CN108315737A - 一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺 - Google Patents

一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺，包括将切削刀具依次进行清洗前处理以及脱钴预处理，并清洗后吹干待用；将待用的切削刀具放入CVD金刚石沉积炉中，然后将CVD金刚石沉积炉抽真空，再按照CH4、H2、N2气流速率比1∶100～300∶1～3通入CH4、H2、N2三者的混合气体，加热热丝，以调节切削刀具的表面温度为600～1000℃，沉积6～10h，切削刀具表面形成导电金刚石涂层；再在CVD涂层表面进行TiN涂层沉积，得到复合涂层切削刀具。本发明公开一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺，通过对切削刀具内部进行CVD导电金刚石涂层涂覆，再通过对CVD导电金刚石涂层表面进行TiN涂层涂覆，形成一种复合涂层的刀具。通过该制备工艺制备的切削刀具导电性好、韧性强、耐磨性好，使用寿命长。

Description

一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺
技术领域
本发明属于切削刀具加工制造技术领域，具体涉及一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺。
背景技术
因此使用的局限性很大。目前，各个行业尤其是航天航空出现了许多新型材料，例如高温合金材料。这种高温合金材料具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，因此又被称为“超合金”。但这种材料加工困难，一般采用涂覆有耐磨涂层的硬质合金工具来实现。多年来，通过物理气相沉积(PVD)涂覆硬质层的切削工具已经在商业上得到运用。但是，PVD涂覆的刀具在耐磨性和附着力方面表现稍差，其使用寿命也较短。
还有一种刀具的涂层是采用化学气相沉积(CVD)技术来沉积。该种CVD涂覆的刀具具有高耐磨性和优异的涂层附着力，因此，CVD涂覆的刀具进一步拓宽了涂覆刀具的使用领域。目前，采用CVD技术涂覆金刚石的刀具也在商业上得到运用。但是，由于高的沉积温度和由于在沉积的涂层材料与硬质合金工具基体间热膨胀系数的差异，所以CVD制造出的涂层具有冷却裂纹和极高的拉伸应力。拉伸应力状态降低了CVD涂覆刀具的韧性。因此，CVD技术涂覆金刚石的刀具只适用于有色金属和非金属的加工，而不适用于加工铁基类和高温合金类材料；且现有CVD技术涂覆金刚石的制备工艺还不能实现涂层的高导电性。因此，如何制备一种涂层导电性好、涂覆刀片韧性高、使用寿命长的切削刀具已成为业界研究的热点之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺，解决了现有技术中切削刀具的涂层导电性差、涂覆的刀具韧性低、使用寿命长的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案：一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺，其特征在于，包括切削刀具内部的CVD涂层工艺和CVD涂层外部的PVD涂层工艺；其中，
切削刀具内部的CVD涂层工艺包括以下步骤：
步骤1：将切削刀具依次进行清洗前处理以及脱钴预处理，并将脱钴预处理后的切削刀具清洗后吹干待用；
步骤2：将步骤1中待用的切削刀具放入CVD金刚石沉积炉中，然后将CVD金刚石沉积炉抽真空，炉内压力不得高于10pa，再按照CH4、H2、N2气流速率比1∶100～300∶1～3通入CH4、H2、N2三者的混合气体，气体压力为-100～-90KPa，加热热丝，以调节切削刀具的表面温度为600～1000℃，沉积6～10h，切削刀具表面形成导电金刚石涂层；
CVD涂层外部的PVD涂层工艺包括：在步骤2的表面进行TiN涂层沉积，得到复合涂层切削刀具。
优选的，在步骤2的表面进行TiN涂层沉积步骤包括：将步骤2处理后的切削刀具放入直流磁控溅射装置中，通入反应气体Ar和N2，反应气压为0.8～1.2Pa，且Ar和N2的分压比为8～10∶1，沉积电压为400-450V，沉积时间为40～60min，得到复合涂层切削刀具。
