CN109023243B - 一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层及其制备方法，所述涂层从刀具基体到表面依次包含Ti轰击层、TiN结合层、TiCN过渡层、nc‑TiC/GLC功能层和非平衡态能量积累ne‑TirC/GLC表面层。所述Ti轰击层的厚度为0.1～0.5μm，所述TiN结合层的厚度为0.2～0.7μm，所述TiCN过渡层的厚度为0.3～1.2μm，所述nc‑TiC/GLC功能层的厚度为1～3μm，所述ne‑TirC/GLC表面层的厚度为30～80 nm。本发明提供的刀具涂层具有硬度高、摩擦系数低、结合强度高、内应力高、切削效果好的特点，沉积涂层刀具适用于高速条件下的铝合金材料切削加工，刀具寿命可提高8倍以上。

Description

一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及涂层制备技术，具体地，涉及一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层及其制备方法。
背景技术
汽车上很多主要零部件如发动机缸体、缸盖及轮毂普遍均使用铝合金。应用如此广泛的铝合金，在切削加工时却面临一些难题，如加工易粘结、熔点低、强度较小、抗塑性变性能力差且热膨胀系数较大等特点使铝合金成为难加工材料之一。当前切削铝合金使用较多的刀有高速钢刀具、硬质合金刀具、金刚石刀具、陶瓷刀具及涂层刀具等，而目前在国内使用更多的是经济性更好的高速钢刀具，但高速钢刀具的高温硬度、抗磨损、易粘结等性能已很难满足现代切削要求。硬质合金刀具兼具一定的硬度与抗磨损能力，在铝合金的加工方面使用率逐渐升高，但其脆性稍大、除YG类，YW、YT类中含有的Ti C对切削铝合金时增加粘刀的可能，对硬质合金刀具的应用有一定的限制。金刚石刀具分为单晶金刚石(PCD)及聚晶金刚石(MCD)刀具，超高的硬度、高导热性及低的摩擦系数，同时碳与铝的不亲和，减轻粘铝，提高刀具的耐磨性能，使其在加工铝合金时表现出明显更优越的切削性能，但金刚石刀具脆性大及昂贵的价格使其运用范围大大降低。陶瓷刀具超高硬度的同时脆性大，粘铝导致的刀具振动或铝中的硬质相均可能导致刀具失效。基于以上铝合金加工刀具材料的情况，寻找一种加工铝合金时切削效率高、经济性能良好的刀具成为当前工具行业的热点。
碳基涂层如类金刚石和类石墨烯涂层具有优异的硬度、摩擦系数、热导率、硬度、热稳定性，作为涂层刀具在切削铝合金时，突出的特点是可以抑制积削瘤的形成，且被加工工件表面质量好。碳基涂层与铝不亲和，减轻铝的粘结，在切削铝合金时有很好的发展空间，但是在制备碳基涂层时共同的缺点是内应力高，热稳定性不足。高内应力导致膜基结合力差，沉积的涂层超过1um后就会出现掉膜甚至自动脱落的现象，若使用在刀具基体上很可能将直接导致刀具失效。
因此，很有必要研发一种硬度高、摩擦系数低、内应力低以及使用寿命长的刀具涂层。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层，本发明提供的涂层具有硬度高、摩擦系数低、结合强度高、内应力低的特点，沉积涂层刀具适用于高速条件下的铝合金料切削加工。
本发明的另一目的在于提供上述涂层的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层，所述涂层从刀具基体到表面依次包含Ti轰击层、TiN结合层、TiCN过渡层、nc-TiC/GLC功能层和非平衡态能量积累ne-TiC/GLC表面层。
在本发明中，所述Ti轰击层的作用为改善刀具表面质量，增加涂层附着力；TiN结合层的作用在于改善整体涂层结合力；TiCN过渡层的作用在于改善涂层韧性及强度，降低内应力；所述nc-TiC/GLC功能层为纳米晶CrC镶嵌类石墨烯非晶碳结构组成，其作用为改善涂层的硬度及摩擦系数；所述表面层采用载能粒子束原位轰击功能层促进非平衡态及能量积累生成。
在本发明中，所述ne-TiC/GLC表面层的结构为纳米复合结构或者非晶石墨烯结构，可以通过调节离子源电压，偏压及高功率脉冲磁控溅射电源电压控制。
优选地，所述Ti轰击层的厚度为0.1～0.5μm，所述TiN结合层的厚度为0.2～0.7μm，所述TiCN过渡层的厚度为0.3～1.2μm，所述nc-TiC/GLC功能层的厚度为1～3μm，所述ne-TiC/GLC表面层的厚度为30～80nm。
优选地，所述nc-TiC/GLC功能层为TiC镶嵌类石墨烯非晶碳结构的纳米复合结构，TiC纳米颗粒大小在3～20nm，Ti元素含量按原子百分比在5～20at％，C元素含量在80～95at％。
优选地，所述TiN结合层、TiCN过渡层、nc-TiC/GLC功能层均采用电弧离子镀技术制备。
优选地，所述Ti轰击层和ne-TiC/GLC表面层采用高功率脉冲磁控溅射及阳极层离子源加高偏压轰击制备。
