CN112575290A - 一种在cbn刀具材料上涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在CBN刀具材料上涂层的方法，包括步骤一，CBN加工；步骤二，离子轰击清洗；步骤三，打底层长晶；步骤四，过渡承载层；步骤五，涂层阶段处理；其中在上述步骤一中，人工检测CBN刀具材料的性质与样式，选择合适的CBN刀具材料上涂层靶材原料，并将靶材原料放入等离子枪中；该一种在CBN刀具材料上涂层的方法，操作简单，成本低，采用柱形弧技术，高硬度涂层在CBN刀片上运用对硬件的了解与工艺参数设计的结合得出能提高附着性于CBN材料上，使得附着强度能与钢材相媲美，薄膜硬度极高，有良好的耐磨耗性及抗高温的优点，因此适用于超硬干式切削加工，且该发明工艺简单严谨，原料便宜成本低廉，大大节约了生产成本。

Description

一种在CBN刀具材料上涂层的方法
技术领域
本发明涉及CBN刀具材料技术领域，具体为一种在CBN刀具材料上涂层的方法。
背景技术
CBN材料硬度高与钻石原子构造相仿，化学性质也相若，其导电性不佳的特性使得PVD涂层的附着力难以达到较好的提升，由于导电性差在产品上提供的负偏压无法有效进行离子轰击清洗以及进行有效的正离子植入被覆，一般传统的PVD涂层制程作法是不能附着足够的强度在CBN材料上，以致于涂层的内应力大于附着强度而使薄膜与CBN基材剥离了，目前市场上能够把CNB材料被覆PVD高硬涂层技术做好的厂家极少且集中在国外的刀片大厂上，无法控制离子清洗、离子植入附着及涂层内应力的过程；针对这些缺陷，设计一种在CBN刀具材料上涂层的方法是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在CBN刀具材料上涂层的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种在CBN刀具材料上涂层的方法，包括步骤一，CBN加工；步骤二，离子轰击清洗；步骤三，打底层长晶；步骤四，过渡承载层；步骤五，涂层阶段处理；
其中在上述步骤一中，CBN加工包括以下步骤：
1)人工检测CBN刀具材料的性质与样式，选择合适的CBN刀具材料上涂层靶材原料，并将靶材原料放入等离子枪中；
2)开启等离子枪，使其温度加热至1*104℃，再将其通入反应气体N2，随后静置沉积，即可得到CBN刀具材料上涂层靶材；
其中在上述步骤二中，离子轰击清洗包括以下步骤：
1)氩气离子轰击在490℃的高温下通以氩气100sccm，使用一号靶为钛Ti靶作为蒸发源，使用二号靶为铝靶作为钛靶的阳极端，当蒸发源起动设置100～110A的定电流输出，所产生的大量电子将往二号靶阳极磁场方向形成有方向性的辉光放电，产生15～20A的电子流，辉光区域产生大量的氩离子，氩离子带正电荷，正的氩离子被负电场所吸引往产品方向冲击，产品上的负载此时为负的500～400V，强的电场吸引正离子会集中在产品的尖端及外缘，一定时间后25～35min后CBN的表面获得平坦安定的表面结构；
2)氩气离子轰击是产生更高的轰击离子，轰击产品的内部表面，此时产品氩气提高至300sccm，偏压由400V降为300V，电子流由55A升为60A，此时产生更高的氩气游离，产品获得的轰偏电流约在2～4A渐升，时间约维持20～30min，在产品的尖端及凹面处都获得足够得清洁力度；
3)氩气降至30sccm，产品的轰偏电压提升至800V高压脉冲30kHz，蒸发源起动设置85～100A的定电流输出，此时负载产品上有3.5～4.5A的轰偏电流，带能量的钛原子、离子不断的往基板冲击，将产品表面难处理的氧化层打掉并同时有极少量的钛离子植入基板表面，核成长约5～10nm；其中在上述步骤三中，打底层长晶包括以下步骤：
