CN108754520A - 硬质合金表面涂层去除方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硬质合金表面涂层去除方法和设备，尤其是一种涉及精密切削刀具涂层去除领域的硬质合金表面涂层去除方法和设备。本发明采用的硬质合金表面涂层去除方法，用Ar离子轰击硬质合金表面的涂层，使硬质合金表面的涂层原子摆脱涂层本体束缚，让涂层剥离。本发明的硬质合金表面涂层去除设备，包括供气系统、真空室、真空系统、热丝离子源、辅助阳极、电场发生装置、工件架和驱动机构、加热系统，供气系统与真空室的气体入口连通，热丝离子源的灯丝和辅助阳极位于真空室内。本发明的硬质合金表面涂层去除方法和设备可以不受涂层品种限制，能彻底有效去除复杂型面零部件涂层，并且不会影响涂层所覆盖的硬质合金基体，不会产生环境污染。

Description

硬质合金表面涂层去除方法和设备
技术领域
本发明涉及一种硬质合金表面涂层去除方法和设备，尤其是一种涉及精密切削刀具涂层去除领域的硬质合金表面涂层去除方法和设备。
背景技术
硬质合金刀具是最主要的切削工具之一，而表面涂层的采用则是提高硬质合金刀具使用性能的基本方法。由于硬质合金加工费用昂贵，如果在涂层制备或由于其它原因导致问题的出现，最有效的措施是，在较短周期内，通过去除涂层，而后重新完成涂覆。
硬质合金涂层的剥离方法可划分为物理和化学两大类。
物理剥离方法包括：喷砂、机械球磨、真空高温烧结、离子束表面处理等。
真空高温烧结主要依据涂层硬质合金的形成机理，并结合金属的物理性能和烧结理论而进行的，将涂层硬质合金置于真空(气氛)烧结炉中，在1000～1600℃温度下，保温30～180min，粘结相基本达到液相状态，涂层物与合金基体的热膨胀系数发生有序——无序转变，促使涂层与合金基体分离。真空高温烧结会对硬质合金基体性质产生影响，实际上只能用于硬质合金材料的回收。
离子束表面处理法(IBEST)是美国Quantum制造技术公司用于解决切削刀具表面涂层的脱除而开发出来的。该工艺利用离子束将50亿瓦特的能量作用在刀具上150纳秒，快速加热涂层到3000F°以上。然后表面以大约百分之一秒的速率冷却，以产生热冲击，当离子束被断开后，由于脉冲的时间太短，大量的热量不会传入硬质合金内部，从而涂层表面与硬质合金基体产生巨大的热差，使涂层是从硬质合金基体上剥落下来。
喷砂、机械球磨等处理方法，无法有效地去全部除表面涂层。
化学剥离方法通常有化学氧化法、电解法、电化学法等方法。
(1)化学氧化法
化学氧化法是利用氧化剂与涂层在一定的条件下反应，将涂层氧化、分解为气体或可溶于水的组分，达到剥离涂层的目的。
(2)电解法
电流通过物质而引起化学变化的过程。电解过程是在电解池中进行的。电解池是由分别浸没在含有正、负离子的溶液中的阴、阳电极构成。运用电解法剥离硬质合金涂层，涉及电压、电流密度、电解液的浓度、温度、缓蚀剂等工艺参数。
(3)电化学法
在具有氧化性的碱性溶液中，极化涂层并保持一定的时间将导致其氧化，进而使涂层发生溶解。
涂层本身的特点：多元涂层是改善材料性能的重要途径。研究表明，提高涂层的耐磨性，可以通过多种元素的添加而获得，如添加V、Y、Si、Nb、Cr、W、Zr、Hf、Mo、B等。以PVD技术的发展为例，目前大体可以分为五大类，Ti基、TiAl基、AlCr基、无Ti、Al基及氧化物涂层。涂层种类的变化致使化学剥离方法的复杂化，也增加了剥离的难度；更重要的是Cr类涂层广泛的使用，其化学剥离则可能导致Cr6+的形成，产生危害性的污染(六价铬是指铬化合物中铬为+6价态，对应的还有三价铬，六价铬的毒性是三价铬的100倍。六价铬为吞入性毒物/吸入性极毒物，很容易被人体吸收的，它可通过消化、呼吸道、皮肤及粘膜侵入人体，吸入可能致癌，对环境有持久危险性。)