优选地，所述Ti轰击层的制备方法为：
将基体清洗后置于基片架上，当真空室的本底真空度为1×10-4～1×10-3Pa时，通入Ar气并控制气压在1×10-2～5×10-1Pa，基片温度300～500℃，负偏压-900～-1200V，对试样表面进行辉光清洗，轰击时间10～40min；清洗结束后，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1～9×10-1Pa，离子源电流2～15A，电压300～800V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率0.3～2k，峰值电压400～800V，峰值电流300～800A，偏压保持在-400～-200V，对工件基体轰击5～30min即可。
优选地，所述TiN结合层的制备方法如下：
在Ti轰击层沉积完毕后，偏压降到-150～-250V，关闭阳极层离子源及高功率磁控溅射电源，断掉Ar气，通入N2，采用光电子能谱PEM反应气体反馈装置控制控制气压在1.2～2.2Pa，保持基材温度300～500℃；开启阴极电弧靶，控制电弧电压30～80V，电弧电流40～120A，开始沉积金属TiN结合层，沉积10～30min即可。
优选地，所述TiCN过渡层的制备方法如下：
所述TiN结合层沉积结束后，通入C2H2气体，通过质量流量计控制C2H2和N2气体气压在1.0～2.0Pa，控制电弧电压10～60V，电弧电流40～80A；调节PEM值控制N2并通过真空室节流阀控制将N2流量在沉积过程中从80sccm降到20sccm，C2H2流量在沉积过程中从20sccm升到80sccm，负偏压120～180V，衬底温度300～500℃，基片转速2～7rpm,开始制备TiCN过渡层；沉积时间10～40min即可。
优选地，所述nc-TiC/GLC功能层的制备方法如下：
TiCN过渡层沉积结束后，通入C2H2和N2，通过质量流量计控制气压在0.5～1.5Pa，C2H2/N2比例在1/2～2/1，负偏压60～120V，衬底温度300～500℃，开启非平衡磁控溅射石墨对靶，控制靶电流5～20A，电压200～700V,开启Ti电弧靶，控制电弧电压10～50V，电弧电流40～100A，转架转速2～8rpm，沉积时间40～140min即可。
优选地，所述ne-TiC/GLC表面层的制备方法如下：
所述nc-TiC/GLC功能层沉积结束后，关闭电弧靶及中频磁控溅射靶，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1～8×10-1Pa，离子源电流2～10A，电压600～1000V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率0.3～2kW，峰值电压400～900V，峰值电流400～800A，偏压保持在-800～-1500V，对nc-TiC/GLC轰击10～30min即可。
物理气相沉积(PVD)技术是现阶段制备刀具涂层的主流技术主要包括磁控溅射和阴极弧电弧离子镀。电弧离子镀具有离化率高、适合工业化大面积生产的优点，在负偏压加速下，沉积膜层结合力好，组织致密，沉积速率高。中频磁控溅射技术沉积速率快，可以沉积难熔金属及石墨靶，目前已被广泛用于硬质耐磨涂层和高温防护涂层涂覆。本发明综合利用利用多弧离子镀技术和中频磁控溅射技术制备碳基刀具涂层，该碳基涂层具有的结构体系使其具有硬度高、摩擦系数低、结合强度高、切削性能好的特点。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)超强韧性：采用高功率脉冲磁控溅射技术及阳极层离子源进行金属打底层轰击，增加附着力；采用元素及应力梯度渐变TiCN过渡层，促进整体涂层的结合力，减少内应力。
(2)高硬度及低摩擦系数：纳米晶CrC镶嵌类石墨烯非晶碳结构组成的nc-TiC/GLC层具有高硬度及低摩擦系数，机械性能优异。
(3)涂层寿命长：设计促进非平衡态及能量积累表面层：创新性利用原位离子源轰击或者HIPIMS高偏压轰击促进刀具表面非平衡态的的生成，从而减少刀具涂层裂纹生成需要的能量，提高刀具涂层寿命。
(4)提高刀具寿命及切削效果：优化的涂层体系及结构：通过工艺参数调控轰击层、结合层、过渡层、功能层和表面层，大幅度提高刀具寿命及切削效果。实验测试表明，该碳基涂层体系具有超过70N的结合力，32Gpa的硬度，低达0.12的摩擦系数。切削实验表明涂层刀具寿命可提高8倍以上。
附图说明
图1为实施例1提供的碳基刀具涂层的结构示意图；
图2为实施例2提供的碳基刀具涂层的Raman图；
图3为实施例2提供的碳基刀具涂层的选区电子衍射及TEM图像。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
