CN112853262A - 一种用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层及生产工艺 - Google Patents

一种用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层及生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层及生产工艺，高耐磨降阻涂层包括从基材表面向外侧依次设置的AlCrN结合层、AlCrN爬坡层、AlCrN主功能层和WCC润滑层，从AlCrN结合层、AlCrN爬坡层到AlCrN主功能层涂层材料的硬度呈阶梯性逐步提高。本发明提供的高耐磨降阻涂层，在基材的表面直接生成AlCrN层，提升了涂层的耐热性；本发明的涂层中，AlCrN层分为AlCrN结合层、AlCrN爬升层和AlCrN功能层，提高了AlCrN材料与基材的结合力，又使材料硬度依次提高，使AlCrN层材料的耐磨、耐高温性能充分发挥出来；本发明的涂层在生成AlCrN功能层后进行特殊的抛光处理，消除表面的颗粒，降低加工时的摩擦力；WCC润滑层能够降低与加工材料的摩擦，延长挤压丝锥的使用寿命。

Description

一种用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层及生产 工艺
技术领域
本发明涉及涂层材料及涂层生产工艺技术领域，特别是涉及一种用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层及生产工艺。
背景技术
挤压丝锥是利用金属塑性变形原理而加工内螺纹的一种新型螺纹刀具，挤压丝锥挤压内螺纹是无屑加工工艺，特别适用于强度较低、塑性较好的铜合金和铝合金，也可用于不锈钢和低碳钢等硬度低、塑性大的材料攻丝。
目前高端的挤压丝锥主要被欧洲和日本垄断，特别是应用于难加工材料的挤压丝锥，目前国内的挤压丝锥与国外的挤压丝锥相比寿命相差很大。决定挤压丝锥使用寿命的因素除了丝锥本身材料及制造工艺之外，丝锥涂层也是其关键因素之一。现有技术中，用于加工难加工材料的挤压丝锥涂层，常用的有：TiN、CrN、TiAlN和TiCN，这些涂层各有优缺点，但是应用于难加工材料的挤压丝锥涂层使用寿命都比较低。这些材料的缺点是，耐磨耐高温的，摩擦力大，摩擦力小的又不耐高温不耐磨，在加工难加工材料的时候要求耐磨和耐高温性非常高。目前挤压丝锥普遍采用电弧的制备方式来制备涂层，虽然能有效提高涂层的结合力以及耐温及耐磨性能，但是不能解决生成的涂层表面存在颗粒性问题，使用时，摩擦力大，影响其使用寿命。
公开号为CN110653432A的专利文件公开了一种自润滑挤压丝锥，具体公开了丝锥基体材料为高速钢，丝锥基体的表面为渗Cr层，在所述渗Cr层上依次涂覆有Cr-CrN过渡层、AlCrN涂层、CrN-Cr过渡层、含有WS2和Cr且Cr原子百分比为20～30%的高Cr含量WS2/Cr复合涂层、含有WS2和Cr且Cr原子百分比为5-15%的低Cr含量WS2/Cr复合涂层和WS2涂层。
上述方案中，在丝锥基体的表面为渗Cr层，渗Cr层上依次涂覆有Cr-CrN过渡层、AlCrN涂层、CrN-Cr过渡层、含有WS2和Cr且Cr原子百分比为20～30%的高Cr含量WS2/Cr复合涂层、含有WS2和Cr且Cr原子百分比为5-15%的低Cr含量WS2/Cr复合涂层和WS2涂层。这种结构的丝锥涂层，其内部的Cr层、Cr-CrN层的耐高温性能都比较低，在加工的过程中，在冷却不好或者高速切削的工况下，或者在现在对环保要求越来越严格，要求尽量少用切削液的情况下，产生的热量会慢慢传递到底层的CrN或者Cr层，这样慢慢导致底层在高温下的失效，最后导致涂层剥落，影响其使用寿命。
发明内容
本发明针对背景技术中所述的现有的用于难加工材料的挤压丝锥涂层，内部耐高温性能差，导致涂层容易脱落，表面存在颗粒性问题，切割时摩擦力大，影响其使用寿命的问题，提供一种能解决前述问题的用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层，其包括从基材表面向外侧依次设置的AlCrN结合层、AlCrN爬坡层、AlCrN主功能层和WCC润滑层，从AlCrN结合层、AlCrN爬坡层到AlCrN主功能层涂层材料的硬度呈阶梯性逐步提高。
进一步的方案是，所述的AlCrN结合层的厚度为0.2-0.5微米。
