CN111139426A - 一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层及方法，该渗氮涂镀层分为两层：一层为与基材相接的渗氮层、渗碳层、渗硅层中的一种以上，厚度为4～10μm；二层为沉积在一层的纳米金属氮化物陶瓷层、纳米金属碳化物陶瓷层或纳米金属硅化物陶瓷层中的两种以上混合物，厚度为0.1～10μm；所述的基材为高速钢。优点是：采用热丝辅助等离子体增强磁控溅射方法在高速钢为基材的冷轧钢板用剪切刀具表面制备渗氮和陶瓷涂层的强化层，为超高强钢冷轧钢板剪切问题提供解决方案。相较于传统的磁控溅射技术，等离子体增强效果明显，可以实现对基体表面的等离子体氮化，提高基体强、硬度。

Description

一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层及方法

技术领域

本发明属于机械切削刀具制造领域，尤其涉及一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层及方法。

背景技术

高强钢的应用领域非常之广，尤其是随着汽车用冷轧钢板强度的不断提升，以TWIP钢为代表的第三代冷轧钢板的屈服强度已经可以达到1180MPa级。然而对应超高强钢剪切用刀具性能的提升速度远不能满足钢板的日常使用需求。因此，急需开发一种强韧综合性能优良、刃口锋利的超高强冷轧钢板用剪切钢刀具。

高速钢(HSS)是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢，俗称白钢。由于高速钢的工艺性能好，强度和韧性配合好，因此主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。高速钢因为其红硬性常被用作切割高强钢等难加工金属的刀具。通用高速钢的碳饱和度一般在0.8％以下，故淬火、回火后的硬度仅65±1HRC。对于屈服强度为800MPa级以上的超高强钢材加工还很困难。因此，利用表面改性手段来提高刀具性能的涂层高速钢刀具被广泛用于机械加工。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3～5倍以上，提高切削速度20～70％，提高加工精度0.5～1级，降低刀具消耗费用20～50％。以掺钴碳化钨为代表的硬质合金的常温硬度达89～93HRA，在800～1000℃时硬质合金还能进行切削，但其强度和韧性比高速钢差，其常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/8～1/30。虽然能够加工超高强度钢材，但成型性能差，无法进行切削加工，难以制成冷轧圆盘剪所需的几何尺寸。虽然硬质合金刀具寿命比高速钢刀具高，但整体硬质合金刀具成本高，其价格是高速钢的8～10倍。

现阶段用于剪切冷轧钢板的刀具一般由冷作或热作模具钢经淬火后低温回火制成，硬度为55HRC左右。例如H13钢，Cr12NiMoV等钢材。但是此类剪切刀具不能剪切超高强冷轧板。

