CN113106400A - 不锈钢高光高速铣削用涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种不锈钢高光高速铣削用涂层，涂层由下至上包括结合在基体上的AlCrN结合层、AlCrN爬坡层、多层复合功能层以及高应力润滑耐磨表层，多层复合功能层由AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层与AlCrN去应力耐温调节层多层交替且相互复合而成。该涂层具备耐高温、耐磨和高光的特性。还涉及该涂层的制备方法，利用PVD电弧技术和组合型磁场机构，进一步提高靶材离化率和减少液滴的产生，同时加上核心功能层的涂层结构，保证刀具加工中耐高温、耐磨性的同时提高光洁度；核心的功能层采用AlCrN/AlCrWSiN高硬度纳米混合层+AlCrN去应力耐温调节层重复交替循环复合的结构，达到耐磨，去应力，耐冲击的作用；适用于高速加工，减少摩擦，相比现有技术需要两道工序实现高光，本发明可一步到位，提高加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及刀具涂层制备技术领域，尤其是一种不锈钢高光高速铣削用涂层及其制备方法。
背景技术
不锈钢不但具有良好的耐腐蚀性能，而且还具有良好的外观特性，不锈钢的应用范围越来越广泛。不锈钢不会产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨损，不锈钢是高强度、高韧性和高耐开裂性的建材，且可持续、可再生和可重复利用。
近年来，不锈钢在民用行业应用也越来越广，特别是在3C行业，各家都推出了旗舰机，而旗舰机很大的差别就是机框等地方采用了不锈钢材质。但是不锈钢的抗拉强度大，韧性好，加工就比铝合金难度大了不少，加工效率大大降低，加工成本也大大提升。
手机作为大批量生产的产品，对加工外观质量要求高，特别是光洁度，同时对效率和成本都有着很高的要求，在手机的一些高光部位的加工，为了达到高光，刀具在加工时必须保持高速运动，但是现有刀具的涂层遇到了很大的问题：
从涂层的种类和结构方面来说，TIAlN涂层的光洁度较好，能满足加工出来高光的要求，但是寿命差，这样就会导致频繁更换刀具，降低了加工效率，增加了加工成本。普通含Si涂层，如TiAlSiN或AlCrSiN涂层，虽然耐磨，但是颗粒度相对较大，容易粘屑，导致加工出来局部有缺陷，外观差，无法达到外观的要求。
另外，在加工难加工材料的时候要求涂层耐磨和耐高温性非常高。目前，在PVD技术层面来说，磁控溅射的涂层光滑，电弧涂层相对粗糙，但是磁控溅射在难加工材料方面很难达到加工要求，因为磁控溅射毕竟离化率太低，即使现在的高能磁控溅射能较大程度的提高离化率，但是和电弧技术相比还是相差太远，虽然光洁度较好，但是导致在难加工材料方面加工寿命远远不如电弧技术制备的涂层。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种不锈钢高光高速铣削用涂层。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种不锈钢高光高速铣削用涂层，所述涂层由下至上包括结合在基体上的AlCrN结合层、AlCrN爬坡层、多层复合功能层以及高应力润滑耐磨表层，所述多层复合功能层由AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层与AlCrN去应力耐温调节层多层交替且相互复合而成。
AlCrN有良好的耐高温能力和耐磨性能，但是由于其较大的摩擦力，在高光加工中容易形成划痕，通过在AlCr中加入W和Si两种元素，Si能强化表面晶界的硬度和填充空隙，W能减少表面的摩擦系数。由于直接用AlCrWSi应力大，结合力差，首先采用了AlCrN进行前期打底和纳米复合过渡来增加结合力，其次核心的功能层采用AlCrN/AlCrWSiN高硬度纳米混合层+AlCrN去应力耐温调节层重复循环的结构，达到耐磨，去应力，耐冲击的作用。
作为优选地，所述涂层的厚度为3μm，其中，高应力润滑耐磨表层的厚度为1μm。
本发明要解决的另一个技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种不锈钢高光高速铣削用涂层的制备方法，包括以下工艺步骤：