进一步的方案是，所述的AlCrN爬坡层的厚度为0.2-0.5微米。
进一步的方案是，所述的AlCrN主功能层的厚度为1.0-1.5微米。
进一步的方案是，所述的WCC润滑层的厚度为0.8-1.5微米。
本发明的另一个目的在于提供一种用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层的生产工艺，其包括以下生产步骤：
S1用九槽清洗生产线清洗需要生成涂层的丝锥工件；
S2将清洗好的工件固定在转架上，将整个转架放入涂层设备内；；
S3抽真空加热，涂层设备内部抽真空，抽真空到涂层设备内部气压为5*10-5mbar，涂层设备加热到400-480℃，将转架的转速设置在0.5-2转/分钟；
S4 H+离子清洗；涂层设备内通入H2和Ar气体，气压2.0-9.0 *10-4 mbar纯离子清洗，利用炉内上部灯丝离化H2和Ar气，产生辉光，同时下部辅助阳极通电，让电子往辅助阳极流动，工件接负10V到负30V偏压，整个炉腔内充满了H+和Ar+，H+离子能和工件表面清洗不掉的氧化物或者有机物产生化学反应，深入工件表面深层次充分清理工件；
S5 Ar+离子清洗；关闭H2，Ar气继续输入，维持转架速度1转/分，维持在气压2.0-9.0 *10-4 mbar纯离子清洗，工件接负200V到负300V偏压，灯丝和辅助阳极产生的Ar+离子大能量轰击工件表面，去除表面微观颗粒物以及活化基体表面，为梯度Cr层提供更好、更干净的基体；
S6电弧方式制备梯度AlCrN层；首先制备AlCrN结合层，工件接负20V到负200V偏压，气压为 1.0-2.0 *10-2 mbar，功率100-200kw，生成AlCrN结合层；然后制备AlCrN 爬升层，采用低偏压向高偏压固定斜率爬升，工件偏压从负20-120V 爬升，气压在2.0-3.0*10-2mbar范围内提高，得到AlCrN爬升层；然后制备ALCrN功能层，工件偏压从负100V到负200V爬升，气压在 3.0-7.0 *10-2 mbar范围内提高，功率100-200kw，生成AlCrN功能层；
S7抛光处理，通过抛光处理去除电弧制备AlCrN过程中表面产生的颗粒，使其表面光洁；
S8磁控溅射WCC层，该WCC层的生成工序和上述工序不连续，在生成WCC层之前，要将涂层设备的温度控制在150-200℃，然后通入Ar气，转架速度0.5-2转/分，维持在气压2.0-9.0 *10-4 mbar纯离子清洗，工件接负200V到负300V偏压，灯丝和辅助阳极产生的Ar+离子大能量轰击工件表面，去除工件表面微观颗粒物，并活化基体表面，为WCC层提供更好更干净的基体；完成离子清洗后，通入Ar气和C2H2，转架转速2-5转/分，工件接负20 V到负150 V的偏压，气压 2.0-9.0 *10-3 mbar，功率2-15kw，生成WCC层。
进一步的方案是，在步骤S7中，采用特殊的抛光处理工艺，具体为采用流体磨料方式，去除电弧制备AlCrN层过程中产生的颗粒。
进一步的方案是，在步骤S6中，采用提高气压和偏压逐步提高的工艺控制方式，提高AlCrN层与工件基体之间的结合力，使二者之间的结合力超过80N。
本发明的有益效果是：1）本发明提供的用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层，在基材的表面直接生成AlCrN层，使制成的挤压丝锥产品在高速加工时，耐热性能提升，避免了现有技术中采用Cr基底、CrN等过渡层材料时出现的基底部分耐热性差，导致涂层脱落的问题；2）本发明的涂层中，AlCrN层分为AlCrN结合层、AlCrN爬升层和AlCrN功能层，在生成过程中，逐步提升气压和偏压，既能使AlCrN材料与基材具有很好的结合力，又能使材料硬度依次提高，使AlCrN层材料的耐磨、耐高温性能充分发挥出来；3）本发明的涂层在生成AlCrN功能层后，进行特殊的抛光处理，消除表面的颗粒，使AlCrN功能层表面光洁，降低加工时的摩擦力；4）本发明的涂层，表层的WCC层，在生成前，对工件进行Ar+离子清洗，活化基体表面，提高WCC层与AlCrN功能层的结合力；5）本发明中，WCC润滑层具有很低的摩擦系数，能够降低与加工材料的摩擦，延长挤压丝锥的使用寿命，即使表层的WCC润滑层磨损，其内部的AlCrN层也具有较高的耐磨性和耐高温性能，使用寿命仍然比较长，通过这种设置，能大幅度延长挤压丝锥的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的用于难加工材料的挤压丝锥的涂层的结构示意图。