专利公布号：CN108411279A，提出了一种高速钢刀具保护涂层的制备方法，采用等离子体增强化学气相沉积手段获取底层保护涂层，然后利用等离子增强原子层沉积工艺制备外层强化涂层。此方法需要两次抽真空，且原子层沉积工艺沉积速率较慢，一般只有1埃/周期。专利公布号：CN 105803394 A，公布了一种在高速钢或硬质合金刀具基体表面通过电弧离子镀、多弧离子镀+非平衡磁控溅射复合沉积方法制备多层耐磨涂层。亦存在多次抽真空的问题，限制了制备效率。专利公布号：CN 106119763 A，公布了一种采用超音速火焰喷涂法制备复合涂层的工艺，该方法制备的涂层较厚，表面粗糙，需要再加工。专利公布号：CN109735799 A，公布了一种切削刀具表面多层梯度高温耐磨涂层及其制备方法，其采用了纯金属Cr过渡层，镀制Cr/CrN/AlCrN复合涂层。着重于增强高速切削刀具的高温耐磨性。专利公布号：CN 107034438 B，公布了一种在高速钢丝锥表面制备TiN(C)Ti(N/C)镀层的方法。在镀膜时，采用了阴极电弧离子镀法与磁控溅射法相结合的方式。在N₂气氛下，用阴极电弧法蒸发Ti元素，同时用磁控溅射法溅射C元素，在高速钢丝锥表面镀制TiN(C)层，其C成分含量控制在5wt％以内。说明在高速钢表面镀制陶瓷强化层的可行性，但公开内容并未提及应用于冷轧超高强钢切割刀具。专利公布号：CN 101325738 A，公布了一种在冷作模具钢上镀制多层膜的工艺，以改善冷作模具钢在切割冷轧带钢的切割性能。但是冷作模具钢基体较软，其只可作为普通冷轧带钢的剪切刀具，无法满足切割超高强冷轧钢板的使用需求。专利公布号：CN 103805996 B，公布了一种金属材料表面先镀膜再渗氮的复合处理方法，该方法采用了磁控溅射或电弧离子镀技术镀膜及弧光离子渗氮或辉光离子渗氮技术，对膜层外表面进行强化，提升刀具耐磨性。此方法避免了先渗氮后镀膜过程中因工艺问题导致的基体表面生成铁氮化物脆性相，提高了的膜基结合力，但我方采用非平衡磁控溅射镀膜机，可以进行低温渗氮，将渗氮温度控制在673K以下(673K：铁的氮化物析出温度)，可以避免脆性相析出，镀制出膜基结合力高，耐磨性好表面硬度高可靠稳定的复合涂层。专利公布号：CN109972015 A，公布了一种Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料及其制备方法，刀具采用金属基陶瓷制成，切削性能优异。但相对于高速钢基体镀膜刀具，韧性较差，生产成本高，且不易制成冷轧圆盘剪所需的几何尺寸。专利公布号：CN 104131250 A，一种梯度成分设计的纳米复合刀具涂层及其制备方法，采用梯度成分，改善了刀具的机械磨损性能和抗高温氧化性能。但相对于多层工艺，谋求一种工艺过程相对简单的工艺。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层及方法，改进现有冷轧切割刀具表面，尤其是刃部的力学性能指标，提高其对超高强冷轧钢板的切割能力。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层，该渗氮涂镀层分为两层：一层为与基材相接的渗氮层、渗碳层、渗硅层中的一种以上，厚度为4～10μm；二层为沉积在一层的纳米金属氮化物陶瓷层、纳米金属碳化物陶瓷层或纳米金属硅化物陶瓷层中的两种以上混合物，厚度为0.1～10μm；所述的基材为高速钢。

所述的二层中表面为纳米氮化钛陶瓷层或纳米碳化钛陶瓷层。

所述的一层厚度为6～8μm。

所述的二层厚度为2～5μm。

所述的高速钢为W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、W12Cr4V5Co2或W18Cr4V2。

一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀方法，包括以下步骤：

1)清洗刀具基体外部，再对刀具基体进行等离子体清洗；

2)在刀具基体表面施实渗氮、涂层一体化表面处理：

分为两步，即渗氮、渗碳、渗硅中一种以上处理，然后加镀制纳米金属氮化物陶瓷层、纳米金属碳化物陶瓷层或纳米金属硅化物陶瓷层中的两种以上混合物，采用热丝增强等离子体磁控溅射方法；选择纯度为≥99.95％的金属靶为溅射源，纯氮、含碳气体、含硅气体中的一种以上作为二层氮化物源、碳化物源、硅化物源，以及渗氮剂、渗碳剂、渗硅剂；Ar作为保护性气体；

以渗氮及金属氮化物纳米陶瓷涂层为例，包括以下步骤：

1)刀具基体清洗完成后，降低氩气流量，至真空压强为0.2～1Pa，工件转速为20～800r/min；

2)开启氩气、氮气对应的截止阀，氮气流量为100～200sccm，氩气流量为100～200sccm，腔体压强为0.2～1Pa，灯丝电流为6～10A，持续渗氮2～5h；

3)渗氮层上加镀纳米金属氮化物陶瓷表面层：开启热丝，磁控靶电源，靶电流为6A。氮气流量100～200sccm，氩气流量100～200sccm；镀膜时间2～6h；

4)关闭所有电源及气体，保持真空冷却2～3h，打开镀膜机，取出镀膜后的超高强冷轧钢板切割刀具。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用热丝辅助等离子体增强磁控溅射方法在高速钢为基材的冷轧钢板用剪切刀具表面制备渗氮和陶瓷涂层的强化层，为超高强钢冷轧钢板剪切问题提供解决方案。相较于传统的磁控溅射技术，等离子体增强效果明显，可以实现对基体表面的等离子体氮化，提高基体强、硬度。镀膜速率可高达1-2μm/h，将在保证合理沉积速率的前提下，制备出结构致密且具备良好的综合机械性能的涂层。实现了等离子体渗氮及涂层制备一体化，有利于设计基体到涂层的硬度、模量梯度，提高膜层与基体间的结合力。