1)产品基底采用铬打底，开始涂层之前所有侧向靶源在遮板保护下必须经过烧靶2～3min的过程，使得冷却靶面获得充分的清洁，去除靶面外表薄皮与溢气，钛靶蒸发源起动设置110～130A，通氮气少许，产品的轰偏电压降为110～100V，脉冲30kHz，此时再高温480～500℃，低气压0.7～0.9pa下爆发生长氮化钛2～3min，即可得到强劲的附着强度；
2)钛靶蒸发源由130A渐升式至170A，轰偏电压由100V降为60V，氮气由300sccm升高到450sccm，真空压力由1pa提高至2pa，约5～8min的氮化钛，此时氮化钛薄膜的硬度也由1500HV堤升至2000HV；
其中在上述步骤四中，过渡承载层包括以下步骤：
1)CBN刀片涂层由中铝钛渐进斜坡形成高铝钛层最后形成氮铝钛硅，氮铝钛硅进行25～35min，薄膜成长约0.7～1.0um，钛靶蒸发源在165～175A，铝靶蒸发源在100～110A，钛硅蒸发源在100～110A，轰偏电压60～45V，氮气400～450sccm，气体压力优先1.75～2.0pa；
2)渐变模式最终定在钛靶蒸发源125～115A，铝靶蒸发源在160～170A，钛硅蒸发源在110～120A，轰偏电压40～35V，氮气500sccm，气压4.0pa，承载层的硬度达到3000～3500HV；
其中在上述步骤五中，涂层时间依产品需求给予不同厚度，一般约30～40min，薄膜厚度约0.5～0.8um，薄膜硬度高达4000HV，延伸上层的参数钛靶蒸发源降到115～90A，随后降至0A，铝靶蒸发源在170～95A，随后降至0A，钛硅蒸发源在100～170A，轰偏电压40～42V，氮气450～500sccm，气体压力4.5～4.8pa，即可完成CBN刀具材料上涂层。
根据上述技术方案，所述步骤一1)中离子枪使用前需要进行清洗除尘。
根据上述技术方案，所述步骤二1)中轰击产生的轰偏电流约在2A稳定。
根据上述技术方案，所述步骤三1)中也可以采用钛或氮化合金打底。
根据上述技术方案，所述步骤四1)中硬度可以到达3000～3500HV。
根据上述技术方案，所述步骤五中完成CBN刀具材料上涂层后，需要进行烘干静置，放置在阴凉地存储。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：该一种在CBN刀具材料上涂层的方法，操作简单，成本低，采用柱形弧技术，高硬度涂层在CBN刀片上运用对硬件的了解与工艺参数设计的结合得出能提高附着性于CBN材料上，使得附着强度能与钢材相媲美，薄膜硬度极高，有良好的耐磨耗性及抗高温的优点，因此适用于超硬干式切削加工，且该发明工艺简单严谨，原料便宜成本低廉，加工方便，大大节约了生产成本，有利于加工与生产。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种在CBN刀具材料上涂层的方法，包括步骤一，CBN加工；步骤二，离子轰击清洗；步骤三，打底层长晶；步骤四，过渡承载层；步骤五，涂层阶段处理；
其中在上述步骤一中，CBN加工包括以下步骤：
1)人工检测CBN刀具材料的性质与样式，选择合适的CBN刀具材料上涂层靶材原料，并将靶材原料放入等离子枪中，离子枪使用前需要进行清洗除尘；
2)开启等离子枪，使其温度加热至1*104℃，再将其通入反应气体N2，随后静置沉积，即可得到CBN刀具材料上涂层靶材；
其中在上述步骤二中，离子轰击清洗包括以下步骤：
1)氩气离子轰击在490℃的高温下通以氩气100sccm，使用一号靶为钛Ti靶作为蒸发源，使用二号靶为铝靶作为钛靶的阳极端，当蒸发源起动设置100～110A的定电流输出，所产生的大量电子将往二号靶阳极磁场方向形成有方向性的辉光放电，产生15～20A的电子流，轰击产生的轰偏电流约在2A稳定，辉光区域产生大量的氩离子，氩离子带正电荷，正的氩离子被负电场所吸引往产品方向冲击，产品上的负载此时为负的500～400V，强的电场吸引正离子会集中在产品的尖端及外缘，一定时间后25～35min后CBN的表面获得平坦安定的表面结构；
