CN109182984A

CN109182984A - 一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法

Info

Publication number: CN109182984A
Application number: CN201811107113.6A
Authority: CN
Inventors: 马胜利
Original assignee: Xi'an Hao Yuan Aviation Technology Co Ltd
Current assignee: Xi'an Hao Yuan Aviation Technology Co Ltd
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: CN109182984B

Abstract

本发明公开了一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法，将高速钢制成的丝锥经预处理后，放入电弧离子镀膜设备中的转架杆上，以Ti靶作为制备TiCN涂层的Ti元素来源，通过电弧电源的电流控制Ti靶的溅射率；采用高纯Ar作为主要离化气体，采用高纯N₂和高纯CH₂作为反应气体，使其离化并与Ti元素结合，在丝锥表面沉积形成TiCN涂层；所制备的TiCN涂层为多层结构，即Ti/TiN/TiCN/TiN/TiCN，总厚度为2微米，原子成分含量为Ti：52at.％，C：28at.％，N：20at.％，涂层硬度HV3000，在室温干摩擦和对副为GCr15条件下，销盘实验测出涂层的摩擦系数为0.15，具有优良的减摩性能，适合于在难加工材料进行攻丝加工的应用。

Description

一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法

技术领域

本发明属于涂层在刀具应用技术领域，涉及刀具表面涂层的制备，进一步涉及一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法。

背景技术

丝锥是加工各种中、小尺寸内螺纹的刀具，它结构简单，使用方便，在生产中应用得非常广泛。按照使用方式可以分为手用丝锥和机用丝锥，一般把制造精度较高的高速钢或硬质合金磨牙丝锥称为机用丝锥，把碳素工具钢或合金工具钢的滚牙(或切牙)丝锥称为手用丝锥，实际上两者的结构和工作原理基本相同。通常，丝锥由工作部分和柄部构成。工作部分又分切削部分和校准部分，前者磨有切削锥，担负切削工作，后者用以校准螺纹的尺寸和形状。丝锥在使用过程中的失效形式主要有：

1、排屑不好造成切屑堵塞产生的折断；

2、丝锥每齿切削厚度太大造成的崩齿；

3、攻丝锥螺纹时速度过高、切削液选择不当和工件的材料硬度过高等造成的丝锥磨损严重。

近年来，涂层丝锥应用越来越广，发展涂层丝锥技术的主要目的是提高生产效率和降低生产成本，优点主要表现在以下几点：

1、增加丝锥表面硬度和耐磨性；

2、减少丝锥与工件摩擦；

3、排屑顺畅，避免丝锥过早损坏；

4、提高工件表面质量；

5、提高切屑速度，缩短加工时间。

目前，丝锥表面采用的涂层类型主要有TiN涂层，TiAlN涂层，TiCN涂层和DLC涂层等，这些涂层主要通过物理气相沉积PVD工艺制备。申请人在多年研究中发现，TiCN涂层可能是一种最为适合的丝锥表面涂层，主要是因为这种涂层成分调控范围大，硬度高(HV2400-3500)、摩擦系数低0.1-0.3，涂层强韧性等综合力学性能好，可增加丝锥的耐磨性能和润滑性能，并抑制切削瘤的产生与附着，可有效防止丝锥的折断、崩齿及磨损等，尤其在难加工材料攻丝中优势显著。

TiCN是最为常见的一种具有层状结构的硬质涂层。理论上讲，当碳含量为零时，即为TiN涂层，外观呈金黄色，TiN涂层硬度HV2400，而且韧性较好。随TiCN涂层中的碳含量增加，涂层外观呈浅黄色-棕色-蓝灰色-深灰色等不断变化，其硬度也会逐渐从HV2400增加到HV3500。当氮含量为零时，即为TiC涂层，外观呈深灰色，TiC涂层硬度达到最大HV3500，但韧性却大幅下降，不适合丝锥表面涂层应用。因此，TiCN作为丝锥表面涂层应用时仍有大量技术难题需要攻关，具体有，TiCN作为丝锥表面涂层时，Ti、C、N三种元素含量多少最为合适，多层结构如何优化设计及实现，以及涂层制备工艺试验条件等，特别是用于难加工材料攻丝的丝锥表面涂层，因此，研发设计出一种既有耐磨减摩性能，又有综合强韧性能的新型丝锥表面TiCN涂层一直是申请人研究的热点。