优选的，所述TiN涂层沉积过程中，直流磁控溅射装置中基底温度小于400℃。
优选的，在步骤2的表面进行TiN涂层沉积步骤包括：将步骤2处理后的切削刀具放入磁过滤沉积装置中，将磁过滤沉积装置抽真空，通入反应气体Ar和N2，反应气压为0.005～0.02Pa，且Ar和N2的分压比为1∶8～10，沉积电压为15～35V，沉积时间为20～40min，得到复合涂层切削刀具。
优选的，所述TiN涂层沉积过程中，磁过滤沉积装置中基底温度小于60℃。
优选的，所述清洗前处理为用酒精或者丙酮进行切削刀具表面处理。
优选的，所述脱钴预处理包括用无机碱溶液碱蚀2～20min，碱蚀后清洗干净，然后再放入无机酸溶液酸蚀2～15min。
优选的，所述CH4、H2、N2气流速率比1∶200∶2。
优选的，步骤2中，切削刀具表面形成的导电金刚石涂层厚度为6～10μm。
优选的，切削刀具表面形成的TiN涂层厚度为1～3μm。
本发明的有益效果：本发明公开一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺，通过对切削刀具内部进行CVD导电金刚石涂层涂覆，然后再通过在CVD导电金刚石涂层表面进行TiN涂层涂覆，形成一种复合涂层的刀具。通过该制备工艺制备的切削刀具韧性强、耐磨性好，使用寿命长；此外，通过合理调节反应气体的CH4、H2、N2气流速率比，使得切削刀具内部涂覆的金刚石导电性好，不但有利于在切削刀具CVD涂层的表面进行PVD涂层涂覆，而且还能扩大切削刀具的应用领域。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺，包括切削刀具内部的CVD涂层工艺和CVD涂层外部的PVD涂层工艺；其中，
切削刀具内部的CVD涂层工艺包括以下步骤：
步骤1：将切削刀具依次进行清洗前处理以及脱钴预处理，并将脱钴预处理后的切削刀具清洗后吹干待用；需要说明的是，清洗前处理是指将切削刀具表面的有机污物去除。可以通过酒精或者丙酮来处理。脱钴预处理是为了去除切削刀具表面的钴，以提高后期复合涂层的附着力。脱钴预处理包括用无机碱溶液碱蚀2～20min，碱蚀后清洗干净，然后再放入无机酸溶液酸蚀2～15min。本实施例中，无机碱溶液为w(KOH)∶w(K3[Fe(CN)6])∶w(H2O)＝1∶1∶10，碱蚀时间为5min，无机酸溶液为v(H2SO4)∶v(H2O)＝1∶10，酸蚀时间为5min。采用上述脱钴预处理，复合涂层的附着强度好，涂层不易脱落。
步骤2：将步骤1中待用的切削刀具放入CVD金刚石沉积炉中，然后将CVD金刚石沉积炉抽真空，炉内压力不得高于10pa，再按照CH4、H2、N2气流速率比1∶200∶2通入CH4、H2、N2三者的混合气体，炉内压力控制在-98KPa，加热热丝，以调节切削刀具的表面温度为600～1000℃，沉积6～10h，切削刀具表面形成导电金刚石涂层；需要说明的是，CH4、H2、N2气流速率比直接会影响涂覆金刚石的导电性。本实施例中，优选CH4、H2、N2气流速率比1∶200∶2。加热热丝，以调节切削刀具的表面温度为800℃，沉积8h，切削刀具表面形成的导电金刚石涂层厚度为8μm。
CVD涂层外部的PVD涂层工艺包括在步骤2的表面进行TiN涂层沉积，得到复合涂层切削刀具。本实施例中采用直流磁控溅射装置进行TiN涂层的沉积。具体的，将涂覆导电金刚石涂层后的切削刀具放入直流磁控溅射装置中，采用高纯Ti靶为溅射靶，反应气体为Ar和N2，靶基距55mm，系统衬底压强2×10-3Pa，反应气压1.0Pa，Ar和N2分压比9∶1，沉积电压维持在420V，沉积时间50min，在整个沉积过程中，系统基底温度不超过400℃，得到TiN涂层厚度约2μm。其中基底材料为不锈钢。将复合涂层处理后的切削刀具放置在丙酮及乙醇中超声清洗各10min，然后烘干即可。
实施例2：
一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺，包括切削刀具内部的CVD涂层工艺和CVD涂层外部的PVD涂层工艺；其中，
切削刀具内部的CVD涂层工艺包括以下步骤：
步骤1：将切削刀具用酒精进行清洗前处理，然后采用无机碱溶液为w(KOH)∶w(K3[Fe(CN)6])∶w(H2O)＝1∶1∶10，碱蚀时间为10min，无机酸溶液为v(H2SO4)∶v(H2O)＝1∶10，酸蚀时间为10min进行脱钴预处理，并将脱钴预处理后的切削刀具清洗后吹干待用。