硬质合金本身的特点：硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物(WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴(Co)或镍(Ni)、钼(Mo)为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的基体由两部分组成：一部分是硬化相；另一部分是粘结相。粘结相一般是铁族金属，常用的是钴和镍。化学剥离方法极易导致粘结相的流失，从而导致硬质合金强度的大幅下降。
精密切削刀具的特征：
(1)锋利的切削刃口
在小尺寸切削条件下，为了实现微量的材料去除，所采用的切削深度和进给量通常较小，切削厚度与刀具刃口半径处于同一数量级，精密切削刀具实际前角表现为较大的负值，半径对于微小切削性能的影响不容忽视，切削刀具应具有足够锋利的切削刃口。
(2)冲击强度大
精密车削通常是在较高速度下进行的，刀具的切削部分应具备足够高的强度和动态特性，应能够承受切削时的高频冲击负载。
(3)耐磨性
精密车削刀具的切削部分应具有足够高的硬度，以保证其耐磨性，磨损后的刀具，进行微小切削时，不仅影响加工精度，也会产生明显的加工毛刺，导致产品报废。
环境保护的影响：在整个PVD涂层工艺过程中，涂层的去除工艺是唯一可能产生环境污染的过程，目前的涂层去除方法仍以化学剥离方法为主，实际上并未达到满足绿色制造的要求。
综上所述，采用现有涂层去除技术的方法存在以下几个问题：
一、涂层种类的变化致使化学剥离方法的复杂化，也增加了剥离的难度；
二、化学剥离方法极易导致粘结相的流失，从而导致硬质合金强度的大幅下降，化学剥离方法易对硬质合金基体表面产生损坏；
三、化学剥离方法会带来对环境的污染；
四、喷砂、机械球磨等处理方法，无法有效地去全部除表面涂层；
五、离子束表面处理法(IBEST)产生的热冲击会对精密刀具的尺寸精度产生影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以不受涂层品种限制，可以有效避免粘结相流失，使硬质合金保持原有强度，不会对硬质合金基体表面产生损坏，不会产生环境污染的硬质合金表面涂层去除方法。
本发明解决其技术问题所采用的硬质合金表面涂层去除方法，用Ar离子轰击硬质合金表面的涂层，使硬质合金表面涂层的原子摆脱涂层本体束缚，从而让涂层逐渐剥离。
进一步的是，包括以下几个步骤：
A、将待去除涂层的硬质合金刀具置于真空室中，然后对真空室抽真空；
B、往真空室中送入Ar气；
C、对待去除涂层的硬质合金刀具表面涂层进行Ar离子的轰击；
D、对待去除涂层的硬质合金刀具冷却处理。
进一步的是，在通入Ar气后，对真空室进行预加热。
进一步的是，预加热温度为300～400℃，时间为50分钟至70分钟。
进一步的是，A步骤中抽真空后使真空室内压强小于5×10-2Pa。
进一步的是，利用气体离子源装置产生气体离子。
进一步的是，利用磁场和电场控制轰击表面涂层的气体离子的运动和能量。
进一步的是，在B步骤中送入40～60sccm的Ar气。
进一步的是，在C步骤中，使离子源热丝电流170～230A；离子源磁场电流7～10A；弧电源电流100～120A；气体压强2.0×10-1～2.4×10-1Pa，Ar气流量40～60sccm，开启偏压电源，逐渐加电压至直流0～100V、脉冲0～300V。
本发明所解决的另一个技术问题是提供一种可以不受涂层品种限制，可以有效避免粘结相流失，使硬质合金保持原有强度，不会对硬质合金基体表面产生损坏，不会产生环境污染的硬质合金表面涂层去除设备。