发明内容

基于现有技术中未涂层丝锥生产效率低，以及已有涂层丝锥的使用性能不足的技术难题，本发明的目的在于，提供一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法，该方法在丝锥表面制备TiCN涂层，使得丝锥具有高硬度、低摩擦系数性能，特别适合于丝锥在难加工材料的应用。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)将高速钢制成的丝锥预处理后放入电弧离子镀膜设备中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，或者自转，以保证镀膜过程的均匀性。

2)以Ti靶作为制备TiCN涂层的Ti元素来源，Ti靶安置在炉体内壁上，通过电弧电源的电流控制Ti靶的溅射率；Ti靶共三组，每组三个，共计九个Ti靶，以均布的方式安置在炉体内壁上，采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯N₂和高纯CH₂作为反应气体，使其离化并与Ti元素结合，在丝锥表面沉积形成TiCN涂层。

3)制备工艺条件：

A)丝锥等离子体清洗：

丝锥装入真空室后，抽真空并加热到500℃不变，镀膜前，通入30ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-800V对真空室的丝锥表面进行轰击清洗，持续30分钟；

B)Ti底层制备：

丝锥清洗完成后，调节Ar流量到10ml/min，将真空室气压调至0.3Pa，打开Ti靶电弧电源，弧电流100A，调整偏压到-150V，开始在丝锥表面制备Ti底层，持续10分钟；

C)TiN过渡层制备：

Ti底层制备完成后，将偏压调整为-100V，打开N₂开关，调整N₂流量，使真空室气压为1Pa，将Ti靶打开，弧电流100A，开始在Ti底层上制备TiN过渡层，持续20分钟，制备过程中，真空室温度由加热器加热维持500℃不变。

D)TiCN涂层制备：

TiN过渡层制备完成后，将偏压调整为-80V，打开N₂和CH₂作开关，调整N₂流量和CH₂流量比例为2:3，使真空室气压为1Pa，将Ti靶打开，弧电流100A，开始在TiN过渡层上制备TiCN涂层，持续30分钟。

E)TiN过渡层制备：

TiCN涂层制备完成后，关闭CH₂开关，将偏压调整为-100V，调整N₂流量，使真空室气压维持在1Pa，Ti靶弧电流100A，继续在TiCN涂层上制备TiN过渡层，持续20分钟。

F)TiCN涂层制备：

TiN过渡层制备完成后，将偏压调整为-80V，打开N₂和CH₂作开关，调整N₂流量和CH₂流量比例为2:3，使真空室气压为1Pa，Ti靶弧电流100A，在TiN过渡层上继续制备TiCN涂层，持续30分钟后结束镀膜过程，即可在丝锥表面获得TiCN涂层。

本发明的用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法，在丝锥表面所制备的TiCN涂层为多层结构，即Ti/TiN/TiCN/TiN/TiCN，其中，Ti底层，是为了提高TiCN涂层与丝锥的结合力。而在整个的TiCN涂层中设计了2层TiN过渡层，其主要作用是：

1、减缓涂层中的内应力，防止涂层在使用过程中过早剥落；

2、提高涂层的韧性，防止涂层太脆造成的丝锥崩齿和折断。

这独特的多层结构和PVD沉积工艺既保证了涂层结合力的提高，又保证了涂层耐磨性能、减摩性能和综合强韧性能的改善。

经测定，采用本发明的用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法，在丝锥表面所制备的TiCN涂层，其涂层总厚度为2微米，原子成分含量为Ti：52at.％，C：28at.％，N：20at.％，涂层硬度HV3000，在室温干摩擦和对副为GCr15条件下，销盘实验测出涂层的摩擦系数为0.15，具有优良的减摩性能。适合于在难加工材料进行攻丝加工的应用。

附图说明

图1为电弧离子镀膜设备结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本实施例给出一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法，需要说明的是，本发明的用于丝锥表面制备TiCN涂层的，在丝锥表面所制备的TiCN涂层，可以在任何高速钢材料制备的刀具上进行，并不限于该实施例。

本实施例给出的用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法，其具体制备过程是：

(1)采用经1170℃淬火，550℃回火后的硬度为HRC＝60的丝锥(材料：W18Cr4V)作为样品，首先进行预处理，即经表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，酒精脱水，备用。

(2)将预处理好的样品放入电弧离子镀膜设备中。如图1所示，电弧离子镀膜设备至少包括外加电源偏压1、转台架2、真空室3、转架杆4、Ti靶(5、6、7)、供气管道8、加热器9、泵组10。