图中：工件1，AlCrN结合层2，AlCrN爬坡层3，AlCrN主功能层4，WCC润滑层5。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右等等) 可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。
如图1所示，本发明的用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层，其包括从基材1表面向外侧依次设置的AlCrN结合层2、AlCrN爬坡层3、AlCrN主功能层4和WCC润滑层5，从AlCrN结合层2、AlCrN爬坡层3到AlCrN主功能层4涂层材料的硬度呈阶梯性逐步提高。涂层总厚度为2-4微米
AlCrN结合层2生成在工件需要生成涂层的位置表面，AlCrN结合层的厚度为0.2-0.5微米。
AlCrN爬坡层3生成在AlCrN结合层的表面。AlCrN爬坡层的厚度为0.2-0.5微米。
AlCrN主功能层4生成在AlCrN爬坡层的表面。AlCrN主功能层的厚度为1.0-1.5微米。
WCC润滑层5生成在AlCrN主功能层的表面。AlCrN主功能层的厚度为0.8-1.5微米。
本发明的用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层的生产工艺，其包括以下生产步骤：其包括以下生产步骤：
S1用九槽清洗生产线清洗需要生成涂层的丝锥工件；
S2将清洗好的工件固定在转架上，将整个转架放入涂层设备内；；
S3抽真空加热，涂层设备内部抽真空，抽真空到涂层设备内部气压为5*10-5mbar，涂层设备加热到400-480℃，将转架的转速设置在0.5-2转/分钟；
S4 H+离子清洗；涂层设备内通入H2和Ar气体，气压2.0-9.0 *10-4 mbar纯离子清洗，利用炉内上部灯丝离化H2和Ar气，产生辉光，同时下部辅助阳极通电，让电子往辅助阳极流动，工件接负10V到负30V偏压，整个炉腔内充满了H+和Ar+，H+离子能和工件表面清洗不掉的氧化物或者有机物产生化学反应，深入工件表面深层次充分清理工件；
S5 Ar+离子清洗；关闭H2，Ar气继续输入，维持转架速度1转/分，维持在气压2.0-9.0 *10-4 mbar纯离子清洗，工件接负200V到负300V偏压，灯丝和辅助阳极产生的Ar+离子大能量轰击工件表面，去除表面微观颗粒物以及活化基体表面，为梯度Cr层提供更好、更干净的基体；
S6电弧方式制备梯度AlCrN层；首先制备AlCrN结合层，工件接负20V到负200V偏压，气压为 1.0-2.0 *10-2 mbar，功率100-200kw，生成AlCrN结合层；然后制备AlCrN 爬升层，采用低偏压向高偏压固定斜率爬升，工件偏压从负20-120V 爬升，气压在2.0-3.0*10-2mbar范围内提高，得到AlCrN爬升层；然后制备ALCrN功能层，工件偏压从负100V到负200V爬升，气压在 3.0-7.0 *10-2 mbar范围内提高，功率100-200kw，生成AlCrN功能层；
S7抛光处理，通过抛光处理去除电弧制备AlCrN过程中表面产生的颗粒，使其表面光洁；
S8磁控溅射WCC层，该WCC层的生成工序和上述工序不连续，在生成WCC层之前，要将涂层设备的温度控制在150-200℃，然后通入Ar气，转架速度0.5-2转/分，维持在气压2.0-9.0 *10-4 mbar纯离子清洗，工件接负200V到负300V偏压，灯丝和辅助阳极产生的Ar+离子大能量轰击工件表面，去除工件表面微观颗粒物，并活化基体表面，为WCC层提供更好更干净的基体；完成离子清洗后，通入Ar气和C2H2，转架转速2-5转/分，工件接负20 V到负150 V的偏压，气压 2.0-9.0 *10-3 mbar，功率2-15kw，生成WCC层。
作为优选的实施方案，在步骤S7中，采用特殊的抛光处理工艺，具体为采用流体磨料方式，去除电弧制备AlCrN层过程中产生的颗粒。
作为优选的实施方案，在步骤S6中，采用提高气压和偏压逐步提高的工艺控制方式，提高AlCrN层与工件基体之间的结合力，使二者之间的结合力超过80N。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层，其特征在于：其包括从基材表面向外侧依次设置的AlCrN结合层、AlCrN爬坡层、AlCrN主功能层和WCC润滑层，从AlCrN结合层、AlCrN爬坡层到AlCrN主功能层涂层材料的硬度呈阶梯性逐步提高。
