CN109267005B

CN109267005B - 一种w-n纳米复合结构小径刀涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN109267005B
Application number: CN201811073066.8A
Authority: CN
Inventors: 王成勇; 邓阳; 匡同春; 陈汪林; 何醒荣; 郑李娟
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2038-09-14
Also published as: CN109267005A

Abstract

一种W‑N纳米复合结构小径刀涂层及其制备方法，涉及材料表面加工领域，该涂层的成分按原子百分比为钨80～100at.%和氮0～20at.%。该制备方法首先将硬质合金小径刀超声清洗，再利用电弧增强型辉光放电技术对其表面进行等离子体刻蚀；而后腔室内通入N₂和Ar，在一定基体负偏压、沉积温度、溅射靶功率等条件下，进行磁控溅射镀膜，得W‑N纳米复合结构涂层。本发明采用磁控溅射技术对基体进行镀膜处理，沉积W‑N纳米复合结构涂层，该涂层与刀具基体结合良好，实现小径刀表面硬度高、排屑性能好、能有效提高刀具的使用寿命和加工质量。

Description

一种W-N纳米复合结构小径刀涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料表面加工领域，具体涉及一种W-N纳米复合结构小径刀涂层及其制备方法。

背景技术

当今航空制造业、汽车制造业和3C电子工业不断发展，机械加工不断地向高精化、高速化、高效化方向迈进，小径铣刀、钻头等精密加工刀具应运而生。小径刀通常是用超细晶粒 WC-Co 硬质合金制成，刚性较差。提高小径刀的机械加工性能，可通过物理气相沉积技术（PVD）在小径刀表面沉积一层或多层综合性能优良的硬质涂层。

PVD技术主要有三个基本大类：真空蒸镀、多弧离子镀和溅射镀膜。真空蒸镀不适合高熔点材料，饶镀性差，与基体结合强度不高，一般不适合超硬材料和复杂工件的表面涂层。多弧离子镀是一种广泛使用的刀具涂层制备技术，但沉积过程中易形成大颗粒，增加了涂层表面的摩擦阻力，不利于排屑，同时贯穿式的大颗粒破坏了涂层的连续性，与传统大尺寸刀具相比，离子镀形成的大颗粒对小径刀性能影响更为显著。溅射镀膜应用面广，溅射靶材适合大部分的金属、化合物及难熔材料，可实现大面积镀膜和大规模连续生产，适合工业应用。

WNx系涂层，因其高的熔点、硬度、化学惰性和热稳定性，已经被广泛用于电子行业扩散阻挡层和半导体行业的电极，以及刀具和工模具表面防护。本专利发明者所在课题组探索了大直径刀具表面WNx涂层制备机理，相关制备工艺已经申请国家发明专利《一种在硬质合金表面通过直流磁控溅射沉积W-N硬质膜的方法》（CN201710378542）、《一种合金钢表面直流磁控溅射技术制备W-N硬质膜的方法》（CN201710379033）。尽管如此，相较于传统大尺寸刀具，小径刀的加工精度要求更高，小径刀直径更为细小，刃口脆性大，传统的WNx涂层工艺难以制备出涂层刃口锋利、表面光滑、涂层结合力高的小径刀WNx涂层。对直径0.15~0.3mm硬质合金小径刀进行涂层时，离子刻蚀电压、时间、涂层偏压、离子浓度等工艺参数需要严格控制，否则易引起刃口微崩刃、涂层刃口钝化，或刃口结合力低，涂层易于剥落、或者内应力引起刃口区变形等。例如，采用CN201710378542专利的工艺方法，对直径0.3mm微钻表面直流磁控溅射沉积W-N硬质膜，完成W-N硬质膜沉积后，进行钻削试验，参数如下：进给速度vf =2.82m/min, 转速n=120krpm, 切削速度vr =15m/min；加工对象为日本松下16层M6高速板，厚度2mm，加工孔数：800孔。如图1所示，涂层微钻钻削后，刃口出现明显的崩刃现象，涂层剥落，裸露出刀具基体，缩短了刀具寿命，加工质量不佳。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种W-N纳米复合结构小径刀涂层及其制备方法，该小径刀涂层制作工艺简单，不需要加入一定含量的Si 元素，就能实现小径刀表面硬度高和排屑性能好，能有效提高刀具的使用寿命和加工质量。