（1）基体预处理：在不损伤刃口的情况下，对基体进行流体喷砂或者抛光，将处理过的基体经过全自动清洗线清洗；
（2）抽真空加热：将清洗后的基体按照要求固定在转架上，装入涂层设备中，设备中装入AlCr和AlCrWSi 两组靶材材料，调节大盘转速；对涂层设备的真空室抽真空至真空度5×10-5mbar，同时打开加热器升温到指定温度；
（3）Ar+离子清洗：通入高纯度Ar气，利用离子室的灯丝和辅助阳极离化Ar气产生高浓度Ar+离子，基体和转架施加负偏压，让Ar+离子不断撞击基体表面；
（4）沉积AlCrN结合层：停止通入Ar气，通入氮气，对基体施加负偏压，调节腔体气压、温度，在基体表面沉积出AlCrN结合层；
（5）沉积AlCrN爬坡层：维持步骤（4）中的参数，线性提高偏压及气压，在AlCrN结合层上沉积AlCrN爬坡层；
（6）沉积AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层：维持温度400～500°，调整气压、电流、偏压和磁场，制作复合型AlCrWSiN与AlCrN纳米混合层，调整应力，形成AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层；
（7）沉积AlCrN去应力耐温调节层：关闭AlCrWSi靶材组，保持AlCrN靶材工作，维持步骤（6）中的气压和温度，调整偏压沉积AlCrN层，采用脉冲偏压沉积AlCrN去应力耐温调节层，最高偏压为100～200V，最低偏压为0V，占空比为50～90%；
（8）沉积多层复合功能层：依次交替重复6～10次步骤（6）和步骤（7）的工艺，直至基体上的涂层厚度达到2um；
（9）沉积高应力润滑耐磨表层：调整气压、靶材电流、偏压和靶材磁场，关闭AlCr靶材组或维持AlCr靶材组电源，打开AlCrWSi靶材组工作，制备纯的AlCrWSiN高应力润滑耐磨表层。
采用上述工艺制备的多层复合功能层能得到很高的硬度，再加上中间穿插AlCrN去应力耐温调节层，在得到AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层的同时，能有效阻止在冲击情况下产生裂纹对纳米混合层的扩散，同时AlCrN层耐高温，也能防止在高温下调节层因为高速高温而失效，导致这个核心层的失效，这样在工作的时候更耐冲击和高温。
进一步地限定，所述步骤（2）中涂层设备内设置有位于靶材组后方的组合型磁场机构，所述组合型磁场机构包括同时带有磁铁和电感线圈的可移动支架。
这样的组合型磁场机构再配合PVD电弧技术制备涂层，可进一步提高靶材离化率和减少液滴的产生，同时加上核心功能层的涂层结构，保证基体加工中耐高温、耐磨性的同时，能有效提高光洁度。
另外，本发明还提供一种不锈钢高光高速铣削用涂层在刀具铣削和表面防护涂层领域中的应用。
本发明的有益效果是：
（1）本发明利用PVD电弧技术和组合型磁场机构，进一步提高靶材离化率和减少液滴的产生，同时加上核心功能层的涂层结构，保证刀具加工中耐高温、耐磨性的同时提高光洁度；
（2）核心的功能层采用AlCrN/AlCrWSiN高硬度纳米混合层+AlCrN去应力耐温调节层重复交替循环复合的结构，达到耐磨，去应力，耐冲击的作用；
（3）适用于高速加工，减少摩擦，相比现有技术需要两道工序实现高光，本发明可一步到位，提高加工效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明不锈钢高光高速铣削用涂层的结构示意图。
图中：1.AlCrN结合层，2.AlCrN爬坡层，3.多层复合功能层，4.高应力润滑耐磨表层，31.AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层，32.AlCrN去应力耐温调节层。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。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。
如图1所示，一种不锈钢高光高速铣削用涂层，涂层由下至上包括结合在基体5上的AlCrN结合层1、AlCrN爬坡层2、多层复合功能层3以及高应力润滑耐磨表层4，多层复合功能层3由AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层31与AlCrN去应力耐温调节层32多层交替且相互复合而成。
