CN113957393B - 一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法 - Google Patents

一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法，将氮化物涂层刀具进行超声波清洗，然后脱水并烘干后放入真空室；利用冷阴极潘宁离子源，采用高能量氩离子束对氮化物涂层刀具的氮化物表面进行均匀化的离子溅射处理，然后降低氩离子束引出电压进行离子束抛光处理，以增加氮化物表面的光洁度；利用电弧放电，在电弧离子源的阴极石墨靶表面产生电弧放电，在电弧离子源的阳极石墨筒中产生碳等离子体，碳等离子体进入过滤磁场进行过滤，进而形成纯碳离子束流，然后通过磁透镜场聚焦后，进入扫描磁场，通过磁场扫描技术在抛光处理后的氮化物涂层刀具的氮化物涂层表面均匀沉积形成非晶四面体碳薄膜。

Description

一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法
技术领域
本发明属于离子束材料表面改性和新材料技术领域，具体涉及一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法。
背景技术
近年来，绿色发展的理念是经济发展的主旋律，节约、低碳、低消耗和高效率是发展的硬道理。而通过表面处理技术大幅度提高设备使用寿命，节约原材料损耗是所有科技工作者的追求。
随着涂层技术的发展，目前市场使用的刀具、刃具等大部分都采用涂层技术，只有特殊需求的刀具没有采用涂层，比如加工铝制品光洁度要求很高的表面，切削金属薄刀片等。而目前市场上涂层刀具大多数都是采用氮化物涂层技术，比如：氮化钛、氮钛铝、氮化铬等，这些涂层用于切削刀具时基本采用多弧技术，多弧技术沉积的涂层刀具具有很大的优点，效率高，设备成本低，工艺简单等，这也是可以大量应用的原因。但这种镀膜刀具也具有一些无法克服的缺点，比如：粗糙度大，表面有大颗粒沉积，不致密，耐腐蚀性差，摩擦系数大，磨损大，寿命不长，硬度不高等，不适合精密加工，为了提高使用寿命，往往将涂层镀的较厚，而随着涂层加厚，又会大大降低刀片的锋刃度，影响加工精度和使用寿命，而且涂层太厚，也容易造成涂层薄膜附着力下降，易开裂等问题，目前这种涂层刀具厚度和使用寿命基本到达极限，因此，进一步提高氮化物涂层刀具的使用寿命，提高其加工精度，是摆在刀具发展进程中的瓶颈问题。为了进一步发展涂层刀具技术，提高和扩大原有涂层技术的应用范围，开发新的涂层组合技术是必要的。因此必须解决以下几个问题：
(1)解决现有氮化物涂层表面粗糙度问题，主要是表面的大颗粒问题，即减小已有的涂层表面粗糙度，增加光洁度，使原有涂层可以提高加工精度，因为，如果在氮化物涂层上面采用沉积更高硬度的涂层技术，大颗粒往往会形成瑕疵或局部的点凸起，使得上面涂层很快破损；
(2)增强氮化物薄膜表面硬度和耐磨性，可以在原来基础上进一步提高刀具使用寿命，比较好的方式在氮化物涂层表面增加硬度更高的涂层，使涂层整体硬度提高；
(4)增加的涂层也可减小氮化物涂层表面的摩擦系数和增加致密度，可以进一步提高氮化物涂层的耐磨特性，耐腐蚀性，扩大其使用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法，以克服氮化物涂层的发展瓶颈，本发明在利用原有的氮化物涂层基础上，开发了氮化物+非晶四面体碳的组合涂层结构，大幅度提高原涂层表面的光洁度，减小摩擦系数，提高表面耐腐蚀、耐磨损性能，进一步拓宽氮化物涂层应用范围和使用寿命。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法，包括以下步骤：