本发明的目的通过以下技术方案实现：提供一种W-N纳米复合结构小径刀涂层，该涂层的组成成分按原子百分比包括钨80～100at.%和氮0～20at.%，其涂层结构表现为纳米晶涂层嵌入非晶相，厚度为几个原子层厚。

进一步地，所述小径刀涂层厚度＜2μm，涂层硬度＞25GPa。

此外，本发明还提供一种如上所述的W-N纳米复合结构小径刀涂层的制备方法，包括如下步骤：

1）小径刀表面预处理：将小径刀依次放在丙酮、无水乙醇中超声清洗，热风吹干后装夹在可三维旋转的行星架上，再送入腔室中；

2）腔室抽真空：通过机械泵和分子泵将所述腔室抽真空，同时利用红外加热管加热，去除腔室和小径刀表面易挥发的杂质；

3）小径刀表面离子刻蚀：向所述腔室内连续通入高纯Ar，保持腔室内的温度和气压恒定，所述温度为25～280℃，腔室气压为0.5～1.5Pa，Ar流量通过气压控制为120～240sccm；小径刀加负偏压，采用电弧增强型辉光放电技术对小径刀进行离子清洗与刻蚀，去除小径刀表面的氧化皮和疏松层，所述离子清洗与刻蚀的时长为5～25min；

4）沉积W-N纳米复合结构涂层：向所述腔室内连续通入高纯N₂和高纯Ar，保持腔室内红外加热管温度恒定，所述红外加热管的温度设定为25～280℃，小径刀加负偏压，采用磁控溅射技术对小径刀进行镀膜处理，沉积W-N纳米复合结构涂层；

5）冷却取样：镀膜结束后，开启炉体循环冷却系统冷却，待工件冷却后取出。

进一步地，所述小径刀直径为0.15mm以上；所述超声清洗是将所述小径刀依次在丙酮、无水乙醇中各超声清洗10-20min，然后热风吹干。

进一步地，在步骤2）中，先通过机械泵和分子泵将所述腔室抽至真空度为4×10^- ⁵mbar以下，然后将红外加热管的温度设置为600℃，加热时间设置为30min，加热后再将腔室真空度抽至4×10^-5mbar以下，接着将红外加热管的温度设置为550℃，加热时间设置为30min，再次加热后将腔室抽至真空度为4×10^-5mbar以下，充分去除腔室和小径刀表面易挥发杂质。

进一步地，在步骤3）中，小径刀表面离子清洗与刻蚀过程中，充当电子源的阴极电弧靶采用圆形Ti靶，纯度99%以上，靶电流70～90A；放置小径刀的行星架接双极脉冲电源，行星架转速为2r/min，负偏压为-50～-300V，正偏压为+20V，频率为20kHz，占空比80%。

进一步地，在步骤4）中，所述磁控溅射技术为非平衡磁控溅射。

进一步地，在步骤4）中，镀膜过程中，溅射靶材采用平面W靶，尺寸为456×81×10mm³, 纯度达99.95%；放置小径刀的行星架接电源负极，行星架转速为2r/min，负偏压为-100～-200V。

进一步地，在步骤4）中，所述磁控溅射的阴极靶材电源为直流电源，靶功率为5～6kW，N₂流量为10～80sccm，Ar流量为80～150sccm，镀膜时间为60～120min。

进一步地，在步骤4）中，所述磁控溅射的阴极靶材电源为高功率脉冲电源，靶功率为5～6kW，N₂流量为0～40sccm，Ar流量为100～140sccm，镀膜时间为120～180min。