2.如权利要求1所述的用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层，其特征在于：所述的AlCrN结合层的厚度为0.2-0.5微米。
3.如权利要求1所述的用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层，其特征在于：所述的AlCrN爬坡层的厚度为0.2-0.5微米。
4.如权利要求1所述的用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层，其特征在于：所述的AlCrN主功能层的厚度为1.0-1.5微米。
5.如权利要求1所述的用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层，其特征在于：所述的WCC润滑层的厚度为0.8-1.5微米。
6.一种用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层的生产工艺，其特征在于：其包括以下生产步骤：
S1用九槽清洗生产线清洗需要生成涂层的丝锥工件；
S2将清洗好的工件固定在转架上，将整个转架放入涂层设备内；；
S3抽真空加热，涂层设备内部抽真空，抽真空到涂层设备内部气压为5*10-5 mbar，涂层设备加热到400-480℃，将转架的转速设置在0.5-2转/分钟；
S4 H+离子清洗；涂层设备内通入H2和Ar气体，气压2.0-9.0 *10-4 mbar纯离子清洗，利用炉内上部灯丝离化H2和Ar气，产生辉光，同时下部辅助阳极通电，让电子往辅助阳极流动，工件接负10V到负30V偏压，整个炉腔内充满了H+和Ar+，H+离子能和工件表面清洗不掉的氧化物或者有机物产生化学反应，深入工件表面深层次充分清理工件；
S5 Ar+离子清洗；关闭H2，Ar气继续输入，维持转架速度1转/分，维持在气压2.0-9.0 *10-4 mbar纯离子清洗，工件接负200V到负300V偏压，灯丝和辅助阳极产生的Ar+离子大能量轰击工件表面，去除表面微观颗粒物以及活化基体表面，为梯度Cr层提供更好、更干净的基体；
S6电弧方式制备梯度AlCrN层；首先制备AlCrN结合层，工件接负20V到负200V偏压，气压为 1.0-2.0 *10-2 mbar，功率100-200kw，生成AlCrN结合层；然后制备AlCrN 爬升层，采用低偏压向高偏压固定斜率爬升，工件偏压从负20-120V 爬升，气压在2.0-3.0*10-2 mbar范围内提高，得到AlCrN爬升层；然后制备ALCrN功能层，工件偏压从负100V到负200V爬升，气压在 3.0-7.0 *10-2 mbar范围内提高，功率100-200kw，生成AlCrN功能层；
S7抛光处理，通过抛光处理去除电弧制备AlCrN过程中表面产生的颗粒，使其表面光洁；
S8磁控溅射WCC层，该WCC层的生成工序和上述工序不连续，在生成WCC层之前，要将涂层设备的温度控制在150-200℃，然后通入Ar气，转架速度0.5-2转/分，维持在气压2.0-9.0*10-4 mbar纯离子清洗，工件接负200V到负300V偏压，灯丝和辅助阳极产生的Ar+离子大能量轰击工件表面，去除工件表面微观颗粒物，并活化基体表面，为WCC层提供更好更干净的基体；完成离子清洗后，通入Ar气和C2H2，转架转速2-5转/分，工件接负20 V到负150 V的偏压，气压 2.0-9.0 *10-3 mbar，功率2-15kw，生成WCC层。
7.如权利要求6所述的用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层，其特征在于：在步骤S7中，采用特殊的抛光处理工艺，具体为采用流体磨料方式，去除电弧制备AlCrN层过程中产生的颗粒。
8.如权利要求6所述的用于难加工材料的挤压丝锥的高耐磨降阻涂层，其特征在于：在步骤S6中，采用提高气压和偏压逐步提高的工艺控制方式，提高AlCrN层与工件基体之间的结合力，使二者之间的结合力超过80N。
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