CN107217238A - 一种钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备方法 - Google Patents

一种钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备方法，涉及一种合金钻头的制备方法，本发明采用多弧离子镀技术制备钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的方法依次包括：1）沉积技术的确定；2）靶材及电弧源数量的确定；3）硬质合金钻头的选择与前处理；4）硬质合金钻头的放置；5）镀膜工艺的确定。该方法采用多弧离子镀技术制备钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的方法，确定了2个钛铝合金靶和2个钛锆合金靶作为阴极弧源靶；确定了一整套专门的镀膜沉积工艺，使制备的钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头与未镀膜的硬质合金钻头相比，具有附着力强、硬度高、使用寿命长的特点。

Description

一种钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金钻头的制备方法，特别是涉及一种钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备方法。
背景技术
多弧离子镀是一种设有多个可同时蒸发的阴极蒸发源的真空物理气相沉积技术，具有沉积速度快、膜层组织致密、附着力强、均匀性好等显著特点。该技术适用于氮化物膜层的制备，并在TiN，(Ti,Al)N，(Ti,Cr)N，(Ti,Zr)N等氮化物膜层的制备方面获得成功的应用。
而硬质反应膜与硬质合金基体的附着力较差是一个普遍的问题，尽管在硬质合金基体上采用多弧离子镀技术制备的多组元氮化物反应膜层，附着力一般能够达到70N-80N，仍难以满足作为硬质合金钻头耐磨膜层的需要。
作为硬质反应膜，硬度无疑是一项重要指标。通常采用的氮化钛膜层硬度可以在HV1600—2200之间，不仅硬度指标偏低，同时波动范围较大，难以保证稳定性和可重复性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备方法，该方法采用多弧离子镀技术制备钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的方法，确定了2个钛铝合金靶和2个钛锆合金靶作为阴极弧源靶；确定了一整套专门的镀膜沉积工艺，使制备的钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头与未镀膜的硬质合金钻头相比，具有附着力强、硬度高、使用寿命长的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的优点与效果是：
本发明所提出的钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备方法，可以获得钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头，该钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头能够保证高附着力（≥160N）、高硬度（≥HV4000），并具有使用寿命长的优点。
本发明确定了确定多弧离子镀作为制备钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备技术，确定了靶材及电弧源数量，确定了硬质合金钻头的选择与前处理，确定了硬质合金钻头的放置方式，确定了镀膜工艺，从而保证了钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的表面膜层成分的连续变化，降低了膜层的内应力，从而保证了高附着力、高硬度、长使用寿命的同时实现，并具有良好的稳定性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明采用多弧离子镀技术制备钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的方法依次包括：1）沉积技术的确定；2）靶材及电弧源数量的确定；3）硬质合金钻头的选择与前处理；4）硬质合金钻头的放置； 5）镀膜工艺的确定。