样品置于转架杆4上，转架杆4可以随转台架2转动，也可以自转，这样就保证了镀膜过程的均匀性。

(3)采用直径100mm的圆形Ti靶(5、6、7)作为Ti的来源，通过圆形Ti靶的弧电源电流控制Ti靶的溅射率。如图1所示，圆形Ti靶共三组(每组三个，共计九个)以均布的方式安置在炉体内壁上，采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯N₂和CH₂作为反应气体，通过供气管道8进入真空室，使其离化并与各靶中的Ti元素结合，在样品表面沉积形成TiCN涂层。

(4)TiCN涂层的优化工艺条件为：

A)丝锥等离子体清洗：

B)Ti底层制备：

丝锥清洗完成后，调节Ar流量到10ml/min，将真空室气压调至0.3Pa，打开Ti靶电弧电源，弧电流100A，调整偏压到-150V，制备Ti底层，持续10分钟。

C)TiN过渡层制备：

Ti底层制备完成后，将偏压调整为-100V，打开N₂开关，调整N₂流量，使真空室气压为1Pa，将Ti靶打开，弧电流100A，开始在Ti底层上制备TiN过渡层，持续20分钟，镀膜过程中真空室温度由加热器加热维持为500℃。

D)TiCN涂层制备：

TiN过渡层制备完成后，将偏压调整为-80V，打开N₂和CH₂作开关，调整N₂流量和CH₂流量比例为2：3，使真空室气压为1Pa，将Ti靶打开，弧电流100A，开始在TiN过渡层上制备TiCN涂层，持续30分钟。

E)TiN过渡层制备：

TiCN涂层制备30分钟后，关闭CH₂开关，将偏压调整为-100V，调整N₂流量，使真空室气压维持在1Pa，调整Ti靶弧电流为100A，继续在TiCN涂层上制备TiN过渡层，持续20分钟。

F)TiCN涂层制备：

经测定，采用本实施例的用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法，所制备的TiCN涂层总厚度为2微米，原子成分含量为Ti：52at.％，C：28at.％，N：20at.％，涂层硬度HV3000，在室温干摩擦和对副为GCr15条件下，销盘实验测出涂层的摩擦系数为0.15，表明TiCN涂层具有优良的减摩性能。

将所制备的带有TiCN涂层的丝锥用于加工调质钢40CrMn工件攻丝测试，使用寿命比未涂层丝锥提高了3倍，用于加工硅含量为8％-12％的铝合金工件攻丝，使用寿命比未涂层丝锥提高了2.5倍，用于加工镍铬铁合金Inconel 718工件攻丝，使用寿命比未涂层丝锥提高1倍。

Claims

1.一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)将高速钢制成的丝锥经预处理后，放入电弧离子镀膜设备中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，或者自转，以保证镀膜过程的均匀性；

2)以Ti靶作为制备TiCN涂层的Ti元素来源，Ti靶安置在炉体内壁上，通过电弧电源的电流控制Ti靶的溅射率；Ti靶共三组，每组三个，共计九个，以均布的方式安置在炉体内壁上；

采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；

采用高纯N₂和高纯CH₂作为反应气体，使其离化并与Ti元素结合，在丝锥表面沉积形成TiCN涂层；

3)制备工艺条件：

A)丝锥等离子体清洗：

B)Ti底层制备：

丝锥清洗完成后，调节Ar流量到10ml/min，将真空室气压调至0.3Pa，打开Ti靶电弧电源，弧电流100A，调整偏压到-150V，开始制备Ti底层，持续10分钟；

C)TiN过渡层制备：

Ti底层制备完成后，将偏压调整为-100V，打开N₂开关，调整N₂流量，使真空室气压为1Pa，将Ti靶打开，弧电流100A，开始在Ti底层上制备TiN过渡层，持续20分钟，制备过程中，真空室温度由加热器加热维持500℃不变；

D)TiCN涂层制备：

TiN过渡层制备完成后，将偏压调整为-80V，打开N₂和CH₂作开关，调整N₂流量和CH₂流量比例为2：3，使真空室气压为1Pa，将Ti靶打开，弧电流100A，开始在TiN过渡层上制备TiCN涂层，持续30分钟；

E)TiN过渡层制备：

TiCN涂层制备完成后，关闭CH₂开关，将偏压调整为-100V，调整N₂流量，使真空室气压维持在1Pa，Ti靶弧电流100A，继续在TiCN涂层上制备TiN过渡层，持续20分钟；

F)TiCN涂层制备：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的TiCN涂层为多层结构，即Ti/TiN/TiCN/TiN/TiCN，其涂层总厚度为2微米，原子成分含量为Ti：52at.％，C：28at.％，N：20at.％，硬度HV3000，在室温干摩擦和对副为GCr15条件下，摩擦系数为0.15。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的预处理为表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，酒精脱水。