将硬质合金或者高速钢基体用酒精和丙酮清洗后置于基片架上，当真空室的本底真空度为1′10-4Pa时，通入Ar气并控制气压在1′10-2Pa，基片温度500℃，负偏压-1200V，对试样表面进行辉光清洗，轰击时间10分钟；清洗结束后，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1Pa，离子源电流5A，电压800V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率0.3kW，峰值电压4000V，峰值电流500A，偏压保持在-400V，对工件基体轰击10分钟约100纳米厚的Ti金属层。在轰击层沉积完毕后，偏压降到-150-250V，关闭阳极层离子源及高功率磁控溅射电源，断掉Ar气，通入N2，采用光电子能谱PEM反应气体反馈装置控制控制气压在1.2Pa，保持基材温度500℃；开启阴极电弧靶，控制电弧电压80V，电弧电流40A，开始沉积金属TiN结合层，沉积10分钟约0.20微米。通入C2H2气体，通过质量流量计控制C2H2和N2气体气压在1.0Pa，控制电弧电压20V，电弧电流80A；调节PEM值控制N2并通过真空室节流阀控制将N2流量在沉积过程中从80sccm降到20sccm，C2H2流量在沉积过程中从20sccm升到80sccm，负偏压180V，衬底温度500℃，基片转速3rpm,开始制备TiCN过渡层；沉积时间40分钟，过渡层厚度1.2微米。通入C2H2和N2，通过质量流量计控制气压在1.5Pa，C2H2/N2比例在1/2，负偏压60V，衬底温度500℃，开启非平衡磁控溅射石墨对靶，控制靶电流5A，电压700V，开启Ti电弧靶，控制电弧电压50V，电弧电流100A，转架转速3rpm，制备nc-TiC/GLC功能层；沉积时间40分钟，厚度1.0微米。关闭电弧靶及中频磁控溅射靶，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1Pa，离子源电流10A，电压600V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率0.3kW，峰值电压400V，峰值电流600A，偏压保持在-800V，对nc-TiC/GLC轰击10分钟，形成非平衡态能量积累ne-TiC/GLC表面层，厚度为30nm。整体涂层沉积完毕，超强韧、低摩擦碳基涂层刀具。制备的涂层命名为涂层1。
图1为超强韧、低摩擦碳基涂层刀具(涂层1)的结构示意图。涂层包含轰击层1、结合层2、过渡层3、功能层4和表面层5。
实施例2
将硬质合金或者高速钢基体用酒精和丙酮清洗后置于基片架上，当真空室的本底真空度为1′10-3Pa时，通入Ar气并控制气压在5′10-1Pa，基片温度400℃，负偏压-900V,对试样表面进行辉光清洗，轰击时间10分钟；清洗结束后，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1Pa，离子源电流15A，电压800V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率2kW，峰值电压800V，峰值电流300-A，偏压保持在-200V，对工件基体轰击30分钟约300纳米厚的Ti金属层。在轰击层沉积完毕后，偏压降到-150V，关闭阳极层离子源及高功率磁控溅射电源，断掉Ar气，通入N2，采用光电子能谱PEM反应气体反馈装置控制控制气压在2.2Pa，保持基材温度400℃；开启阴极电弧靶，控制电弧电压30V，电弧电流60A，开始沉积金属TiN结合层，沉积20分钟约0.32微米。通入C2H2气体，通过质量流量计控制C2H2和N2气体气压在1.3Pa，控制电弧电压20V，电弧电流50A；调节PEM值控制N2并通过真空室节流阀控制将N2流量在沉积过程中从80sccm降到20sccm，C2H2流量在沉积过程中从20sccm升到80sccm，负偏压120V，衬底温度400℃，基片转速2rpm,开始制备TiCN过渡层；沉积时间15分钟，过渡层厚度0.42微米。通入C2H2和N2，通过质量流量计控制气压在0.8Pa，C2H2/N2比例在2/1，负偏压100V，衬底温度400℃，开启非平衡磁控溅射石墨对靶，控制靶电流10A，电压300V,开启Ti电弧靶，控制电弧电压20V，电弧电流80A，转架转速8rpm，制备nc-TiC/GLC功能层；沉积时间40分钟，厚度1.2微米。关闭电弧靶及中频磁控溅射靶，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1Pa，离子源电流2A，电压1000V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率2kW，峰值电压900V，峰值电流800A，偏压保持在1500V，对nc-TiC/GLC轰击10分钟，形成非平衡态能量积累ne-TiC/GLC表面层，厚度为33nm。沉积完毕后，得到涂层厚碳基涂层硬质合金刀具。制备的涂层命名为涂层2。