本发明的有益效果：本发明W-N纳米复合结构小径刀涂层，该涂层的组成成分按原子百分比包括钨80～100at.%和氮0～20at.%，其涂层结构表现为纳米晶涂层嵌入几个原子层厚的非晶相，该涂层制备过程中不需要加入一定量的Si元素就可以直接生成纳米复合结构涂层，实现小径刀涂层的高硬度。

本发明通过对涂层工艺的优化，小径刀表面离子刻蚀：向所述腔室内连续通入高纯Ar，保持腔室内的温度和气压恒定，所述温度为25～280℃，腔室气压为0.5～1.5Pa，Ar流量通过气压控制为120～240sccm；小径刀加负偏压，采用电弧增强型辉光放电技术对小径刀进行离子清洗与刻蚀，去除小径刀表面的氧化皮和疏松层,所述离子清洗与刻蚀的时长为5～25min；沉积W-N纳米复合结构涂层：向所述腔室内连续通入高纯N₂和高纯Ar，保持腔室内红外加热管温度恒定，所述红外加热管的温度设定为25～280℃，小径刀加负偏压，采用磁控溅射技术对小径刀进行镀膜处理，沉积W-N纳米复合结构涂层，实现小径刀与涂层的良好结合，小径刀尖端也不会因为放电效应而产生刃口钝化，在加工过程中也不会发生脆断和崩刃现象，能有效提高小径刀的使用寿命和加工质量。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图；

图1是背景技术中W-N硬质膜微钻钻削后的刃口形貌图；

图2是本发明具体实施例1中W-N纳米复合结构涂层微钻表面SEM形貌图；

图3是本发明具体实施例1中W-N纳米复合结构涂层微钻钻削后的表面SEM形貌图；

图4是本发明具体实施例2中W-N纳米复合结构涂层微钻的断面SEM形貌；

图5是本发明具体实施例3中W-N纳米复合结构涂层微钻的断面SEM形貌；

图6是本发明具体实施例3中W-N纳米复合结构涂层微钻钻削后横刃的表面SEM形貌。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明并不局限于此。

实施例1：

选取直径0.3mm微钻表面直流磁控溅射沉积W-N纳米复合结构涂层，步骤如下：

1、小径刀表面预处理：将微钻依次在丙酮、无水乙醇中超声清洗10min，热风吹干后装夹在可三维旋转的行星架上，送入腔室；

2、腔室抽真空：先通过机械泵和分子泵抽将腔室抽至真空度为4×10^-5mbar以下，接着将红外加热管温度设置为600℃，加热时间设置为30min，加热后再将腔室真空度抽至4×10^-5mbar以下，再将红外加热管温度设置为550℃，加热时间设置为30min，再次加热后将腔室真空度抽至4×10^-5mbar以下，充分去除腔室和小径刀表面易挥发杂质；

3、小径刀表面离子刻蚀：在沉积薄膜之前，采用电弧增强型辉光放电技术对硬质合金小径刀进行离子清洗与刻蚀，以增强膜基结合能力。离子刻蚀的条件是：（1）充当电子源的电弧靶采用Ti靶，纯度达99%以上，靶电流为80A；（2）放置小径刀的行星架接脉冲电源负极，采用双极脉冲，负偏压从-50V到-300V逐渐增加，正电压为+20V，频率20kHz，占空比80%；（3）向真空腔室中连续通入高纯Ar，气压为1.0Pa，通入的Ar流量通过气压控制；（4）红外加热管温度设定为280℃；离子清洗与刻蚀时间为5min；

4、沉积W-N纳米复合结构涂层:小径刀表面离子刻蚀之后，向腔室内连续通入高纯N₂和高纯Ar，N₂流量为80sccm，Ar流量为80sccm，红外加热管的温度设定为280℃，放置小径刀的行星架接直流偏压，为-200V，靶材接直流电源，溅射平均功率为6kW，进行60min镀膜处理；

