CN103658790A - 一种镀制超硬涂层的新型高速钢铣刀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镀制硬质涂层的新型高速钢铣刀，包括新型高速钢铣刀基体，过渡层TiN纳米多层及外层TiAlN纳米多层，形成表面涂制了TiN/TiAlN纳米复合多层硬质涂层的新型高速钢铣刀。所述TiN纳米多层厚度为200-1000nm；所述TiAlN纳米多层厚度为1-4μm；过渡层TiN同基体管道加工用螺纹梳刀基体紧密结合。涂层制备方法采用空心阴极直流等离子弧同空心阴极多弧离子镀结合。本发明采用TiN作为过渡层，提高了整个涂层同基体的结合强度，有利于充分发挥TiAlN层的高硬度和高温稳定性。对比试验表明，本发明的涂层新型铣刀大大提高了刀具的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速钢铣刀，特别是涉及一种新型高速钢铣刀镀膜工艺。
背景技术
我国大型火力电厂的单机容量已从300MW发展到亚临界600MW等级，目前正在向超临界1000MW等级大型汽轮发电机组发展。轮槽的加工是转子加工中最为关键、最为困难的环节。对于成形铣削加工的实际操作而言，应当确保刀具精度，同时还希望刀具具有尽可能长的切削寿命和多的修磨次数，以降低刀具成本。因此刀具表面镀层的性能对刀具的寿命及加工质量具有较大影响。目前汽轮机加工工具主要依赖进口。国外能够达到刀具精度要求并提供新型铣刀的企业主要是OSG、SACCKE、FRANCE等公司。进口刀具的涂层主要是TiCN系列涂层，如日本SG型新型高速钢铣刀，带有TiN/TiCN/Ti的纳米复合多层结构涂层。刀具使用后必须重新修磨、涂制硬质涂层，而且TiCN涂层的硬度和抗高温氧化性能有待进一步加强，以适应缺少冷却或不能充分冷却的加工过程中，刀具在高温下继续保持耐磨性的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的铗点，提供加工效率高、使用寿命长、可以在更宽温度范围内使用、适宜在冷却不理想的工作环境中应用的镀制硬质涂层的新型高速钢铣刀。
本发明采用含两种以上等离子体源的物理气相沉积技术在新型铣刀表面涂制TiN/TiAlN纳米复合多层硬质涂层，提高这种刀具的加工效率和使用寿命，尤其是提高其抗高温氧化性能。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种镀制硬质涂层的新型高速钢铣刀，包括新型高速钢铣刀基体，过渡层TiN纳米多层及外层TiAlN纳米多层，形成表面涂制了TiN/TiAlN纳米复合多层硬质涂层的新型高速钢铣刀。所述TiN纳米多层厚度为200-1000nm；所述TiAlN纳米多层厚度为1-4μm；过渡层TiN同基体管道加工用螺纹梳刀基体紧密结合。
TiN纳米多层和TiAlN纳米多层厚度之和优选为1.2-5μm。
本发明是在新型铣刀表面涂制了TiN/TiAlN纳米复合多层硬质涂层。采用空心阴极直流等离子体弧(HCD)和阴极多弧离子镀结合。工件台可以实现公自转控制。采用纯钛和μm合金作为靶材，Ar及N2作为工作气体。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明的TiN过渡层厚度为200-1000nm，为纳米多层结构；TiAlN层厚度为1-4μm，为纳米多层结构。涂层同基体结合力超过100N。在相同铣削条件，同未涂层高速钢新型铣刀的寿命比较，本发明涂层高速钢新型铣刀的寿命超过2倍以上。目前广泛采用的TiCN系涂层受到涂层自身抗氧化能力不足和硬度较低的限制，使用温度不能超过500℃。一旦切削加工过程冷却不足，摩擦产生的热量将导致工具表面温度急剧升高，严重影响工具的切削性能，加快涂层的磨损速率。TiAlN涂层耐高温温度超过800℃，即使出现冷却不足的情况，涂层仍然能够保持极高的硬度，因此磨损较TiCN涂层轻微。
附图说明
图1为涂层高速钢新型铣刀结构示意图。
图2为本使用新型实例表面涂层结构的剖面示意图。
实施例
结合附图和实施例作进一步地描述：
如图1所示，一种镀制硬质涂层的新型高速钢铣刀由新型高速钢铣刀基体2和硬质涂层1组成，硬质涂层1与新型高速钢铣刀基体2紧密结合。具体结构如图2所示，镀制硬质涂层的新型高速钢铣刀包括新型高速钢铣刀基体2，过渡层TiN纳米多层1-2及外层TiAlN纳米多层1-1，形成表面涂制了TiN/TiAlN纳米复合多层硬质涂层的新型高速钢铣刀。TiN纳米多层1-2厚度为200-1000nm；TiAlN纳米多层1-1厚度为1-4μm；