沉积技术的确定，确定多弧离子镀作为制备钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备技术。靶材的确定，采用2个钛铝合金靶（钛与铝的原子百分比为45: 55）和2个钛锆合金靶（钛与锆的原子百分比为65:35）作为阴极弧源靶并且交替置于不同高度和不同方位的镀膜室壁弧源位置，靶材纯度均达到99.95%，镀膜过程中一直保证4个弧源的同时启动。硬质合金钻头的选择与前处理，选择商用普通硬质合金钻头作为镀膜基体，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对硬质合金钻头进行常规去油、去污处理，并进行表面精细抛光处理，最后分别用丙酮、乙醇进行超声波清洗，置于干燥箱在200℃烘干以备沉积。硬质合金钻头的放置，保持硬质合金钻头处于4个阴极弧源靶所包围的圆柱形区域内旋转式工件架上，并且硬质合金钻头平放，垂直于园柱面，同时，硬质合金钻头尖端距离镀膜室壁达到25厘米，在镀膜过程中，一直保持工件架旋转，转速为6转/分钟。镀膜工艺的确定，为获得钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头而采用的镀膜工艺。第一步，当镀膜室背底真空达到1×10-3帕、温度达到240~300℃时，将镀膜室充入氩气，使其压强达到2×10-1帕，启动4个弧源，进行离子轰击，弧电流分别置于55A，时间为15分钟，轰击偏压从400V均速降低到300伏；第二步，降低偏压至120V，保持4个弧源弧电流分别置于55A不变，进行过渡层沉积8~10分钟；第三步，保持4个弧源弧电流分别置于55A、偏压为120V不变，逐渐均匀降低氩气流量，同时逐渐充入反应气体N2，保持镀膜室真空度在（2.5±0.1）×10-1 帕，直到50~55分钟时，氩气流量降为0，氮气流量达到最大，镀膜室真空度仍然为（2.5±0.1）×10-1 帕。
实施例1
钛铝锆氮化物镀膜YG8硬质合金钻头的制备，其方法是，
1）沉积技术的确定，确定多弧离子镀作为制备钛铝锆氮化物镀膜YG8硬质合金钻头的制备技术。
2）靶材的确定，采用2个钛铝合金靶（钛与铝的原子百分比为45: 55）和2个钛锆合金靶（钛与锆的原子百分比为65:35）作为阴极弧源靶并且交替置于不同高度和不同方位的镀膜室壁弧源位置，靶材纯度均达到99.95%，镀膜过程中一直保证4个弧源的同时启动。
3）硬质合金钻头的选择与前处理，选择YG8硬质合金钻头作为镀膜基体，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对YG8硬质合金钻头进行常规去油、去污处理，并进行表面精细抛光处理，最后分别用丙酮、乙醇进行超声波清洗，置于干燥箱在200℃烘干以备沉积。
4）硬质合金钻头的放置，保持YG8硬质合金钻头处于4个阴极弧源靶所包围的圆柱形区域内旋转式工件架上，并且硬质合金钻头平放，垂直于园柱面，同时，硬质合金钻头尖端距离镀膜室壁达到25厘米，在镀膜过程中，一直保持工件架旋转，转速为6转/分钟。
5）镀膜工艺的确定，指的是为获得钛铝锆氮化物镀膜YG8硬质合金钻头而采用的镀膜工艺。第一步，当镀膜室背底真空达到1×10-3帕、温度达到260℃时，将镀膜室充入氩气，使其压强达到2×10-1帕，启动4个弧源，进行离子轰击，弧电流分别置于55A，时间为15分钟，轰击偏压从400V均速降低到300伏；第二步，降低偏压至120V，保持4个弧源弧电流分别置于55A不变，进行过渡层沉积8分钟；第三步，保持4个弧源弧电流分别置于55A、偏压为120V不变，逐渐均匀降低氩气流量，同时逐渐充入反应气体N2，保持镀膜室真空度在（2.5±0.1）×10-1 帕，直到50分钟时，氩气流量降为0，氮气流量达到最大，镀膜室真空度仍然为（2.5±0.1）×10-1 帕。
使用上述方法制备的钛铝锆氮化物镀膜YG8硬质合金钻头，硬度达到HV4380，附着力达到170N，加工铸铁（HT250），孔深15毫米，孔数达到8800个，比未镀膜前寿命提高3倍。
实施例2
钛铝锆氮化物镀膜YG3硬质合金钻头的制备，其方法是，
1）沉积技术的确定，确定多弧离子镀作为制备钛铝锆氮化物镀膜YG3硬质合金钻头的制备技术。
2）靶材的确定，采用2个钛铝合金靶（钛与铝的原子百分比为45: 55）和2个钛锆合金靶（钛与锆的原子百分比为65:35）作为阴极弧源靶并且交替置于不同高度和不同方位的镀膜室壁弧源位置，靶材纯度均达到99.95%，镀膜过程中一直保证4个弧源的同时启动。
3）硬质合金钻头的选择与前处理，选择YG3硬质合金钻头作为镀膜基体，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对YG3硬质合金钻头进行常规去油、去污处理，并进行表面精细抛光处理，最后分别用丙酮、乙醇进行超声波清洗，置于干燥箱在200℃烘干以备沉积。
4）硬质合金钻头的放置，保持YG3硬质合金钻头处于4个阴极弧源靶所包围的圆柱形区域内旋转式工件架上，并且硬质合金钻头平放，垂直于园柱面，同时，硬质合金钻头尖端距离镀膜室壁达到25厘米，在镀膜过程中，一直保持工件架旋转，转速为6转/分钟。
5）镀膜工艺的确定，指的是为获得钛铝锆氮化物镀膜YG3硬质合金钻头而采用的镀膜工艺。第一步，当镀膜室背底真空达到1×10-3帕、温度达到280℃时，将镀膜室充入氩气，使其压强达到2×10-1帕，启动4个弧源，进行离子轰击，弧电流分别置于55A，时间为15分钟，轰击偏压从400V均速降低到300伏；第二步，降低偏压至120V，保持4个弧源弧电流分别置于55A不变，进行过渡层沉积10分钟；第三步，保持4个弧源弧电流分别置于55A、偏压为120V不变，逐渐均匀降低氩气流量，同时逐渐充入反应气体N2，保持镀膜室真空度在（2.5±0.1）×10-1 帕，直到55分钟时，氩气流量降为0，氮气流量达到最大，镀膜室真空度仍然为（2.5±0.1）×10-1 帕。
使用上述方法制备的钛铝锆氮化物镀膜YG3硬质合金钻头，硬度达到HV4100，附着力达到170N，加工铸铁（HT250），孔深15毫米，孔数达到8600个，比未镀膜前寿命提高3.3倍。