5、冷却取样：镀膜结束后，开启炉体循环冷却系统，冷却水温度设定17℃，待腔室在真空状态下缓慢冷却至70℃以下，即可取出工件，得到W-N纳米复合结构涂层微钻。

上述实施例1所得W-N纳米复合结构涂层中各元素的原子百分比含量为：钨：80.45at.%，氮：19.55at.%，行星架三维转轴上微钻涂层厚度0.9μm。

如图2所示，可见沉积的W-N纳米复合结构涂层与微钻结合良好，没有出现崩刃、涂层剥落等情况，涂层表面整体上较平整，无液滴、空洞等缺陷。

钻削试验参数如下：进给速度vf =2.82m/min, 转速n=120krpm, 切削速度vr =15m/min；加工对象为日本松下16层M6高速板，厚度2mm，加工孔数：800孔。如图3所示，微钻表面W-N纳米复合结构涂层钻削后，可见螺旋槽内粘结切屑较少，表面硬质膜排屑性能好。

实施例2：

选取直径0.15mm微钻表面直流磁控溅射沉积W-N纳米复合结构涂层，步骤如下：

1、小径刀表面预处理：同实施例1；

2、腔室抽真空：同实施例1；

3、小径刀表面离子刻蚀：在沉积薄膜之前，采用电弧增强型辉光放电技术对硬质合金小径刀进行离子清洗与刻蚀，以增强膜基结合能力。离子刻蚀的条件是：（1）充当电子源的电弧靶采用Ti靶，纯度达99%以上，靶电流为90A；（2）放置小径刀的行星架接脉冲电源负极，采用双极脉冲，负偏压从-50V到-300V逐渐增加，正电压为+20V，频率20kHz，占空比80%；（3）向真空腔室中连续通入高纯Ar，气压为0.5Pa，通入的Ar流量通过气压控制；（4）红外加热管温度设定为150℃；离子清洗与刻蚀时间为25min；

4、沉积W-N纳米复合结构涂层:小径刀表面离子刻蚀之后，向腔室内连续通入高纯N₂和高纯Ar，N₂流量为10sccm，Ar流量为150sccm，红外加热管的温度设定为150℃，放置小径刀的行星架接直流偏压，为-150V，靶材接直流电源，溅射平均功率为5kW，进行120min镀膜处理；

5、冷却取样：同实施例1。

上述实施例2所得W-N纳米复合结构涂层中各元素的原子百分比含量为：钨：95.28at.%，氮：4.72at.%，行星架三维转轴上微钻涂层厚度1.89μm。

如图4所示，可见沉积的W-N纳米复合结构涂层与微钻结合良好，界面处没有出现明显的分层现象，涂层呈柱状晶结构，致密均匀。

实施例3：

选取直径0.15mm微钻表面高功率脉冲磁控溅射沉积W-N纳米复合结构涂层，步骤如下：

1、小径刀表面预处理：同实施例1；

2、腔室抽真空：同实施例1；

3、小径刀表面离子刻蚀：在沉积薄膜之前，采用电弧增强型辉光放电技术对硬质合金基体进行离子清洗与刻蚀，以增强膜基结合能力。离子刻蚀的条件是：（1）充当电子源的电弧靶采用Ti靶，纯度达99%以上，靶电流为70A；（2）放置小径刀的行星架接脉冲电源负极，采用双极脉冲，负偏压从-50V到-300V逐渐增加，正电压为+20V，频率20kHz，占空比80%；（3）向真空腔室中连续通入高纯Ar，气压为1.5Pa，通入的Ar流量通过气压控制；（4）红外加热管温度设定为25℃；离子清洗与刻蚀时间为20min；

4、沉积W-N纳米复合结构涂层:基体表面离子刻蚀之后，向腔室内连续通入高纯N₂和高纯Ar，N₂流量为40sccm，Ar流量为130sccm，红外加热管的温度设定为25℃，放置基体的行星架接直流偏压，为-150V，靶材接高功率脉冲电源，溅射平均功率为5.5kW，进行120min镀膜处理；

