样品正对着磁过滤器口，抽真空至6.5×10^-3Pa，基体材料温度控制在200～230℃，首先进行离子清洗5min，然后氮气流量调整为90SCCM，镀覆TiN薄膜，靶（纯钛靶）电流为80A，电压为25V，偏压-150V，磁过滤电流4A，镀膜时间为120min；镀膜结束后，AIP-01型多弧离子镀膜机的操作程序取出试样，得到本发明的工模具材料表面的TiN双层镀层。

镀层厚度的测量方法是磨制本实施例1工件的横截面金相试样，在扫面电镜（SEM）下测定，膜层总厚度约为2.1μm。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤（4）所述的镀膜时间为60min。

镀层厚度的测量方法是磨制本实施例2工件的横截面金相试样，在扫面电镜（SEM）下测定，膜层总厚度约为2.35μm。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：工件为株洲钻石切削刀具股份有限公司生产的牌号YW1的硬质合金铣刀片。

本实施例镀层与实施例1一样，总厚度约为2.1μm。

实施例1～3及对比例1和2的表面粗糙度采用BMTExpert3D表面形貌仪测量，膜基结合力的测试使用NHT/MST/AFM/型多功能纳米力学测试系统(仪器型号为OpenPIatformtab，供应商为瑞士CSM仪器公司)，该设备适用于膜层厚度为0～1mm范围之内；加载力范围为0.05～30N，加载分辨率为0.3mN；划痕速度为0.4～600mm/min；压头是锥角为120°，尖端半径R=0.1mm的金刚石压头。

划痕法测量膜基结合力的测量参数为：起始载荷：300mN；划痕长度：6mm；最大载荷：30N；本测试综合声信号和同位光学显微观察，取其中可信结果表征膜基结合力的临界载荷Lc。本测量中取薄膜开始出现剥落的临界载荷（Lc1）和薄膜完全剥落的临界载荷（Lc2）表征膜基结合力。

表1.实施例1～3与对比例的表面粗糙度和膜基结合力的对比

注：对比例1为电弧离子镀TiN单层镀层（基体为高速钢）。对比例2为对比例1未经研磨处理直接镀覆磁过滤离子镀TiN层的双层镀层。

有研究表明，在离子镀薄膜表面沉积平整镀层，离子镀表面“大颗粒”上生长的晶粒与其周围沉积生长的膜层晶粒结构相似，复合膜生长连续且过渡平缓，能够提高过渡层与表面膜层的结合力。但根据以上实验结果，发现过渡层未经研磨处理的TiN双层镀层的表面（如图2）粗糙度要比离子镀TiN单层镀层还要高，膜基结合力也有所降低，其原因在于，膜面有大量的“大颗粒”，且尺寸较大，表面磁过滤离子镀TiN较薄，不能覆盖掩埋过渡层“大颗粒”，表面薄膜生长的连续性降低，膜基结合力降低，又由于“大颗粒”冷凝时的热力学不平衡，导致大颗粒表面的晶粒粗大，生长速度快，表面粗糙度较之普通电弧离子镀TiN单层镀层还要大，而本发明的TiN双层镀层表面（如图3）几乎没有大颗粒，粗糙度降低，薄膜表面平整，膜基结合力明显提高。

以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种工模具材料表面的TiN双层镀层的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将工模具材料表面的离子镀TiN层进行机械研磨后再进行清洗；

(2)利用磁过滤离子镀装置镀覆TiN层，得到TiN双层镀层。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磁过滤离子镀TiN层的镀覆条件为样品正对着磁过滤器口，抽真空至6.5×10^-3Pa以上，基体材料温度控制在200～230℃，氮气流量90～110SCCM，靶电流为60～90A，电压18～25V，偏压-100～-200V，磁过滤电流3.5～4.5A，镀膜时间为90～120min。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述离子镀TiN层的镀覆条件为抽真空至6.5×10^-3Pa以上，温度控制在200～230℃，加偏压-100～-200V，占空比为20％；靶源电流60～90A，电压18～25V；氮气流量70～100SCCM，镀膜时间为30～60min。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述清洗为先进行表面清洗，然后进行离子清洗。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述表面清洗是将工模具材料在丙酮和酒精中用超声波依次清洗15min，然后烘干。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述离子清洗是将工模具材料装入多弧离子镀膜机中，抽真空至6.5×10^-3Pa以上，温度控制在200～230℃，加偏压-600～-800V，占空比为40％；启动单弧靶源，电流60～90A，电压18～25V；用高纯氩轰击刀具材料表面进行清洗，清洗时间为5～15min。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述工模具材料为高速钢和硬质合金材料。

8.权利要求1～7任意一项方法制备的TiN双层镀层。

9.根据权利要求8所述的TiN双层镀层，其特征在于，在工模具材料表面依次镀有离子镀Ti/TiN层、磁过滤离子镀TiN层，所述离子镀Ti/TiN层经过机械研磨。

10.根据权利要求9所述的双层镀层，其特征在于，所述离子镀Ti/TiN层厚度为1.0～2.0μm；磁过滤离子镀TiN层厚度为1.0～2.0μm。