渗氮层与基体有一定的硬度梯度，表面陶瓷层作为工作层，硬度最高，渗氮层作为一个过渡层，减小了硬度梯度。可有效增加刀具的使用寿命，减少膜层脱落，刀具刃部失效的概率。

附图说明

图1是超高强冷轧钢板切割刀具的截面示意图。

图2是超高强冷轧钢板切割刀具涂层制备工艺流程图。

图中：1-基材 2-一层 3-二层。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图1、图2，一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层，该渗氮涂镀层分为两层：一层为与基材相接的渗氮层、渗碳层、渗硅层中的一种以上，厚度为4～10μm，优选6～8μm；二层为沉积在一层的纳米金属氮化物陶瓷层、纳米金属碳化物陶瓷层或纳米金属硅化物陶瓷层中的两种以上混合物，厚度为0.1～10μm，优选2～5μm；所述的基材为高速钢。

其中，二层中表面为纳米氮化钛陶瓷层或纳米碳化钛陶瓷层。高速钢为W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、W12Cr4V5Co2或W18Cr4V2。

一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀方法，包括以下步骤：

1)清洗刀具基体外部，再对刀具基体进行等离子体清洗；

a刀具基体的外部清洗：用1～10％氢氧化钠碱水溶液，在30℃～50℃下超声清洗5～30min，清水漂洗2～3次，鼓风机干燥，然后再次超声波酒精清洗10～30min，去离子水漂洗1～2次后，压缩空气或氮气吹干，干燥箱内50℃～200℃保温30～60min，工件吊装入镀膜机；

b刀具基体的等离子体清洗：镀膜机腔体真空抽至3×10^-3Pa以下，真空室加热至100～300℃，保温30～120min，去除真空室内残余气体，向真空室回补氩气至1～2Pa，打开钨灯丝，灯丝电流10～30A，钨灯丝加偏压50～200V，产生增强等离子体，基体上加载脉冲偏压电源，脉冲电源工艺参数为电压100～300V、频率60kHz、占空比40-80％；对刀具实施等离子体清洗10～60min；开启靶电源，靶电流3～10A，清洗10～60min。

2)在刀具基体表面施实渗氮、涂层一体化表面处理：

分为两步，即渗氮、渗碳、渗硅中一种以上处理，然后加镀制纳米金属氮化物陶瓷层、纳米金属碳化物陶瓷层或纳米金属硅化物陶瓷层中的两种以上混合物，采用热丝增强等离子体磁控溅射方法；选择纯度为≥99.95％的金属靶为溅射源，纯氮、含碳气体、含硅气体中的一种以上作为二层氮化物源、碳化物源、硅化物源，以及渗氮剂、渗碳剂、渗硅剂；Ar作为保护性气体。

以渗氮及金属氮化物纳米陶瓷涂层为例，包括以下步骤：

1)在刀具基体切割刀具表面施实渗氮和涂层一体化表面处理。该处理分为两步，即渗氮(或硅、碳、任意2～3种混合物)处理、加镀制纳米金属氮(或硅、碳、任意2～3种混合物)化物陶瓷表面层，采用热丝增强等离子体磁控溅射方法，以渗氮和金属氮化物纳米陶瓷涂层为例，简述具体实施过程如下：

(1)清洗完成后，降低氩气流量，至真空压强为0.2～1Pa，设定工件转速为20～800r/min。

(2)开启氩气、氮气对应截止阀，氮气流量设为100～200sccm，氩气流量设为100～200sccm，腔体压强设置为0.2～1Pa，灯丝电流设定为6～10A。持续渗氮2～5h。

(3)渗氮层上加镀纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层：开启热丝，磁控靶电源，靶电流为6A。氮气流量100～200sccm，氩气流量100～200sccm，镀膜时间2～6h；