所有实施例的基体5以不锈钢的刀具为例，对发明方法进行叙述。
实施例一：
不锈钢高光高速铣削用涂层的制备方法包括以下工艺步骤：
在不损伤刀具刃口的情况下，对刀具进行流体喷砂或者抛光，将处理过的刀具经过全自动清洗线清洗；
将清洗后的刀具按照要求固定在转架上，装入涂层设备中，设备中装入AlCr和AlCrWSi 两组靶材材料，调节大盘转速；
对涂层设备的真空室抽真空至真空度5×10-5mbar，同时打开加热器升温到400～500℃；通入高纯度Ar气，气压维持在1×10-3mbar，利用离子室的灯丝和辅助阳极离化Ar气产生高浓度Ar+离子，刀具和转架施加负偏压100～300V，通过偏压和Ar+离子的电势差，吸引Ar+离子不断高速撞击刀具表面，从而进一步清理待涂产品表面以及提高待涂表面的活性；
停止通入Ar气，维持颅内温度在400～500℃，通入氮气，通过调节氮气流量，控制气压在2×10-2mbar，对基体施加负偏压，负偏压在20～60V之间，在基体表面沉积出AlCrN结合层1，偏压从10～60V线性爬升到120～170V；气压维持在2×10-2mbar，但是比做AlCrN结合层要提高1帕斯卡左右，在AlCrN结合层上沉积AlCrN爬坡层2；
维持温度400～500°，通过氮气调整气压为4x10-2mbar，电流：ALCrWSi靶材组为3×200A（三相电，每相额定电流200安培）、AlCr靶材组为3×150A，偏压为40～80V,制作复合型AlCrWSiN与AlCrN纳米混合层，调整应力，形成AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层31；
关闭AlCrWSi靶材组，保持AlCrN靶材组工作，其电流为3*150A，维持上一步骤中的气压和温度，调整偏压沉积AlCrN层，采用脉冲偏压沉积AlCrN去应力耐温调节层32，最高偏压为100～200V，最低偏压为0V，占空比为50～90%；
依次交替重复6～10次AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层31和AlCrN去应力耐温调节层32的工艺，直至刀具上的涂层厚度达到2um及以上；
维持气压、靶材电流、偏压（60～150V）和靶材磁场，关闭AlCr靶材组或维持AlCr靶材组电源，打开AlCrWSi靶材组工作，制备纯的AlCrWSiN高应力润滑耐磨表层4，最后进行后处理，采用抛光或流体喷砂工艺。
实施例二：
不锈钢高光高速铣削用涂层的制备方法包括以下工艺步骤：
在不损伤刀具刃口的情况下，对刀具进行流体喷砂或者抛光，将处理过的刀具经过全自动清洗线清洗；
将清洗后的刀具按照要求固定在转架上，装入涂层设备中，设备中装入AlCr和AlCrWSi 两组靶材材料，调节大盘转速；
对涂层设备的真空室抽真空至真空度5×10-5mbar，同时打开加热器升温到400～500℃；通入高纯度Ar气，气压维持在5×10-3mbar，利用离子室的灯丝和辅助阳极离化Ar气产生高浓度Ar+离子，刀具和转架施加负偏压100～300V，通过偏压和Ar+离子的电势差，吸引Ar+离子不断高速撞击刀具表面，从而进一步清理待涂产品表面以及提高待涂表面的活性；
停止通入Ar气，维持颅内温度在400～500℃，通入氮气，通过调节氮气流量，控制气压在5×10-2mbar，对基体施加负偏压，负偏压在20～60V之间，在基体表面沉积出AlCrN结合层1，偏压从10～60V线性爬升到120～170V；气压维持在5x10-2mbar，但是比做AlCrN结合层要提高1帕斯卡左右，在AlCrN结合层上沉积AlCrN爬坡层2；
维持温度400～500°，通过氮气调整气压为6×10-2mbar，电流：ALCrWSi靶材组为3×200A（三相电，每相额定电流200安培）、AlCr靶材组为3×150A，偏压为40～80V,制作复合型AlCrWSiN与AlCrN纳米混合层，调整应力，形成AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层31；
