CN112708853A - 一种微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法 - Google Patents

一种微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，包括步骤：制备AlCrN功能涂层；将所述AlCrN功能涂层沉积在处理后的所述基材上；微粒子喷丸处理；对制备有所述AlCrN功能涂层的所述基材进行微粒子喷丸后处理；本发明可显著降低涂层表面粗糙度，获得较低的摩擦系数和表面残余压应力，提高基体的残余压应力，改善了涂层抗摩擦磨损性能和切削性能，在刀具及表面防护领域具有重大的应用前景。

Description

一种微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法
技术领域
本发明涉及刀具加工工艺技术领域，具体涉及一种微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法。
背景技术
机械制造行业中，虽然有许多不同的工艺成型方法，但90％以上的机械零件仍然是通过切割工艺制造的。随着科学技术的发展，机械加工行业对刀具提出了更高的要求，高效、复合、环保的制造理念被广泛提及，硬质涂层在切削刀具上已经得到了广泛的应用。据统计，80％以上的刀具使用刀具涂层。与无涂层刀具相比，涂层刀具可以显著提高刀具寿命和切削效率。
多弧离子镀技术是现阶段制备刀具涂层的主流技术，具有离化率高、适合工业化大面积生产的优点，在负偏压加速下，沉积膜层结合力好，组织致密，沉积速率高。同时，多弧离子镀技术制备的AlCrN涂层因其在连续切削条件下能够保持较高硬度、高耐磨性、高温抗氧化性和良好的膜基结合性能，而被广泛应用于切削领域。但其表面存在大量的“金属颗粒”，增加了涂层的表面粗糙度，导致其切削性能退化。表面粗糙度对涂层刀具的切削性能有至关重要的影响，低的表面粗糙度可以提高AlCrN涂层的摩擦磨损性能。
多弧离子镀AlCrN涂层表面的颗粒主要是由于靶材表面蒸发的液滴凝结成宏观颗粒(MPS)，最终沉积在涂层表面所导致。涂层表面不同尺寸的颗粒增加涂层表面粗糙，降低涂层的整体性能，进而导致刀具表面与工件相互作用时的摩擦阻力增大。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，包括步骤：
S1，清洗基材；
S2，制备AlCrN功能涂层；
将所述AlCrN功能涂层沉积在所述步骤S1处理后的所述基材上；
S3，微粒子喷丸处理；
对所述步骤S2制备有所述AlCrN功能涂层的所述基材进行微粒子喷丸后处理。
较佳的，在步骤S1中，将多弧离子镀的真空炉抽真空，通入Ar气并加热至450℃；开启所述清洗Ti靶后开启所述阳极靶材，所述阳极靶材与所述清洗Ti靶构成正负极牵引电子运动，电子与Ar气碰撞产生Ar+，控制负偏压为-200V，吸引Ar+对基材表面进行离子轰击。
较佳的，在所述AlCrN功能涂层制备过程中，AlCr靶电流调至130A，基体偏压设定为-80V，沉积时间120min。
较佳的，所述AlCr靶的靶材摩尔含量比为A1∶Cr＝70∶30。
较佳的，所述AlCrN功能涂层设置为4微米，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸后处理中所采用的微粒子喷丸丸粒为直径80μm～150μm的高速钢丸料。
较佳的，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的丸料成分为：0.8％～0.88％的C、0.4％～0.45％的Si、0.4％的Mn、3.8％～4.5％的Cr、4.5％～5.5％的Mo、1.6％～2.2％的V、5.5％～6.7％的W。
较佳的，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的喷丸压力为0.55MPa。
较佳的，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的速度为150m/s。