图2为涂层2的Raman图像，可以看出，涂层含有典型石墨烯的G峰和D峰，因此具有sp2和sp3杂化的相结构，该结构可以提升涂层的硬度并降低摩擦系数。
图3为涂层2的TEM及选区电子衍射图像，可以看到TiC的衍射环及纳米镶嵌非晶基体的结构，说明涂层为nc-TiC/GLC结构。
实施例3
将硬质合金或者高速钢基体用酒精和丙酮清洗后置于基片架上，当真空室的本底真空度为1′10-4Pa时，通入Ar气并控制气压在1′10-2Pa，基片温度300℃，负偏压-1200V，对试样表面进行辉光清洗，轰击时间10分钟；清洗结束后，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1Pa，离子源电流5A，电压800V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率0.3kW，峰值电压400V，峰值电流500A，偏压保持在-400V，对工件基体轰击10分钟约100纳米厚的Ti金属层。在轰击层沉积完毕后，偏压降到-150V，关闭阳极层离子源及高功率磁控溅射电源，断掉Ar气，通入N2，采用光电子能谱PEM反应气体反馈装置控制控制气压在1.2Pa，保持基材温度300℃；开启阴极电弧靶，控制电弧电压80V，电弧电流40A，开始沉积金属TiN结合层，沉积10分钟约0.20微米。通入C2H2气体，通过质量流量计控制C2H2和N2气体气压在1.0Pa，控制电弧电压20V，电弧电流80A；调节PEM值控制N2并通过真空室节流阀控制将N2流量在沉积过程中从80sccm降到20sccm，C2H2流量在沉积过程中从20sccm升到80sccm，负偏压180V，衬底温度300℃，基片转速3rpm,开始制备TiCN过渡层；沉积时间40分钟，过渡层厚度1.2微米。通入C2H2和N2，通过质量流量计控制气压在1.5Pa，C2H2/N2比例在1/2，负偏压60V，衬底温度500℃，开启非平衡磁控溅射石墨对靶，控制靶电流5A，电压700V,开启Ti电弧靶，控制电弧电压50V，电弧电流80A，转架转速3rpm，制备nc-TiC/GLC功能层；沉积时间20分钟，厚度1.0微米。关闭电弧靶及中频磁控溅射靶，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1Pa，离子源电流10A，电压600V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率0.3kW，峰值电压400V，峰值电流600A，偏压保持在-800V，对nc-TiC/GLC轰击20分钟，形成非平衡态能量积累ne-TiC/GLC表面层，厚度为42nm。整体涂层沉积完毕，超强韧、低摩擦碳基涂层刀具。制备的涂层命名为涂层3。
对比例1
采用阴极电弧离子镀技术在硬质合金基体上制备涂覆有2μm厚Ti轰击层的样品，命名为涂层4。
对比例2
采用实施例1所述方法在硬质合金基体上制备的仅含TiN缓冲层的样品，命名为涂层5。
对比例3
采用实施例1所述方法在硬质合金基体上制备的仅含Ti轰击层、TiN结合层和TiCN过渡层的样品，命名为涂层6。
对比例4
采用实施例1所述方法在硬质合金合金基体上制备的仅含Ti轰击层、TiN结合层和TiCN过渡层和nc-TiC/GLC功能层的样品，命名为涂层7。
对比例5
采用实施例1所述方法在硬质合金基体上制备的仅含nc-TiC/GLC功能层的样品，命名为涂层8。
对比例6
采用实施例1所述方法在硬质合金基体上制备的仅含nc-TiC/GLC功能层和ne-TiC/GLC表面层的样品，命名为涂层9。
表1为实施例及对比例涂层刀具性能及切削铝合金特性的比较。从表中可以看出，本发明提供的超强韧、低摩擦碳基涂层刀具方案性能优越，对比例1的刀具切削长度有120m，而涂镀有AlCrN涂层的硬质合金刀具切削长度到972m，提高8倍以上。切削长度的改善与碳基刀具涂层的特殊设计导致的涂层结合力及耐磨性的提高，内应力的降低等因素相关。
表1各实施例及对比例提供的涂层刀具性能及切削铝合金特性
名称 硬度 结合力 摩擦系数 切削长度
实施例1 30 70 0.12 972
实施例2 32 72 0.13 980
实施例3 31 73 0.12 970
对比例1 10 60 0.76 100
对比例2 18 60 0.65 130
对比例3 23 68 0.38 320
对比例4 28 70 0.21 123
对比例5 29 32 0.23 110
对比例6 28 32 0.26 102