步骤2：将步骤1中待用的切削刀具放入CVD金刚石沉积炉中，然后将CVD金刚石沉积炉抽真空，炉内压力不得高于10pa，再按照CH4、H2、N2气流速率比1∶250∶1通入CH4、H2、N2三者的混合气体，炉内压力控制在-98KPa，加热热丝，以调节切削刀具的表面温度为800℃，沉积10h，切削刀具表面形成导电金刚石涂层厚度为10μm。
CVD涂层外部的PVD涂层工艺包括在步骤2的表面进行TiN涂层沉积，得到复合涂层切削刀具。本实施例中采用磁过滤沉积装置进行TiN涂层的沉积。具体的，将涂覆导电金刚石涂层后的切削刀具放入磁过滤沉积装置中，采用高纯钛阴极靶，真空室衬底压强为6.7×10-4Pa，反应气体为Ar和N2的分压比1∶10，反应气压保持在1.0×10-2Pa，沉积电压为25V，沉积时间为30min，涂层厚度为2μm。在沉积TiN涂层过程中，基底温度不超过60℃，所用的基底材料为不锈钢，复合涂层处理后的切削刀具抛光处理后分别置于丙酮及乙醇中超声清洗各10min，然后烘干即可。
实施例3：
一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺，包括切削刀具内部的CVD涂层工艺和CVD涂层外部的PVD涂层工艺；其中，
切削刀具内部的CVD涂层工艺包括以下步骤：
步骤1：将切削刀具用丙酮进行清洗前处理，然后采用无机碱溶液为w(KOH)∶w(K3[Fe(CN)6])∶w(H2O)＝1∶1∶10，碱蚀时间为15min，无机酸溶液为v(H2SO4)∶v(H2O)＝1∶10，酸蚀时间为13min进行脱钴预处理，并将脱钴预处理后的切削刀具清洗后吹干待用。
步骤2：将步骤1中待用的切削刀具放入CVD金刚石沉积炉中，然后将CVD金刚石沉积炉抽真空，炉内压力不得高于10pa，再按照CH4、H2、N2气流速率比1∶100∶3通入CH4、H2、N2三者的混合气体，炉内压力控制在-98KPa，加热热丝，以调节切削刀具的表面温度为800℃，沉积6h，切削刀具表面形成导电金刚石涂层厚度为6μm。
CVD涂层外部的PVD涂层工艺包括在步骤2的表面进行TiN涂层沉积，得到复合涂层切削刀具。本实施例中采用磁过滤沉积装置进行TiN涂层的沉积。具体的，将涂覆导电金刚石涂层后的切削刀具放入直流磁控溅射装置中，采用高纯Ti靶为溅射靶，反应气体为Ar和N2，靶基距55mm，系统衬底压强2×10-3Pa，反应气压1.0Pa，Ar和N2分压比8∶1，沉积电压维持在450V，沉积时间60min，在整个沉积过程中，系统基底温度不超过400℃，得到TiN涂层厚度约3μm。其中基底材料为不锈钢。将复合涂层处理后的切削刀具放置在丙酮及乙醇中超声清洗各10min，然后烘干即可。
实施例4：
一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺，包括切削刀具内部的CVD涂层工艺和CVD涂层外部的PVD涂层工艺；其中，
切削刀具内部的CVD涂层工艺包括以下步骤：
步骤1：将切削刀具用酒精进行清洗前处理，然后采用无机碱溶液为w(KOH)∶w(K3[Fe(CN)6])∶w(H2O)＝1∶1∶10，碱蚀时间为20min，无机酸溶液为v(H2SO4)∶v(H2O)＝1∶10，酸蚀时间为5min进行脱钴预处理，并将脱钴预处理后的切削刀具清洗后吹干待用。
步骤2：将步骤1中待用的切削刀具放入CVD金刚石沉积炉中，然后将CVD金刚石沉积炉抽真空，炉内压力不得高于10pa，再按照CH4、H2、N2气流速率比1∶300∶2通入CH4、H2、N2三者的混合气体，炉内压力控制在-98KPa，加热热丝，以调节切削刀具的表面温度为1000℃，沉积6h，切削刀具表面形成导电金刚石涂层厚度为7μm。
CVD涂层外部的PVD涂层工艺包括在步骤2的表面进行TiN涂层沉积，得到复合涂层切削刀具。本实施例中采用磁过滤沉积装置进行TiN涂层的沉积。具体的，将涂覆导电金刚石涂层后的切削刀具放入直流磁控溅射装置中，采用高纯Ti靶为溅射靶，反应气体为Ar和N2，靶基距55mm，系统衬底压强2×10-3Pa，反应气压1.0Pa，Ar和N2分压比10∶1，沉积电压维持在420V，沉积时间40min，在整个沉积过程中，系统基底温度不超过400℃，得到TiN涂层厚度约1μm。其中基底材料为不锈钢。将复合涂层处理后的切削刀具放置在丙酮及乙醇中超声清洗各10min，然后烘干即可。