5、冷却取样：同实施例1。

所得W-N纳米复合结构涂层中各元素的原子百分比含量为：W：94.33at.%，N：5.67at.%，行星架三维转轴上微钻涂层厚度1.30μm。

如图5所示，可见沉积的W-N纳米复合结构涂层与微钻结合良好，界面处没有出现明显的分层现象，涂层结构致密，厚度均匀。

钻削试验参数如下：进给速度vf =1.62m/min, 转速n=145krpm, 切削速度vr =15m/min；加工对象为日本松下16层M6高速板，厚度2mm，加工孔数：800孔。如图6所示，所得涂层微钻钻削后横刃的表面SEM形貌，可见涂层与微钻基体结合良好，钻削过程中未见涂层剥落。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种W-N纳米复合结构小径刀涂层，其特征在于：该涂层的组成成分按原子百分比包括钨80～100at.％和氮0～20at.％，其涂层结构表现为纳米晶涂层嵌入几个原子层厚度的非晶相，所述小径刀涂层厚度＜2μm，涂层硬度＞25GPa；

所述的W-N纳米复合结构小径刀涂层的制备方法，包括如下步骤：

1)小径刀表面预处理：将小径刀依次放在丙酮、无水乙醇中超声清洗，热风吹干后装夹在可三维旋转的行星架上，再送入腔室中；

2)腔室抽真空：通过机械泵和分子泵将所述腔室抽真空，同时利用红外加热管加热，去除腔室和小径刀表面易挥发的杂质；

3)小径刀表面离子刻蚀：向所述腔室内连续通入高纯Ar，保持腔室内的红外加热管温度和腔室气压恒定，所述温度为25～280℃，腔室气压为0.5～1.5Pa，Ar流量通过气压控制为120～240sccm；小径刀加负偏压，采用电弧增强型辉光放电技术对小径刀进行离子清洗与刻蚀，去除小径刀表面的氧化皮和疏松层，所述离子清洗与刻蚀的时长为5～25min；

4)沉积W-N纳米复合结构涂层：向所述腔室内连续通入高纯N₂和高纯Ar，保持腔室内红外加热管温度恒定，所述红外加热管的温度设定为25～280℃，小径刀加负偏压，采用磁控溅射技术对小径刀进行镀膜处理，沉积W-N纳米复合结构涂层；

5)冷却取样：镀膜结束后，开启炉体循环冷却系统冷却，待工件冷却后取出；

在步骤1)中，所述小径刀直径为0.15mm以上；所述超声清洗是将所述小径刀依次在丙酮、无水乙醇中超声清洗10～20min，然后热风吹干；

在步骤2)中，先通过机械泵和分子泵将所述腔室抽至真空度为4×10^-5mbar以下，然后将红外加热管的温度设置为600℃，加热时间设置为30min，加热后再将腔室真空度抽至4×10^-5mbar以下，接着将红外加热管的温度设置为550℃，加热时间设置为30min，再次加热后将腔室抽至真空度为4×10^-5mbar以下，充分去除腔室和小径刀表面易挥发杂质；

在步骤3)中，小径刀表面离子清洗与刻蚀过程中，充当电子源的阴极电弧靶采用圆形Ti靶，纯度99％以上，靶电流70～90A；放置小径刀的行星架接双极脉冲电源，行星架转速为2r/min，负偏压为-50～-300V，正偏压为+20V，频率为20kHz，占空比80％；

在步骤4)中，所述磁控溅射技术为非平衡磁控溅射；

在步骤4)中，镀膜过程中，溅射靶材采用平面W靶，尺寸为456×81×10mm³，纯度达99.95％；放置小径刀的行星架接电源负极，行星架转速为2r/min，负偏压为-100～-200V。

2.根据权利要求1所述的一种W-N纳米复合结构小径刀涂层，其特征在于：在步骤4)中，所述磁控溅射的阴极靶材电源为直流电源，靶功率为5～6kW，N₂流量为10～80sccm，Ar流量为80～150sccm，镀膜时间为60～120min。

3.根据权利要求1所述的一种W-N纳米复合结构小径刀涂层，其特征在于：在步骤4)中，所述磁控溅射的阴极靶材电源为高功率脉冲电源，靶功率为5～6kW，N₂流量为0～40sccm，Ar流量为100～140sccm，镀膜时间为120～180min。