CN110257779A - 一种超硬纳米复合刀具及其制作方法和应用 - Google Patents

一种超硬纳米复合刀具及其制作方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超硬纳米复合刀具及其制作方法和应用，包括以下步骤：1）刀具清洗：保证刀具基体表面干燥、清洁；2）抽真空处理：将的刀具基体装夹在镀膜设备的转架上，并将转架放置在由Cr靶材、AlCr靶材组成的闭合镀膜设备中，同时对真空室进行抽真空处理，打开加热器升温，将镀膜设备中的温度控制在420℃至550℃；3）离子清洗：向真空室内通入氩气，对刀具基体的表面进行辉光清洗后，关闭氩气；4）制作结合涂层：开启Cr靶材和电弧，并控制电弧电流量为400A至800A，同时通入氮气，使得在刀具基体的表面沉积CrN结合涂层；5）制作纳米复合涂层：关闭Cr靶材，开启AlCr靶材，并电弧控制电流为400A至800A之间，在CrN结合涂层的表面沉积AlCrN纳米复合涂层。

Description

一种超硬纳米复合刀具及其制作方法和应用
技术领域
本发明涉及刀具涂层技术领域，特别是涉及一种超硬纳米复合刀具及其制作方法和应用。
背景技术
作为基础产业的制造业正在发生着革命性的变化，制造技术也已产生了质的变化。尤其近几年随着机械工业的迅速发展，机械加工难度愈来愈大，加工精度要求越来越高，在自动线上的复合刀具，既要满足生产节拍要求，又要具有可靠性和高寿命，要适应发展的需要，就要对传统的老式的复合刀具进行改革创新，就需要应用新技术、新材料来提高复合加工刀具的使用性能；纳米复合刀具涂层是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而制备的。
由于现有的钢材料导热性差，塑性高，切削粘结严重等原因，使得刀具磨损过快，加工效率降低，成本增加，并且PVD/CVD涂层刀具具有高表面硬度高、高耐磨性、化学性能稳定、摩擦系数小等特性，与未涂层刀具相比，在切削加工时刀具寿命可提高3-5倍以上，成为目前加工这类难加工材料的首选，尽管该涂层具有良好切削性能，可有效提高刀具性能，但是随着现代制造对材料加工效率、质量等要求的提出，难加工材料的切削加工条件也越来越苛刻，同时要求刀具涂层材料和技术不断地发展来提高涂层质量，以满足日益苛刻的需求；并且传统的复合刀具在制作的过程当中，电弧离子镀技术离化率高，可以获得接近 90%的离化率，但是存在液滴的问题，使涂层表面粗糙，导致涂层摩擦系数过大。
发明内容
本发明的目的之一在于避免现有技术中的不足之处而提供一种超硬纳米复合刀具的制作方法，该制作方法流程简单，可以制作出超硬纳米复合刀具。
本发明的目的之一通过以下技术方案实现：
一种超硬纳米复合刀具的制作方法，包括以下步骤：
（1）刀具清洗：首先将刀具基体放入到超声波清洗机内进行清洗，然后去除的刀具基体表面水分，使得刀具基体表面干燥、清洁；
（2）抽真空处理：首先将完成步骤（1）的刀具基体均匀装夹在镀膜设备的转架上，然后将转架放置在由Cr靶材、AlCr靶材组成的闭合镀膜设备中，并将真空室进行抽真空处理，最后打开加热器升温，将镀膜设备中的沉积温度控制在420℃至550℃之间；
（3）离子清洗：向完成步骤（2）的真空室内通入氩气，对刀具基体的表面进行辉光清洗后，关闭氩气；
（4）制作结合涂层：在完成步骤（3）的真空室内，开启Cr靶材和电弧，并控制电弧电流量为400A至800A之间，同时通入氮气，使得在刀具基体的表面沉积CrN结合涂层；
（5）制作纳米复合涂层：在完成步骤（4）真空室内，关闭Cr靶材，开启AlCr靶材，并控制电弧电流为400A至800A之间，使得 CrN结合涂层的表面沉积AlCrN纳米复合涂层。
进一步的，在步骤（2）中，所述镀膜设备中的沉积温度为 450℃。
进一步的，在步骤（4）中，所述Cr靶材由成分比为Cr100%组成。
进一步的，在步骤（5）中，所述AlCr靶材由成分比为Al70%和Ti30%组成。
进一步的，在步骤（4）和步骤（5）中，所述电弧均为劈裂电弧，且电弧电流量为400A或800A。
进一步的，在步骤（3）中，所述辉光清洗的时间为10至20min。