较佳的，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的喷丸时间为30S。
较佳的，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的喷嘴直径为5mm，所述喷嘴距所述AlCrN功能涂层的距离为5cm～8cm。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，经过本发明处理的AlCrN涂层，涂层表面液滴颗粒数目和涂层表面粗糙度显著降低，涂层厚度减薄程度不明显。2，因为球形高速钢丸料的撞击作用，涂层-基体界面处基体处产生较大的残余压应力，较低的涂层表面粗糙度和合适的残余压应力可改善涂层刀具的切削性能。
附图说明
图1为经过微粒子喷丸后处理前后AlCrN涂层表面形貌和表面三维形貌图；
图2为涂层表面液滴数目图；
图3为微粒子喷丸后处理前后AlCrN涂层XRD图；
图4为经过微粒子喷丸后处理前后AlCrN涂层的摩擦因数图；
图5为微粒子喷丸后处理前后刀具基体的残余应力图；
图6为微粒子喷丸后处理前后AlCrN涂层刀具切削寿命曲线图；
图7为微粒子喷丸后处理前后AlCrN涂层刀具切削磨损形貌图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
本发明所述微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，包括步骤：
S1，清洗基材；
将多弧离子镀的真空炉抽真空，通入Ar气并加热至450℃；开启清洗Ti靶后，开启阳极靶材，所述阳极靶材与所述清洗Ti靶构成正负极牵引电子运动，电子与Ar气碰撞产生Ar+，控制负偏压为-200V，吸引Ar+对基材表面进行离子轰击。
S2，制备AlCrN功能涂层；
将AlCrN功能涂层沉积在所述步骤S1处理后的所述基材上。
在所述AlCrN功能涂层制备过程中，AlCr靶电流调至130A，基体偏压设定为-80V，沉积时间120min。
所述AlCr靶的靶材摩尔含量比为Al：Cr＝70：30。
S3，微粒子喷丸处理
对所述步骤S2制备有所述AlCrN功能涂层的所述基材进行微粒子喷丸后处理。
对应4微米厚度的所述AlCrN功能涂层，在所述步骤S3中，所述微粒子喷丸后处理中所采用的微粒子喷丸丸粒为直径80μm～150μm的高速钢丸料，丸粒呈现较好的球形形状，所述的微粒子硬度高达HRC 68。
较佳的，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的丸料成分为：0.8％～0.88％的C、0.4％～0.45％的Si、0.4％的Mn、3.8％～4.5％的Cr、4.5％～5.5％的Mo、1.6％～2.2％的V、5.5％～6.7％的W。
较佳的，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的喷丸压力为0.55MPa。
较佳的，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的速度为150m/s。
较佳的，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的喷丸时间为30S。
较佳的，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的喷嘴直径为5mm，所述喷嘴距所述A1CrN功能涂层的距离为5cm～8cm。
常规的喷砂后处理压强提高和持续时间延长，最主要的是喷砂材料为带有尖锐形状的菱形材料，喷料对涂层的减薄破坏作用变大，致使涂层尤其是切削刃处涂层变薄，刃口钝圆半径变大。在涂层变薄时，基体在局部区域外露，使刀具在切削时的热应力和切削力提高，严重恶化了涂层的切削性能。
对于A1CrN涂层刀具采用本发明的微粒子喷丸后处理工艺可显著降低涂层表面粗糙度，获得较低的摩擦系数，以及合适的涂层-基体界面处基体的表面残余压应力，提高涂层刀具的抗疲劳性能，进而改善了涂层抗摩擦磨损性能和切削性能，在刀具及表面防护领域具有重大的应用前景。