(1)将氮化物涂层刀具进行超声波清洗，然后脱水并烘干后放入真空室；
(2)利用冷阴极潘宁离子源，采用高能量氩离子束对氮化物涂层刀具的氮化物表面进行均匀化的离子溅射处理，冷阴极潘宁离子源的引出氩离子束流大于200毫安，氩离子束引出电压为1800V，离子溅射处理时间为40分钟；
(3)然后降低氩离子束引出电压进行离子束抛光处理，以增加氮化物表面的光洁度；
(4)利用电弧放电，在电弧离子源的阴极石墨靶表面产生电弧放电，在电弧离子源的阳极石墨筒中产生碳等离子体，碳等离子体进入过滤磁场进行过滤，进而形成纯碳离子束流，然后通过磁透镜场聚焦后，进入扫描磁场，通过磁场扫描技术在步骤(3)处理后的氮化物涂层刀具的氮化物涂层表面均匀沉积形成非晶四面体碳薄膜。
进一步地，步骤(1)中超声波清洗温度为70℃。
进一步地，步骤(3)中将氩离子束引出电压降低至800V。
进一步地，步骤(4)中电弧放电电压为100V。
进一步地，步骤(4)中阴极石墨靶和阳极石墨筒所采用的石墨的纯度为99.999％。
进一步地，步骤(4)中形成的非晶四面体碳薄膜的厚度为500nm。
进一步地，步骤(4)中形成的非晶四面体碳薄膜的显微硬度达到80GPa以上。
进一步地，步骤(4)中形成的非晶四面体碳薄膜的摩擦系数小于0.1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
采用本发明方法在氮化物涂层刀具表面制备非晶四面体碳复合涂层，可以解决现有氮化物进一步提高性能的瓶颈，使得该复合涂层具有更强的生命力和竞争力，进一步节省成本和材料消耗量。选用某企业加工钛棒的工艺，切削刀片为硬质合金刀粒，涂层为氮化钛涂层，存在问题是：一是寿命太短，每次加工1.5根就要换刀片；二是加工光洁度满足不了要求。本发明选用了目前市场上使用的一种铣刀进行了初步实验，选用氮化钛和氮钛铝两种涂层刀具，加工对象是钛棒，经过沉积500纳米非晶四面体碳涂层后，可以切削5根以上，可以比现有涂层刀具提高使用寿命3倍以上，重要的是加工精度，即加工后的表面光洁度提高2个级别。
本发明采用一种大面积引出的冷阴极潘宁离子源，利用高能量离子束对氮化物表面进行均匀化的离子溅射处理，根据溅射原理，表面突出部分的溅射几率大，在离子束作用下，表面突出部分将很快减小和降低，表面形成一个起伏较平缓的状态，高低差将减小，因为当表面存在大颗粒时，很容易损坏涂层结构，而通过离子束处理，对表面突出的大颗粒进行削平处理，改变表面形貌，提高表面光洁度，也有利于提高表面涂层的附着力，改善刀具的加工精度和提高光洁度。
进一步地，本发明降低离子束能量为了进一步激活表面分子，加速其扩散作用，更好成核，并大幅度提高薄膜层间附着力，这是保证在常温下成膜和层间高附着力的关键工艺。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面本发明的做进一步详细描述：
一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法，该方法包括下列步骤：
(1)超声波清洗，将氮化物涂层刀具放入波清洗槽中，清洗液加热至70摄氏度，进行超声清洗，然后脱水并烘干放入真空室；
(2)离子溅射处理，利用一个冷阴极潘宁离子源，采用高能量氩离子束对已沉积氮化物涂层刀具的氮化物表面进行均匀化的离子溅射处理，离子源的引出离子束流大于200毫安，离子束引出电压为1800V，离子溅射处理时间为40分钟；