有益效果：由于在超硬纳米复合刀具的制作过程当中，采用高温沉积和劈裂电弧的配合使用，刺激Cr靶材和AlCr靶材析出离子，并通入氮气，使得刀具基体的表面沉积有CrN结合涂层，CrN结合涂层表面沉积有AlCrN纳米复合涂层，其中劈裂电弧电流量为现有传统电弧电流量的 4-5 倍，因此使得Cr靶材和AlCr靶材表面的等离子密度极高，电弧斑点更加分散，晶体组织更紧密，从而大幅的减小了电镀过程中液滴的产生，保证各涂层表面更加光滑，进而有效的减低刀具磨损，减少切削的摩擦阻力，降低刀具切削热产生并提高了刀具的使用寿命，同时配合高温沉积，使得各涂层之间原子可以更深层次地渗入，能够增加CrN结合涂层分别与基底刀具基体和AlCrN纳米复合涂层的结合力，使得各涂层的耐磨性得到有效提升，提高了刀具的加工性能。
本发明的目的之二在于避免现有技术中的不足之处而提供一种超硬纳米复合刀具，该涂层具有刀具具有高硬度，耐磨性好，表面光滑，切削的摩擦阻力小的优点。
本发明的目的之二通过以下技术方案实现：
一种超硬纳米复合刀具，所述刀具由内至外依次包括有刀具基体、结合涂层和纳米复合涂层。
进一步的，所述纳米复合涂层为AlCrN纳米复合涂层，所述AlCrN纳米复合涂层的厚度为1 um至4um。
进一步的，所述结合涂层为CrN结合涂层，所述CrN结合涂层的厚度为0.09um至0.11um。
有益效果在于：由于设置刀具基体表面从内到外依次为结合涂层和纳米复合涂层两者相配合的结构设计，更好地利用含Al、Cr、N元素纳米复合涂层优良的切削性，使得刀具具有良好的耐磨性和硬高度性。
本发明的目的之三通过以下技术方案实现：
本发明的目的之三在于避免现有技术中的不足之处而提供一种超硬纳米复合刀具的应用，将所述超硬纳米复合刀具应用于高硬度的金属材料。
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是本发明的一种超硬纳米复合刀具的工艺流程示意图。
图2是本发明的一种超硬纳米复合刀具的整体结构示意图。
图3是本发明的一种超硬纳米复合刀具的电镜图。
图中包括：
刀具基体1、结合涂层2、纳米复合涂层3。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
一种超硬纳米复合刀具及其制作方法，包括以下步骤：
（1）刀具清洗：首先将刀具基体放入到超声波清洗机内进行清洗，然后去除的刀具基体表面水分，使得刀具基体表面干燥、清洁；
（2）抽真空处理：首先将完成步骤（1）的刀具基体均匀装夹在镀膜设备的转架上，然后将转架放置在由Cr靶材、AlCr靶材组成的闭合镀膜设备中，并将真空室进行抽真空处理，最后打开加热器升温，将镀膜设备中的沉积温度控制在450℃；
（3）离子清洗：向完成步骤（2）的真空室内通入氩气，对刀具基体的表面进行辉光清洗后，关闭氩气输入；
（4）制作结合涂层：开启Cr靶材和劈裂电弧，并控制劈裂电弧电流量为400A，同时向完成步骤（3）的真空室内通入氮气，通过电弧刺激Cr靶析出Cr离子，并且通过磁场使得Cr离子和氮离子转移到刀具基体表面，沉积CrN结合涂层；
（5）制作纳米复合涂层：关闭Cr靶材，开启AlCr靶材，并控制劈裂电弧控制电流为400A，通过电弧刺激AlCr靶析出AlCr离子，并且通过磁场使得AlCr离子和氮离子转移到刀具基体表面CrN结合涂层表面，沉积AlCrN纳米复合涂层，得到超硬纳米复合刀具。
（6）表面处理：将步骤（5）制得的超硬纳米复合刀具进行抛光后处理，打磨刀具涂层表面。
在优选实施例中，在步骤（4）中，所述Cr靶材由成分比为Cr100%组成，该比例制作出来的CrN结合涂层性能最佳。
在优选实施例中，在步骤（5）中，所述AlCr靶材由成分比为Al70%和Ti30%组成，该比例制作出来的AlCrN纳米复合涂层性能最佳。
在优选实施例中，在步骤（3）中，所述辉光清洗的时间为10至20min，能够将刀具基体表面清洗干净，保证不会存在杂质影响刀具后续的涂层效果，以及涂层完成后是使用效果。
一种超硬纳米复合刀具涂层，所述刀具由内至外依次包括有刀具基体1、结合涂层2和纳米复合涂层3。
在优选实施例中，所述纳米复合涂层3为AlCrN纳米复合涂层3，所述AlCrN纳米复合涂层3的厚度为2.77um，通过Al离子、Cr离子和N离子结合沉积为AlCrN纳米复合涂层3，使得刀具具有良好的耐磨性和硬高度性。
在优选实施例中，所述结合涂层2为CrN结合涂层2，所述CrN结合涂层2的厚度为0.1um，通过Cr离子和N离子结合沉积为 CrN粘接层，保证了结合涂层2与刀具基体1的良好结合效果，并且也保证了结合涂层2与纳米复合涂层3良好的结合效果，使得纳米复合涂层3能够牢固的沉积与刀具基体1表面。
一种超硬纳米复合刀具的应用，将所述超硬纳米复合刀具应用于高硬度的金属材料。
在优选实施例中，将所述超硬纳米复合刀具应用于淬硬钢。
实验例