2)氩气离子轰击是产生更高的轰击离子，轰击产品的内部表面，此时产品氩气提高至300sccm，偏压由400V降为300V，电子流由55A升为60A，此时产生更高的氩气游离，产品获得的轰偏电流约在2～4A渐升，时间约维持20～30min，在产品的尖端及凹面处都获得足够得清洁力度；
3)氩气降至30sccm，产品的轰偏电压提升至800V高压脉冲30kHz，蒸发源起动设置85～100A的定电流输出，此时负载产品上有3.5～4.5A的轰偏电流，带能量的钛原子、离子不断的往基板冲击，将产品表面难处理的氧化层打掉并同时有极少量的钛离子植入基板表面，核成长约5～10nm；其中在上述步骤三中，打底层长晶包括以下步骤：
1)产品基底采用铬打底，也可以采用钛或氮化合金打底，开始涂层之前所有侧向靶源在遮板保护下必须经过烧靶2～3min的过程，使得冷却靶面获得充分的清洁，去除靶面外表薄皮与溢气，钛靶蒸发源起动设置110～130A，通氮气少许，产品的轰偏电压降为110～100V，脉冲30kHz，此时再高温480～500℃，低气压0.7～0.9pa下爆发生长氮化钛2～3min，即可得到强劲的附着强度；
2)钛靶蒸发源由130A渐升式至170A，轰偏电压由100V降为60V，氮气由300sccm升高到450sccm，真空压力由1pa提高至2pa，约5～8min的氮化钛，此时氮化钛薄膜的硬度也由1500HV堤升至2000HV；
其中在上述步骤四中，过渡承载层包括以下步骤：
1)CBN刀片涂层由中铝钛渐进斜坡形成高铝钛层最后形成氮铝钛硅，氮铝钛硅进行25～35min，薄膜成长约0.7～1.0um，钛靶蒸发源在165～175A，铝靶蒸发源在100～110A，钛硅蒸发源在100～110A，轰偏电压60～45V，氮气400～450sccm，气体压力优先1.75～2.0pa，硬度可以到达3000～3500HV；
2)渐变模式最终定在钛靶蒸发源125～115A，铝靶蒸发源在160～170A，钛硅蒸发源在110～120A，轰偏电压40～35V，氮气500sccm，气压4.0pa，承载层的硬度达到3000～3500HV；
其中在上述步骤五中，涂层时间依产品需求给予不同厚度，一般约30～40min，薄膜厚度约0.5～0.8um，薄膜硬度高达4000HV，延伸上层的参数钛靶蒸发源降到115～90A，随后降至0A，铝靶蒸发源在170～95A，随后降至0A，钛硅蒸发源在100～170A，轰偏电压40～42V，氮气450～500sccm，气体压力4.5～4.8pa，即可完成CBN刀具材料上涂层，完成CBN刀具材料上涂层后，需要进行烘干静置，放置在阴凉地存储。
基于上述，本发明的优点在于，该一种在CBN刀具材料上涂层的方法，操作简单，成本低，采用柱形弧技术，高硬度涂层在CBN刀片上运用对硬件的了解与工艺参数设计的结合得出能提高附着性于CBN材料上，使得附着强度能与钢材相媲美，薄膜硬度极高，有良好的耐磨耗性及抗高温的优点，因此适用于超硬干式切削加工。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种在CBN刀具材料上涂层的方法，包括步骤一，CBN加工；步骤二，离子轰击清洗；步骤三，打底层长晶；步骤四，过渡承载层；步骤五，涂层阶段处理；其特征在于：
其中在上述步骤一中，CBN加工包括以下步骤：
1)人工检测CBN刀具材料的性质与样式，选择合适的CBN刀具材料上涂层靶材原料，并将靶材原料放入等离子枪中；
2)开启等离子枪，使其温度加热至1*104℃，再将其通入反应气体N2，随后静置沉积，即可得到CBN刀具材料上涂层靶材；
其中在上述步骤二中，离子轰击清洗包括以下步骤：