本发明解决其技术问题所采用的硬质合金表面涂层去除设备，包括供气系统、真空室、真空系统、热丝离子源、辅助阳极、电场发生装置、工件架、加热装置和驱动机构、加热管，所述供气系统与真空室的气体入口连通，所述热丝离子源的灯丝和辅助阳极位于真空室内，所述真空系统与真空室连通，所述驱动机构和工件架传动连接，所述加热装置包括加热电源和加热管，所述加热电源与加热管电连接，所述加热管位于工件架远离热丝离子源的一侧。
本发明的有益效果是：采用本申请的涂层去除方法，其对硬质合金刀具表面涂层的剥离作用产生在原子层面，气体离子的能量便于精准控制，可以实现涂层的逐层精确剥离，从而有效避免粘结相流失，使硬质合金保持涂层去除前的强度，不会对硬质合金基体表面形貌产生损坏，并且本申请的方法在涂层剥离过程没有热冲击，不会破坏涂层所覆盖的刀具基体，不会对精密硬质合金刀具的尺寸精度产生影响，同时本申请的方法不受涂层种类的限制，克服了化学方法因为涂层种类的变化致使剥离方法复杂化、剥离难度大的缺点，并且本申请的方法不会对涂层的基体产生腐蚀作用，也不会造成环境污染。
附图说明
图1为热丝离子源轰击原理图；
图2是采用本申请的设备剥离AlTiCrN/TiSiN涂层硬质合金刀片的原理图；
图中主要零部件及编号：真空室1、热丝离子源2、辅助阳极3、工件架4、涂层刀片5，加热管6，AlTiCrN/TiSiN涂层7、等离子体8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的硬质合金刀具表面涂层剥离方法，其原理如图1、2所示，用Ar离子轰击硬质合金表面的涂层，使硬质合金表面原子摆脱涂层本体束缚，从而让涂层逐渐剥离。本申请利用Ar离子轰击零部件表面的涂层，轰击时Ar离子的能量使受到轰击的涂层表面原子摆脱涂层本体束缚而脱离涂层本体，外层原子脱离后，原来位于内层的原子暴露在外部，气体离子继续轰击暴露在外的原子，使涂层逐层剥离至到表面的涂层完全被去除。采用本申请的涂层去除方法，其对硬质合金刀具表面涂层的剥离作用产生在原子层面，气体离子的能量便于精准控制，可以实现涂层的逐层精确剥离，从而有效避免粘结相流失，使硬质合金保持涂层去除前的强度，不会对硬质合金基体表面形貌产生损坏，并且本申请的方法在涂层剥离过程没有热冲击，不会破坏涂层所覆盖的刀具基体，不会对精密硬质合金刀具的尺寸精度产生影响，同时本申请的方法不受涂层种类的限制，克服了化学方法因为涂层种类的变化致使剥离方法复杂化、剥离难度大的缺点，并且本申请的方法不会对涂层的硬质合金基体产生腐蚀作用，也不会造成环境污染。
为了进一步提高涂层剥离的效果，本申请还采取了下述措施：
A、将待去除涂层的硬质合金刀具置于真空室中，然后对真空室抽真空；
B、往真空室中送入Ar气；
C、对待去除涂层的硬质合金刀具表面进行Ar离子的轰击；
D、对待去除涂层的硬质合金刀具冷却处理。
为了保证剥离效果，涂层的去除过程在稳定的真空环境中进行，在真空室1中将Ar气离化产生Ar离子，用Ar离子轰击零部件的涂层使其剥离。其中氩气离子质量轻，成本低，因此本申请的优选Ar离子作为轰击的离子。
实施例1
为了使涂层更容易剥离，本实施例在通入Ar气后，对真空室1进行预加热到一定温度，用以激活涂层离子能量，使涂层原子在受到气体离子轰击后更容易摆脱涂层基体束缚而剥离。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，将预加热温度控制在300～400℃范围内，将加热时间控制在时间为50分钟至70分钟，使涂层离子能量能够被充分激活，并维持在最佳状态。
实施例3
在本实施例中，为了使剥离过程在可稳定的真空环境中进行，A步骤中抽真空后保证真空室1内压强小于5×10-2Pa。
实施例4