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层，其特征在于，所述涂层从刀具基体到表面依次包含Ti轰击层、TiN结合层、TiCN过渡层、nc-TiC/GLC功能层和非平衡态能量积累ne-TiC/GLC表面层；
所述ne-TiC/GLC表面层的制备方法如下：
所述nc-TiC/GLC功能层沉积结束后，关闭电弧靶及中频磁控溅射靶，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1～8×10-1Pa，离子源电流2～10A，电压600～1000V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率0.3～2kW，峰值电压400～900V，峰值电流400～800A，偏压保持在-800～-1500V，对nc-TiC/GLC轰击10～30min即可。
2.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述Ti轰击层的厚度为0.1～0.5μm，所述TiN结合层的厚度为0.2～0.7μm，所述TiCN过渡层的厚度为0.3～1.2μm，所述nc-TiC/GLC功能层的厚度为1～3μm，所述ne-TiC/GLC表面层的厚度为30～80nm。
3.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述nc-TiC/GLC功能层为TiC镶嵌类石墨烯非晶碳结构的纳米复合结构，TiC纳米颗粒大小在3～20nm，Ti元素含量按原子百分比在5～20at％，C元素含量在80～95at％。
4.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述TiN结合层、TiCN过渡层、nc-TiC/GLC功能层均采用电弧离子镀技术制备。
5.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述Ti轰击层和ne-TiC/GLC表面层采用高功率脉冲磁控溅射及阳极层离子源加高偏压轰击制备。
6.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述Ti轰击层的制备方法为：
将基体清洗后置于基片架上，当真空室的本底真空度为1×10-4～1×10-3Pa时，通入Ar气并控制气压在1×10-2～5×10-1Pa，基片温度300～500℃，负偏压-900～-1200V，对试样表面进行辉光清洗，轰击时间10～40min；清洗结束后，开启阳极层离子源，通过离子源通入氩气，真空调节为1×10-1～9×10-1Pa，离子源电流2～15A，电压300～800V，打开高功率脉冲磁控溅射金属Ti靶，靶功率0.3～2k，峰值电压400～800V，峰值电流300～800A，偏压保持在-400～-200V，对工件基体轰击5～30min即可。
7.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述TiN结合层的制备方法如下：
在Ti轰击层沉积完毕后，偏压降到-150～-250V，关闭阳极层离子源及高功率磁控溅射电源，断掉Ar气，通入N2，采用光电子能谱PEM反应气体反馈装置控制控制气压在1.2～2.2Pa，保持基材温度300～500℃；开启阴极电弧靶，控制电弧电压30～80V，电弧电流40～120A，开始沉积金属TiN结合层，沉积10～30min即可。
8.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述TiCN过渡层的制备方法如下：
所述TiN结合层沉积结束后，通入C2H2气体，通过质量流量计控制C2H2和N2气体气压在1.0～2.0Pa，控制电弧电压10～60V，电弧电流40～80A；调节PEM值控制N2并通过真空室节流阀控制将N2流量在沉积过程中从80sccm降到20sccm，C2H2流量在沉积过程中从20sccm升到80sccm，负偏压120～180V，衬底温度300～500℃，基片转速2～7rpm,开始制备TiCN过渡层；沉积时间10～40min即可。
9.根据权利要求1所述刀具涂层，其特征在于，所述nc-TiC/GLC功能层的制备方法如下：TiCN过渡层沉积结束后，通入C2H2和N2，通过质量流量计控制气压在0.5～1.5Pa，C2H2/N2比例在1/2～2/1，负偏压60～120V，衬底温度300～500℃，开启非平衡磁控溅射石墨对靶，控制靶电流5～20A，电压200～700V，开启Ti电弧靶，控制电弧电压10～50V，电弧电流40～100A，转架转速2～8rpm，沉积时间40～140min即可。
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