(4)关闭所有电源及气体，保持真空冷却2～3h，打开镀膜机，取出镀膜后的超高强冷轧钢板切割刀具。

本发明的涂层结构具有良好的耐磨性、耐冲击性能。在保持刀具原有表面精度及组织结构的前提下，可有效提高其硬度、提升刀具耐磨性和耐冲击性能。

实施例一

见图1、图2，超高强冷轧钢板切割刀具涂镀方法，包括以下步骤：

a刀具基体的外部清洗：用重量百分比5％氢氧化钠碱水溶液，在30℃～50℃下超声清洗25min，清水漂洗3次，鼓风机干燥，然后再次超声波酒精清洗30min，去离子水漂洗2次后，用压缩空气或氮气吹干，干燥箱内120℃保温60min，工件吊装入镀膜机；

b刀具基体的内部清洗：镀膜机本底真空抽至3×10^-3Pa以下，真空室加热至150～200℃°，保温60min，去除真空室内残余气体，向真空室回补氩气至1～1.2Pa，打开钨灯丝，至灯丝电流16～20A，钨灯丝加偏压-120V，产生增强等离子体，利用脉冲偏压电源在基体上加偏压，脉冲工艺参数为电压300V、频率60kHz、占空比80％；对刀具实施等离子体清洗30h；刀具内部清洗完毕后，开靶电源。调节靶电流至6A。

c如图1所示，涂层包括：侵入基体的渗氮层和沉积在渗氮层顶面上的纳米金属氮化物陶瓷表面层。在刀具基体表面施实渗氮涂层一体化表面处理，该处理分为两步，即渗氮处理，以及镀纳米金属氮化物或纳米金属氮碳化物陶瓷表面层，采用热丝增强等离子体磁控溅射方法，具体实施过程如下：

(1)在刀具基体内部清洗后，降低氩气流量，至真空压强为0.5～0.7Pa，设定工件转速为30转/分钟。

(2)开启氩气、氮气对应截止阀，氮气流量设为150sccm，氩气流量设为150sccm。腔体压强设置到0.5～0.7Pa，灯丝电流设定为6～10A。持续渗氮2～5h。

(3)渗氮层顶面施加纳米金属氮化物或氮碳化物陶瓷表面层：开启磁控靶电源，靶电流为6A。氮气流量100～200sccm，氩气流量100～200sccm，镀膜2～6h；

(4)关闭所有电源及气体，保持真空冷却2～3h，打开镀膜机，取出镀膜后的超高强冷轧钢板切割刀具。

Claims (6)

1.一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层，其特征在于，该渗氮涂镀层分为两层：一层为与基材相接的渗氮层、渗碳层、渗硅层中的一种以上，厚度为4～10μm；二层为沉积在一层的纳米金属氮化物陶瓷层、纳米金属碳化物陶瓷层或纳米金属硅化物陶瓷层中的两种以上混合物，厚度为0.1～10μm；所述的基材为高速钢。

2.根据权利要求1所述的一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层，其特征在于，所述的二层中表面为纳米氮化钛陶瓷层或纳米碳化钛陶瓷层。

3.根据权利要求1所述的一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层，其特征在于，所述的一层厚度为6～8μm。

4.根据权利要求1所述的一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层，其特征在于，所述的二层厚度为2～5μm。

5.根据权利要求1所述的一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀层，其特征在于，所述的高速钢为W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、W12Cr4V5Co2或W18Cr4V2。

6.一种超高强冷轧钢板切割刀具涂镀方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)清洗刀具基体外部，再对刀具基体进行等离子体清洗；

2)在刀具基体表面施实渗氮、涂层一体化表面处理：

分为两步，即渗氮、渗碳、渗硅中一种以上处理，然后加镀制纳米金属氮化物陶瓷层、纳米金属碳化物陶瓷层或纳米金属硅化物陶瓷层中的两种以上混合物，采用热丝增强等离子体磁控溅射方法；选择纯度为≥99.95％的金属靶为溅射源，纯氮、含碳气体、含硅气体中的一种以上作为二层氮化物源、碳化物源、硅化物源，以及渗氮剂、渗碳剂、渗硅剂；Ar作为保护性气体；

以渗氮及金属氮化物纳米陶瓷涂层为例，包括以下步骤：

1)刀具基体清洗完成后，降低氩气流量，至真空压强为0.2～1Pa，工件转速为20～800r/min；

2)开启氩气、氮气对应的截止阀，氮气流量为100～200sccm，氩气流量为100～200sccm，腔体压强为0.2～1Pa，灯丝电流为6～10A，持续渗氮2～5h；

3)渗氮层上加镀纳米金属氮化物陶瓷表面层：开启热丝，磁控靶电源，靶电流为6A。氮气流量100～200sccm，氩气流量100～200sccm；镀膜时间2～6h；

4)关闭所有电源及气体，保持真空冷却2～3h，打开镀膜机，取出镀膜后的超高强冷轧钢板切割刀具。

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