过渡层TiN同基体新型铣刀商速钢基体紧密结合。纳米复合多层硬质涂层同新型高速钢铣刀基体2结合力超过55N，纳米复合多层硬质涂层的维氏硬度超过HV3200。
镀制硬质涂层的新型高速钢铣刀的制备包括如下步骤和工艺条件：
(1)铣刀预处理：将铣刀置于“强力”牌碱性金属清洗液煮沸120分钟表面除油；室温下将铣刀置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机(频率40kHz)中超声处理5分钟；将清洗后的铣刀放入纯乙醇溶液脱水处理后置于120℃的烘箱中干燥60分钟；
(2)铣刀预加热：将经过预处理的铣刀装入Balzers公司生产的BD 802 088BE真空镀膜炉中，调整工件台公转转速为6转/分钟。抽真空达到5x10-3pa后，通入Ar气，维持真空度为2.3*10-1Pa，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；控制HCD电子枪电流在130A；HCD源的直流等离子体电弧直接照射铣刀表面，20分钟后真空室温度130℃。
(3)铣刀表面清洗刻蚀：继续保持镀膜炉真空室内压力为2.3*10-1Pa、HCD电子枪电流为130A。按照以下顺序依次开动一定数量阴极多弧钛靶，靶电流80A，并对工件施加偏压：先启动2个阳极多弧钛靶，对工件施加700V脉冲偏压，施加5分钟后关闭；其后启动2个阴极多弧钛靶，对工件施加600V脉冲偏压，施加12分钟后关闭；再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加400V脉冲偏压，施加30分钟后关闭。清洗结束真空室内温度198℃。
(4)过渡层TiN纳米多层1-2制备：关闭步骤(3)开动的阴极多弧钛靶，保持步骤(3)中Ar气通入量，调节氮气通入量使镀膜炉真空室压力增加到2.8x10-1Pa；聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚，蒸发坩锅中纯钛5分钟后关闭HCD电子枪、Ar气源；调节N。流量，保持真空压力为1.0Pa，按照以下顺序依次启动阴极多弧钛靶，靶电流为80A，并对工件施加偏压：先启动2个阴极多弧钛靶，对工件施加300V脉冲偏压，施加5分钟后关闭；随后启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加200V脉冲偏压，施加5分钟后关闭；再启动3个阴极多弧钛靶，对工件施加150V脉冲偏压，施加10分钟后关闭。
(5)外层TiAlN纳米多层1-1制备：本步骤使用阴极多弧TiAl合金靶的成分为T130A170。调节N2的流量保持真空室内总压力为3.0x10-1Pa。首先启动2个阴极多弧TiAl合金靶，对工件施加200V脉冲偏压，施加20分钟后关闭；然后启动3个阴极多弧TiAl合金靶，对工件施加120V脉冲偏压，施加20分钟后关闭；再启动3个阴极多弧TiAl合金靶，对工件施加80V脉冲偏压，施加20分钟后关闭。阴极多弧TiAl合金靶电流为81A。
制备的TiN/TiAlN纳米复合多层硬质涂层为黑色，球磨痕迹测试涂层的总厚度为3.1μm。同时放入的同材质高速钢基片涂层硬度经纤维硬度仪测试为HV3230；声发射划痕仪测试涂层结合力63N。经检测，在相同转速和润滑条件下加工。OSG铣刀(①40)新刀平均加工5-7根槽；修磨后未镀膜加工小于3根槽；而修磨后采用本发明镀制的膜层可加6根槽。
Claims (2)
1.一种镀制硬质涂层的新型高速钢铣刀，其特征在于：包括新型高速钢铣刀基体，过渡层TiN纳米多层及外层TiAlN纳米多层，形成表面涂制了TiN/TiAlN纳米复合多层硬质涂层的新型高速钢铣刀，所述TiN纳米多层厚度为200-1000nm；所述TiAlN纳米多层厚度为1-4μm；过渡层TiN同基体管道加工用螺纹梳刀基体紧密结合。
2.根据权利要求1所述的镀制硬质涂层的新型高速钢铣刀，其特征在于：TiN纳米多层和TiAlN纳米多层厚度之和为1.2-5μm。
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