对比例1：
一种基于切削刀具的CVD金刚石涂层制备工艺，切削刀具表面CVD涂层工艺包括以下步骤：
将切削刀具用酒精进行清洗前处理，然后将待用的切削刀具放入CVD金刚石沉积炉中，然后将CVD金刚石沉积炉抽真空，炉内压力不得高于10pa，再按照CH4、H2气流速率比1∶200通入CH4、H2三者的混合气体，炉内压力控制在-98KPa，加热热丝，以调节切削刀具的表面温度为800℃，沉积6h，切削刀具表面形成导电金刚石涂层厚度为8μm。
对比例2：
一种基于切削刀具的PVD涂层制备工艺，切削刀具表面进行TiN涂层沉积工艺具体包括以下步骤：
将切削刀具用酒精进行清洗前处理，然后将待用的切削刀具放入直流磁控溅射装置中，采用高纯Ti靶为溅射靶，反应气体为Ar和N2，靶基距55mm，系统衬底压强2×10-3Pa，反应气压1.0Pa，Ar和N2分压比10∶1，沉积电压维持在420V，沉积时间40min，在整个沉积过程中，系统基底温度不超过400℃，得到TiN涂层厚度约1μm。其中基底材料为不锈钢。将复合涂层处理后的切削刀具放置在丙酮及乙醇中超声清洗各10min，然后烘干即可。
本实施例中通过洛氏压痕法评价复合涂层的附着力，设定加载载荷为588N，加载时间为10s，10s后卸载。用金相显微镜观察样品压痕的显微形貌，以观察压痕区域涂层脱落面积。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于切削刀具的复合涂层制备工艺，其特征在于，包括切削刀具内部的CVD涂层工艺和CVD涂层外部的PVD涂层工艺；其中，
切削刀具内部的CVD涂层工艺包括以下步骤：
步骤1：将切削刀具依次进行清洗前处理以及脱钴预处理，并将脱钴预处理后的切削刀具清洗后吹干待用；
步骤2：将步骤1中待用的切削刀具放入CVD金刚石沉积炉中，然后将CVD金刚石沉积炉抽真空，炉内压力不得高于10pa，再按照CH4、H2、N2气流速率比1∶100～300∶1～3通入CH4、H2、N2三者的混合气体，气体压力为-100～-90KPa，加热热丝，以调节切削刀具的表面温度为600～1000℃，沉积6～10h，切削刀具表面形成导电金刚石涂层；
CVD涂层外部的PVD涂层工艺包括：在步骤2的表面进行TiN涂层沉积，得到复合涂层切削刀具。
2.根据权利要求1所述基于切削刀具的复合涂层制备工艺，其特征在于，在步骤2的表面进行TiN涂层沉积步骤包括：将步骤2处理后的切削刀具放入直流磁控溅射装置中，通入反应气体Ar和N2，反应气压为0.8～1.2Pa，且Ar和N2的分压比为8～10∶1，沉积电压为400-450V，沉积时间为40～60min，得到复合涂层切削刀具。
3.根据权利要求2所述基于切削刀具的复合涂层制备工艺，其特征在于，所述TiN涂层沉积过程中，直流磁控溅射装置中基底温度小于400℃。
4.根据权利要求1所述基于切削刀具的复合涂层制备工艺，其特征在于，在步骤2的表面进行TiN涂层沉积步骤包括：将步骤2处理后的切削刀具放入磁过滤沉积装置中，将磁过滤沉积装置抽真空，通入反应气体Ar和N2，反应气压为0.005～0.02Pa，且Ar和N2的分压比为1∶8～10，沉积电压为15～35V，沉积时间为20～40min，得到复合涂层切削刀具。
5.根据权利要求4所述基于切削刀具的复合涂层制备工艺，其特征在于，所述TiN涂层沉积过程中，磁过滤沉积装置中基底温度小于60℃。
6.根据权利要求1所述基于切削刀具的复合涂层制备工艺，其特征在于，所述清洗前处理为用酒精或者丙酮进行切削刀具表面处理。
7.根据权利要求1所述基于切削刀具的复合涂层制备工艺，其特征在于，所述脱钴预处理包括用无机碱溶液碱蚀2～20min，碱蚀后清洗干净，然后再放入无机酸溶液酸蚀2～15min。
8.根据权利要求1所述基于切削刀具的复合涂层制备工艺，其特征在于，所述CH4、H2、N2气流速率比1∶200∶2。
9.根据权利要求1所述基于切削刀具的复合涂层制备工艺，其特征在于，步骤2中，切削刀具表面形成的导电金刚石涂层厚度为6～10μm。
10.根据权利要求1所述基于切削刀具的复合涂层制备工艺，其特征在于，切削刀具表面形成的TiN涂层厚度为1～3μm。
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