关闭AlCrWSi靶材组，保持AlCrN靶材组工作，其电流为3*150A，维持上一步骤中的气压和温度，调整偏压沉积AlCrN层，采用脉冲偏压沉积AlCrN去应力耐温调节层32，最高偏压为100～200V，最低偏压为0V，占空比为50～90%；
依次交替重复6～10次AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层31和AlCrN去应力耐温调节层32的工艺，直至刀具上的涂层厚度达到2um及以上；
维持气压、靶材电流、偏压（60～150V）和靶材磁场，关闭AlCr靶材组或维持AlCr靶材组电源，打开AlCrWSi靶材组工作，制备纯的AlCrWSiN高应力润滑耐磨表层4，最后进行后处理，采用抛光或流体喷砂工艺。
通过以上两个实施例制得的涂层，耐温能力超过1100℃，通过Si的加入，涂层硬度能达到38Gpa以上，通过脉冲技术（采用脉冲偏压沉积AlCrN去应力耐温调节层32）以及特殊的表面处理工艺（最后的抛光或流体喷砂工艺），表面光洁度可达到Ra0.1以下，结合表面W元素的加入，相比正常工艺，能有效降低摩擦系数30%以上。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种不锈钢高光高速铣削用涂层，其特征在于：所述涂层由下至上包括结合在基体上的AlCrN结合层、AlCrN爬坡层、多层复合功能层以及高应力润滑耐磨表层，所述多层复合功能层由AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层与AlCrN去应力耐温调节层多层交替且相互复合而成。
2.根据权利要求1所述的不锈钢高光高速铣削用涂层，其特征在于：所述涂层的厚度为3μm，其中，高应力润滑耐磨表层的厚度为1μm。
3.根据权利要求1所述的一种不锈钢高光高速铣削用涂层的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
（1）基体预处理：在不损伤刃口的情况下，对基体进行流体喷砂或者抛光，将处理过的基体经过全自动清洗线清洗；
（2）抽真空加热：将清洗后的基体按照要求固定在转架上，装入涂层设备中，设备中装入AlCr和AlCrWSi 两组靶材材料，调节大盘转速；对涂层设备的真空室抽真空至真空度5×10-5mbar，同时打开加热器升温到指定温度；
（3）Ar+离子清洗：通入高纯度Ar气，利用离子室的灯丝和辅助阳极离化Ar气产生高浓度Ar+离子，基体和转架施加负偏压，让Ar+离子不断撞击基体表面；
（4）沉积AlCrN结合层：停止通入Ar气，通入氮气，对基体施加负偏压，调节腔体气压、温度，在基体表面沉积出AlCrN结合层；
（5）沉积AlCrN爬坡层：维持步骤（4）中的参数，线性提高偏压及气压，在AlCrN结合层上沉积AlCrN爬坡层；
（6）沉积AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层：维持温度400～500°，调整气压、电流、偏压和磁场，制作复合型AlCrWSiN与AlCrN纳米混合层，调整应力，形成AlCrN/AlCrWSi高硬度纳米混合层；
（7）沉积AlCrN去应力耐温调节层：关闭AlCrWSi靶材组，保持AlCrN靶材工作，维持步骤（6）中的气压和温度，调整偏压沉积AlCrN层，采用脉冲偏压沉积AlCrN去应力耐温调节层，最高偏压为100～200V，最低偏压为0V，占空比为50～90%；
（8）沉积多层复合功能层：依次交替重复6～10次步骤（6）和步骤（7）的工艺，直至基体上的涂层厚度达到2um；
（9）沉积高应力润滑耐磨表层：调整气压、靶材电流、偏压和靶材磁场，关闭AlCr靶材组或维持AlCr靶材组电源，打开AlCrWSi靶材组工作，制备纯的AlCrWSiN高应力润滑耐磨表层。
4.根据权利要求3所述的一种不锈钢高光高速铣削用涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中涂层设备内设置有位于靶材组后方的组合型磁场机构，所述组合型磁场机构包括同时带有磁铁和电感线圈的可移动支架。
5.根据权利要求1所述的一种不锈钢高光高速铣削用涂层在刀具铣削和表面防护涂层领域中的应用。
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