实验对象：选取本实施例中的新型AlCrN纳米复合涂层与现有的传统AlCrN纳米复合涂层做对比实验。
实验方式：分别对新型AlCrN纳米复合涂层和AlCrN纳米复合涂层进行维氏硬度的检测并记录结果。
下表为新型AlCrN纳米复合涂层和AlCrN纳米复合涂层的检测结果：
由上表可见，本发明的新型AlCrN纳米复合涂层，相对于现有AlCrN纳米复合涂层硬度高，因此该新型AlCrN表面层在使用的过程当中涂层硬度高、耐磨性好，适宜多种高硬度的金属材料。
本发明的有益效果在于：由于在超硬纳米复合刀具的制作过程当中，采用高温沉积和劈裂电弧的配合使用，刺激Cr靶材和AlCr靶材析出离子，并通入氮气，使得刀具基体的表面沉积有CrN结合涂层，CrN结合涂层表面沉积有AlCrN纳米复合涂层，其中劈裂电弧电流量为现有传统电弧电流量的 4-5 倍，因此使得Cr靶材和AlCr靶材表面的等离子密度极高，电弧斑点更加分散，晶体组织更紧密，从而大幅的减小了电镀过程中液滴的产生，保证各涂层表面更加光滑，进而有效的减低刀具磨损，减少切削的摩擦阻力，降低刀具切削热产生并提高了刀具的使用寿命，同时配合高温沉积，使得各涂层之间原子可以更深层次地渗入，能够增加CrN结合涂层分别与基底刀具基体和AlCrN纳米复合涂层的结合力，使得各涂层的耐磨性得到有效提升，提高了刀具的加工性能；由于设置刀具基体表面从内到外依次为结合涂层和纳米复合涂层两者相配合的结构设计，更好地利用含Al、Cr、N元素纳米复合涂层优良的切削性，使得刀具具有良好的耐磨性和硬高度性。
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 (10)

1.一种超硬纳米复合刀具的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）刀具清洗：首先将刀具基体放入到超声波清洗机内进行清洗，然后去除的刀具基体表面水分，使得刀具基体表面干燥、清洁；
（2）抽真空处理：首先将完成步骤（1）的刀具基体均匀装夹在镀膜设备的转架上，然后将转架放置在由Cr靶材、AlCr靶材组成的闭合镀膜设备中，并将真空室进行抽真空处理，最后打开加热器升温，将镀膜设备中的沉积温度控制在420℃至550℃之间；
（3）离子清洗：向完成步骤（2）的真空室内通入氩气，对刀具基体的表面进行辉光清洗后，关闭氩气；
（4）制作结合涂层：在完成步骤（3）的真空室内，开启Cr靶材和电弧，并控制电弧电流量为400A至800A之间，同时通入氮气，使得在刀具基体的表面沉积CrN结合涂层；
（5）制作纳米复合涂层：在完成步骤（4）真空室内，关闭Cr靶材，开启AlCr靶材，并控制电弧电流为400A至800A之间，使得 CrN结合涂层的表面沉积AlCrN纳米复合涂层。
2.如权利要求1所述的一种超硬纳米复合刀具的制作方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述镀膜设备中的沉积温度为 450℃。
3.如权利要求1所述的一种超硬纳米复合刀具的制作方法，其特征在于：在步骤（4）中，所述Cr靶材由成分比为Cr100%组成。
4.如权利要求1所述的一种超硬纳米复合刀具的制作方法，其特征在于：在步骤（5）中，所述AlCr靶材由成分比为Al70%和Ti30%组成。
5.如权利要求1所述的一种超硬纳米复合刀具的制作方法，其特征在于：在步骤（4）和步骤（5）中，所述电弧均为劈裂电弧，且电弧电流量为400A或800A。
6.如权利要求1所述的一种超硬纳米复合刀具的制作方法，其特征在于：在步骤（3）中，所述辉光清洗的时间为10至20min。
7.如权利要求1至6任意一项的一种超硬纳米复合刀具的制作方法方法制得的一种超硬纳米复合刀具，其特征在于：所述刀具由内至外依次包括有刀具基体、结合涂层和纳米复合涂层。
8.如权利要求7所述的一种超硬纳米复合刀具，其特征在于：所述纳米复合涂层为AlCrN纳米复合涂层，所述AlCrN纳米复合涂层的厚度为1 um至4um。
9.如权利要求7所述的一种超硬纳米复合刀具，其特征在于：所述结合涂层为CrN结合涂层，所述CrN结合涂层的厚度为0.09um至0.11um。
10.一种根据权利要求1至6任意一项所述的一种超硬纳米复合刀具的制作方法制得的超硬纳米复合刀具，或者权利要求7至9任意一项所述的超硬纳米复合刀具的应用，其特征在于：将所述超硬纳米复合刀具应用于高硬度的金属材料。
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