Claims (3)

1.一种钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下技术过程：
沉积技术的确定，确定多弧离子镀作为制备钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备技术；
靶材的确定，采用2个钛铝合金靶和2个钛锆合金靶（钛与锆的原子百分比为65:35）作为阴极弧源靶并且交替置于不同高度和不同方位的镀膜室壁弧源位置，靶材纯度均达到99.95%，镀膜过程中一直保证4个弧源的同时启动；
硬质合金钻头的选择与前处理，选择商用普通硬质合金钻头作为镀膜基体，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对硬质合金钻头进行常规去油、去污处理，并进行表面精细抛光处理，最后分别用丙酮、乙醇进行超声波清洗，置于干燥箱在200℃烘干以备沉积；
硬质合金钻头的放置，保持硬质合金钻头处于4个阴极弧源靶所包围的圆柱形区域内旋转式工件架上，并且硬质合金钻头平放，垂直于园柱面，同时，硬质合金钻头尖端距离镀膜室壁达到25厘米，在镀膜过程中，一直保持工件架旋转，转速为6转/分钟；
镀膜工艺的确定，为获得钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头而采用的镀膜工艺；当镀膜室背底真空达到1×10-3帕、温度达到240~300℃时，将镀膜室充入氩气，使其压强达到2×10-1帕，启动4个弧源，进行离子轰击，弧电流分别置于55A，时间为15分钟，轰击偏压从400V均速降低到300伏；降低偏压至120V，保持4个弧源弧电流分别置于55A不变，进行过渡层沉积8~10分钟；保持4个弧源弧电流分别置于55A、偏压为120V不变，逐渐均匀降低氩气流量，同时逐渐充入反应气体N2，保持镀膜室真空度在（2.5±0.1）×10-1 帕，直到50~55分钟时，氩气流量降为0，氮气流量达到最大，镀膜室真空度仍然为（2.5±0.1）×10-1 帕。
2.根据权利要求1所述的一种钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备方法，其特征在于，所述钛铝合金靶的钛与铝的原子百分比为45: 55。
3.根据权利要求1所述的一种钛铝锆氮化物镀膜硬质合金钻头的制备方法，其特征在于，所述钛锆合金靶的钛与锆的原子百分比为65:35。
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