实施例一
试验选用M42高速钢试样片和直径为10mm的M42高速钢直柄立铣刀。试验采用两个对称分布的AlCr(原子比Al∶Cr＝70∶30，纯度99.5％)合金靶材。镀膜前，用高能Ar+对基材表面进行轰击，即对基材表面进行刻蚀清洗处理，电流90A，时间30min；镀膜时，温度为450℃，N2压力4.0*10-2mbar，AlCr合金靶材电流均为130A，沉积时间为2小时。
将制备后的AlCrN涂层进行检测。
实施例二
AlCrN涂层制备实施方式同实施例一相同。
微粒子喷丸步骤：
第一步，选取微粒子丸粒，丸料为直径80μm～150μm的高速钢丸料，丸粒呈现较好的球形形状，所述的微粒子硬度高达HRC 68；第二步，微粒子喷丸喷嘴直径为5mm，喷嘴距离与涂层试样之间的距离设置为5cm～8cm；第三步，喷丸压力设置为0.55MPa，微粒子喷丸的速度设置为150m/s；微粒子喷丸的喷丸时间设置为30s。
将经过微粒子喷丸后处理的AlCrN涂层进行检测。
其他实施方式和实施例一相同。
将未处理的AlCrN涂层和经微粒子喷丸处理的AlCrN涂层进行检测，检测结果如表一所示。
表一微粒子喷丸后处理前后AlCrN涂层表面液滴数目统计结果和表面粗糙度
液滴数目 Sa(μm) Sq(μm)
未处理 314 0.274 0.531
微粒子喷丸后处理 36 0.114 0.228
图1为微粒子喷丸后处理前后AlCrN涂层表面形貌和表面三维形貌图。其中图1(a)为微粒子喷丸后处理前的AlCrN涂层表面形貌图；图1(b)为经过微粒子喷丸后处理后的AlCrN涂层表面形貌图；图1(c)为微粒子喷丸后处理前的AlCrN涂层表面三维形貌图；图1(d)为经过微粒子喷丸后处理后的AlCrN涂层表面三维形貌图。
从图1(a)可以看出，未处理AlCrN涂层表面存在较多尺寸不一的液滴颗粒和凹坑，这是多弧离子镀镀膜技术所制备涂层表面形貌的典型特征。液滴生成的主要原因是，镀膜过程中熔融态的金属液滴在涂层表面固化所致。
图1(b)为经微粒子喷丸处理后的AlCrN涂层表面形貌。可以明显看出，涂层表面颗粒的数目明显变少，即后处理可以显著降低涂层表面的颗粒。
图1(c)和图1(d)为经微粒子喷丸前后的AlCrN涂层表面三维形貌，表一列出了相应的表面粗糙度结果。由表一可知，经微粒子喷丸处理后，AlCrN涂层的表面粗糙度有所降低。
图2为涂层表面液滴数目图，可定量分析经微粒子喷丸处理后对涂层表面液滴的清除效果，统计结果见表一。由表一可以看出，AlCrN涂层经微粒子喷丸处理后，表面液滴减少，涂层表面颗粒减少88.5％，表明微粒子喷丸后处理对涂层表面液滴具有清除效果。
图3为微粒子喷丸后处理前后AlCrN涂层XRD图。由图中可以看出，经微粒子喷丸后处理后AlCrN涂层的XRD图谱与未处理涂层类似，所有AlCrN涂层的主要结构相为固溶的fcc-(Cr，Al)N相，微粒子喷丸后处理对A1CrN涂层和基体的相组成没有影响。
从图中还可以看出，相比于未经处理的AlCrN涂层，微粒子喷丸后处理的AlCrN的峰位向低角度发生偏移。
以(Al，Cr)N的(200)衍射峰为例，微粒子喷丸后处理后的峰位偏移值达到了0.641°。AlCrN涂层(111)衍射峰也向低角度偏移，微粒子喷丸处理后偏移了0.601°。
材料的衍射峰相向低角度偏移，与其残余压应力的增加密切相关。经微粒子喷丸后处理的A1CrN涂层(111)和(200)处衍射峰均向低角度偏移，表明微粒子喷丸后处理方法可增加涂层的残余压应力，而合适的残余压应力可改善涂层刀具的切削性能。
图4为微粒子喷丸后处理前后A1CrN涂层的摩擦因数图。由图4可知，未处理A1CrN涂层的平均摩擦因数为0.654，经微粒子喷丸后处理的A1CrN涂层的平均摩擦因数为0.626。经微粒子喷丸后处理A1CrN涂层的平均摩擦系数要小于未处理涂层，说明微粒子喷丸后处理可以降低涂层表面粗糙度，进而降低其摩擦系数。
图5为微粒子喷丸前后刀具基体的残余应力图。未处理的基体残余应力为-36MPa，经微粒子喷丸后处理的基体残余应力为-1107MPa。残余应力增大，这主要是因为微粒子喷丸对涂层表面作用时，可以诱发基体在深度方向的发生塑性变形，从而增加残余压应力。