如图1所示，本实施例利用气体离子源装置产生充足的气体离子，气体离子源装置包括了热丝离子源2，辅助阳极3等部件，可以使Ar气快速转化为Ar离子。
实施例5
在剥离工艺中，气体离子能量的均布性对剥离效果有重要影响，磁场和电场的强度可以通过磁场和电场发生装置的电流进行精确控制，因此本实施例利用磁场和电场作用可以精确控制轰击表面涂层的气体离子的运动和能量，提高气体离子能量的均布性，使涂层能够被准确剥离。
实施例5
在B步骤中送入40～60sccm的Ar气在C步骤中，使离子源热丝电流170～230A；离子源磁场电流7～10A；弧电源电流100～120A；真空室内的气体压强2.0×10-1～2.4×10-1Pa，Ar气流量40～60sccm，开启偏压电源，逐渐加电压至直流0～100V、脉冲0～300V。本实施例利用热丝离子源2产生的Ar+，并通过前述温度、脉冲基体偏压的调配，通过磁场和电场控制气体离子以最适合的能量轰击零部件表面待去除的涂层，让涂层准确剥离。
如图1所示，本发明的硬质合金表面涂层去除设备，包括供气系统、真空室1、真空系统、热丝离子源2、辅助阳极3、电场发生装置、工件架4、加热装置和驱动机构，所述供气系统与真空室1的气体入口连通，所述热丝离子源2的灯丝和辅助阳极3位于真空室1内，所述真空系统与真空室1连通，所述驱动机构和工件架4传动连接，所述加热装置包括加热电源和加热管6，所述加热电源与加热管6电连接，所述加热管位于工件架4远离热丝离子源2的一侧。本申请硬质合金表面涂层去设备利用真空系统将真空室1抽成真空，为涂层去除提供真空环境，利用供气系统将Ar气通入真空室1中，然后利用热丝离子源2产生气体离子，并利用电场发生装置产生的偏压电场控制气体离子运动轰击零部件表面的涂层，在轰击过程中驱动机构驱动夹持零部件的工件架4按照一定的方式运动，使零件表面需要去除的涂层部分能够受到足够的离子轰击。为了实现预加热，还可以在工件架4附件设置加热装置，本申请选用加热管6进行预加热。工件架4用于固定涂层刀片5。采用本发明的硬质合金表面涂层去除设备，可以利用热丝离子源2产生的Ar离子轰击硬质合金表面涂层，依靠轰击时气体离子的能量使涂层逐层精确剥离，从而有效避免粘结相流失，使硬质合金保持涂层去除前的强度，不会对硬质合金基体表面形貌产生损坏，并且本申请的方法在涂层剥离过程没有热冲击，不会破坏涂层所覆盖的刀具基体，不会对精密硬质合金刀具的尺寸精度产生影响，同时本申请的方法不受涂层种类的限制，克服了化学方法因为涂层种类的变化致使剥离方法复杂化，增加剥离难度的缺点，并且本申请的方法不会对涂层的基体产生腐蚀作用，也不会造成环境污染。
为了提高涂层去除的效率和去除的效果，本申请还在工件架4上增设多个相互独立的转架，每个转架上又设置有拨爪机构。可以一次性将待去除涂层的多个刀片安装在转架上，在涂层去除过程中刀片随转架一起转动的同时，拨爪机构拨动刀片相对转架转动，使刀片在涂层去除过程中做二维转动。采用前述的方案可以使的涂层去除时作用在涂层上的离子能量更加集中，能量上升更快，可以使涂层去除的效率提高二倍至三倍，使涂层去除地更加彻底。
在具体实施时可以布置八树转架，转架转动直径为200mm，转速为0.5～2转/min
采用本申请的设备剥离AlTiCrN/TiSiN涂层硬质合金刀片的原理如图2所示，其中的加热装置采用的是加热管6，热丝离子源2产生的等离子体8不断轰击刀片上的AlTiCrN/TiSiN涂层7使其逐渐剥离。
下面是采用本申请的方法待剥离AlTiCrN/TiSiN涂层硬质合金刀片的工艺过程：
(1)前处理：
刀片经常规弱碱性清洗剂和无水酒精超声波清洗后干燥，置于镀膜室内；
(2)涂层剥离前准备工作：
①真空室充气，打开炉门；
②根据需要更换视窗玻璃；
③用高压气枪清洁炉体各个部位，压强0.6MPa；
④选择适当的夹具，装入刀片，确认夹具运动可靠无误；