1)氩气离子轰击在490℃的高温下通以氩气100sccm，使用一号靶为钛Ti靶作为蒸发源，使用二号靶为铝靶作为钛靶的阳极端，当蒸发源起动设置100～110A的定电流输出，所产生的大量电子将往二号靶阳极磁场方向形成有方向性的辉光放电，产生15～20A的电子流，辉光区域产生大量的氩离子，氩离子带正电荷，正的氩离子被负电场所吸引往产品方向冲击，产品上的负载此时为负的500～400V，强的电场吸引正离子会集中在产品的尖端及外缘，一定时间后25～35min后CBN的表面获得平坦安定的表面结构；
2)氩气离子轰击是产生更高的轰击离子，轰击产品的内部表面，此时产品氩气提高至300sccm，偏压由400V降为300V，电子流由55A升为60A，此时产生更高的氩气游离，产品获得的轰偏电流约在2～4A渐升，时间约维持20～30min，在产品的尖端及凹面处都获得足够得清洁力度；
3)氩气降至30sccm，产品的轰偏电压提升至800V高压脉冲30kHz，蒸发源起动设置85～100A的定电流输出，此时负载产品上有3.5～4.5A的轰偏电流，带能量的钛原子、离子不断的往基板冲击，将产品表面难处理的氧化层打掉并同时有极少量的钛离子植入基板表面，核成长约5～10nm；
其中在上述步骤三中，打底层长晶包括以下步骤：
1)产品基底采用铬打底，开始涂层之前所有侧向靶源在遮板保护下必须经过烧靶2～3min的过程，使得冷却靶面获得充分的清洁，去除靶面外表薄皮与溢气，钛靶蒸发源起动设置110～130A，通氮气少许，产品的轰偏电压降为110～100V，脉冲30kHz，此时再高温480～500℃，
低气压0.7～0.9pa下爆发生长氮化钛2～3min，即可得到强劲的附着强度；
2)钛靶蒸发源由130A渐升式至170A，轰偏电压由100V降为60V，氮气由300sccm升高到450sccm，真空压力由1pa提高至2pa，约5～8min的氮化钛，此时氮化钛薄膜的硬度也由1500HV堤升至2000HV；
其中在上述步骤四中，过渡承载层包括以下步骤：
1)CBN刀片涂层由中铝钛渐进斜坡形成高铝钛层最后形成氮铝钛硅，氮铝钛硅进行25～35min，薄膜成长约0.7～1.0um，钛靶蒸发源在165～175A，铝靶蒸发源在100～110A，钛硅蒸发源在100～110A，轰偏电压60～45V，氮气400～450sccm，气体压力优先1.75～2.0pa；
2)渐变模式最终定在钛靶蒸发源125～115A，铝靶蒸发源在160～170A，钛硅蒸发源在110～120A，轰偏电压40～35V，氮气500sccm，气压4.0pa，承载层的硬度达到3000～3500HV；
其中在上述步骤五中，涂层时间依产品需求给予不同厚度，一般约30～40min，薄膜厚度约0.5～0.8um，薄膜硬度高达4000HV，延伸上层的参数钛靶蒸发源降到115～90A，随后降至0A，铝靶蒸发源在170～95A，随后降至0A，钛硅蒸发源在100～170A，轰偏电压40～42V，氮气450～500sccm，气体压力4.5～4.8pa，即可完成CBN刀具材料上涂层。
2.根据权利要求1所述的一种在CBN刀具材料上涂层的方法，其特征在于：所述步骤一1)中离子枪使用前需要进行清洗除尘。
3.根据权利要求1所述的一种在CBN刀具材料上涂层的方法，其特征在于：所述步骤二1)中轰击产生的轰偏电流约在2A稳定。
4.根据权利要求1所述的一种在CBN刀具材料上涂层的方法，其特征在于：所述步骤三1)中也可以采用钛或氮化合金打底。
5.根据权利要求1所述的一种在CBN刀具材料上涂层的方法，其特征在于：所述步骤四1)中硬度可以到达3000～3500HV。
6.根据权利要求1所述的一种在CBN刀具材料上涂层的方法，其特征在于：所述步骤五中完成CBN刀具材料上涂层后，需要进行烘干静置，放置在阴凉地存储。
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