图6为微粒子喷丸后处理前后A1CrN涂层刀具切削寿命曲线图。
当磨钝标准VB为0.2mm时，未处理的A1CrN涂层刀具切削长度为10米，经微粒子喷丸处理的A1CrN涂层刀具切削长度可达13.3米，切削寿命提高约30％。这主要归咎于涂层表面粗糙度的降低，减少了涂层刀具在切削时受到的应力和磨损。同时微粒子喷丸，刀具刃口钝圆半径的增大，切削时能够大幅度降低刀尖刃口处接触应力，减少了涂层的疲劳应力失效和机械磨损，从而可以进一步提高刀具寿命。
图7为微粒子喷丸后处理前后AlCrN涂层刀具切削磨损形貌图。图7(a)为微粒子喷丸后处理前AlCrN涂层刀具切削磨损形貌图；图7(b)为微粒子喷丸后处理后AlCrN涂层刀具切削磨损形貌图。
由图7(a)可以看出，涂层刀具切削刃处均存在涂层磨损、剥落区域，并且裸露出刀具基体。
由图7(b)经微粒子喷丸处理的AlCrN涂层刀具后刀面处虽存在明显的磨损，但涂层保持完整。同时，刃口处钝圆半径明显增大，在切削时降低接触应力，提高刀具寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，其特征在于，包括步骤：
S1，清洗基材；
S2，制备AlCrN功能涂层；
将所述AlCrN功能涂层沉积在所述步骤S1处理后的所述基材上；
S3，微粒子喷丸处理；
对所述步骤S2制备有所述AlCrN功能涂层的所述基材进行微粒子喷丸后处理。
2.如权利要求1所述的微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，其特征在于，在步骤S1中，将多弧离子镀的真空炉抽真空，通入Ar气并加热至450℃；开启所述清洗Ti靶后开启所述阳极靶材，所述阳极靶材与所述清洗Ti靶构成正负极牵引电子运动，电子与Ar气碰撞产生Ar+，控制负偏压为-200V，吸引Ar+对基材表面进行离子轰击。
3.如权利要求1所述的微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，其特征在于，在所述AlCrN功能涂层制备过程中，AlCr靶电流调至130A，基体偏压设定为-80V，沉积时间120min。
4.如权利要求3所述的微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，其特征在于，所述AlCr靶的靶材摩尔含量比为Al∶Cr＝70∶30。
5.如权利要求1所述的微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸后处理中所采用的微粒子喷丸丸粒为直径80μm～150μm的高速钢丸料。
6.如权利要求5所述的微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的丸料成分为：0.8％～0.88％的C、0.4％～0.45％的Si、0.4％的Mn、3.8％～4.5％的Cr、4.5％～5.5％的Mo、1.6％～2.2％的V、5.5％～6.7％的W。
7.如权利要求6所述的微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的喷丸压力为0.55MPa。
8.如权利要求7所述的微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的速度为150m/s。
9.如权利要求8所述的微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的喷丸时间为30S。
10.如权利要求9所述的微粒子喷丸后处理改善AlCrN涂层刀具性能的加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述微粒子喷丸的喷嘴直径为5mm，所述喷嘴距所述AlCrN功能涂层的距离为5cm～8cm，覆盖率为200％。
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