⑤确认电子枪、电弧源、溅射源、辅助阳极、工件夹具的绝缘状况，其阻值应大于100KΩ；
⑥关闭蒸镀室、关闭放气阀。
(3)抽真空(至5×10-2Pa)及预加热
①启动冷水机组；
②维持泵、前级泵、打开预抽阀；
③启动复合真空计，打开热偶规1，测试前级管道真空，真空小于5Pa
④启动分子泵；
⑤当分子泵进入正常工作状态，并真空室真空度满足小于5Pa后，关闭预抽阀、开启前级阀、高真空阀；
⑥当真空值小于5×10-2Pa时，送人40～60sccm的Ar气，并开启辅助加热(5KW)；
⑦开启工件转动，调频15Hz；
⑧60min后准备进入Ar离子轰击阶段。
(4)Ar离子轰击
①灯丝电流维持在170～230A；
②弧电流减至100～120A；
③磁场电流减至7～10A；
④气体压强调至(2.0～2.4)×10-1Pa，Ar气流量40～60sccm；
⑤启开偏压电源，逐渐加电压至直流0～100V、脉冲0～300V；
⑥离子轰击时段约为150～240min。
(5)冷却：工艺时间60～120min。
①关闭偏压电源；
②关闭电弧电源；
③关闭磁场电源；
④关闭灯丝电源；
⑤关闭加热电源；
⑥关闭分子泵启动电源；
⑦停止Ar气送入；
⑧自然冷却90～120min。

Claims (10)

1.硬质合金表面涂层去除方法，其特征在于：用Ar离子轰击硬质合金表面的涂层，使硬质合金表面涂层的原子摆脱涂层本体束缚，从而让涂层逐渐剥离。
2.如权利要求1所述的硬质合金表面涂层去除方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
A、将待去除涂层的硬质合金刀具置于真空室(1)中，然后对真空室(1)抽真空；
B、往真空室(1)中送入Ar气；
C、对待去除涂层的硬质合金刀具表面涂层进行Ar离子的轰击；
D、对待去除涂层的硬质合金刀具冷却处理。
3.如权利要求2所述的硬质合金表面涂层去除方法，其特征在于：在通入Ar气后，对真空室(1)进行预加热。
4.如权利要求3所述的硬质合金表面涂层去除方法，其特征在于：预加热温度为300～400℃，时间为50分钟至70分钟。
5.如权利要求2所述的硬质合金表面涂层去除方法，其特征在于：A步骤中抽真空后使真空室(1)内压强小于5×10-2Pa。
6.如权利要求2所述的硬质合金表面涂层去除方法，其特征在于：利用气体离子源装置产生气体离子。
7.如权利要求6所述的硬质合金表面涂层去除方法，其特征在于：利用磁场和电场控制轰击表面涂层的气体离子的运动和能量。
8.如权利要求7所述的硬质合金表面涂层去除方法，其特征在于：在B步骤中送入40～60sccm的Ar气。
9.如权利要求8所述的硬质合金表面涂层去除方法，其特征在于：在C步骤中，使离子源热丝电流170～230A；离子源磁场电流7～10A；弧电源电流100～120A；气体压强2.0×10-1～2.4×10-1Pa，Ar气流量40～60sccm，开启偏压电源，逐渐加电压至直流0～100V、脉冲0～300V。
10.用于权利要求1所述的硬质合金表面涂层去除方法的硬质合金表面涂层去除设备，其特征在于：包括供气系统、真空室(1)、真空系统、热丝离子源(2)、辅助阳极(3)、电场发生装置、工件架(4)、加热装置和驱动机构，所述供气系统与真空室(1)的气体入口连通，所述热丝离子源(2)的灯丝和辅助阳极(3)位于真空室(1)内，所述真空系统与真空室(1)连通，所述驱动机构和工件架(4)传动连接，所述加热装置包括加热电源和加热管(6)，所述加热电源与加热管(6)电连接，所述加热管位于工件架(4)远离热丝离子源(2)的一侧。
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