(3)然后降低引出离子束电压至800V，进行离子束抛光处理，增加氮化物表面的光洁度；
(4)薄膜沉积，利用电弧放电，在电弧离子源的阴极石墨靶表面产生电弧放电，在电弧离子源的阳极筒中产生碳等离子体，电弧离子源采用纯度为99.999％的石墨材料制备的阳极筒和阴极靶组成，碳离子是由一个电极引出后，进入一个磁场进行过滤，进而形成纯碳离子束流，再通过一个磁透镜场聚焦后，进入一个扫描磁场，在步骤(3)处理后的氮化物涂层刀具的氮化物涂层表面均匀沉积形成SP3键达到75％以上的非晶四面体碳薄膜。
所述步骤(1)中对已涂层的氮化物刀具必须进行超声清洗，因为长时间暴露仍然可以污染刀具表面，脱水为了防止表面产生水印影响镀膜质量；所述步骤(2)采用一种大面积引出的离子源，利用高能量离子束对氮化物表面进行均匀的离子溅射处理，目的是通过表面电场分布的作用，在离子束作用下，表面突出部分将降低，形成一个起伏较平缓的状态，高低差将减小，因为非晶四面体碳薄膜硬度非常高，在氮化物涂层上面沉积的非晶四面体碳涂层，由于大颗粒的存在，会产生点凸起或瑕疵，使用中薄膜很快从大颗粒处破损，而通过离子束处理，对表面突出的大颗粒进行削平处理，改变表面形貌，提高表面光洁度，也有利于提高表面涂层的附着力，改善刀具的加工精度和提高光洁度；所述步骤(3)中降低离子束能量为了进一步激活表面分子，加速其扩散作用，更好成核，并大幅度提高薄膜层间附着力，它是保证在常温下成膜和层间高附着力的关键工艺；所述步骤(4)沉积非晶四面体碳薄膜要具有高SP3键含量，显微硬度要达到80GPa以上，才能达到本发明提出的性能指标，采用一个磁场对引出离子流进行分离过滤是必要的，可以过滤掉中性和多分子石墨粒子，形成单碳离子束流。
采用本发明方法在用于氮化物涂层刀具表面制备非晶四面体碳复合涂层工艺技术中，可以解决现有氮化物进一步提高性能的瓶颈，使得该复合涂层具有更强的生命力和竞争力，进一步节省成本和材料消耗量。
本发明主要应用在基底已经涂覆氮化物的刀具、刃具、量具以及要求耐磨损的机器部件，需要进一步提高耐磨寿命，减小摩擦系数，提高表面光洁度和加工精度。跟目前市场使用的氮化物涂层比较，经本发明处理后可以提高光洁度2-3级，进一步提高使用寿命4-6倍。可以解决氮化物涂层表面粗糙度大，难以提高加工精度，以及难以进一步提高使用寿命的瓶颈问题，可以大大提高现有氮化物涂层刀具的利用率。
以下详细说明均是实施例的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1
(1)超声波清洗，将氮化物涂层刀具放入波清洗槽中，清洗液加热至70摄氏度，进行超声清洗，然后脱水并烘干放入真空室；
(2)离子溅射处理，利用一个冷阴极潘宁离子源，采用高能量氩离子束对已沉积氮化物涂层刀具的氮化物表面进行均匀化的离子溅射处理，离子源的引出离子束流大于200毫安，离子束引出电压为1800V，离子溅射处理时间为40分钟；
(3)然后降低引出离子束电压至800V，进行离子束抛光处理，增加氮化物表面的光洁度；
(4)薄膜沉积，利用电弧放电，在电弧离子源的阴极石墨靶表面产生电弧放电，在电弧离子源的阳极筒中产生碳等离子体，电弧离子源采用纯度为99.999％的石墨材料制备的阳极筒和阴极靶组成，碳离子是由一个电极引出后，进入一个磁场进行过滤，进而形成纯碳离子束流，再通过一个磁透镜场聚焦后，进入一个扫描磁场，在步骤(3)处理后的氮化物涂层刀具的氮化物涂层表面均匀沉积形成SP3键达到75％以上的非晶四面体碳薄膜，非晶四面体碳薄膜的显微硬度达到80GPa以上，摩擦系数小于0.1，厚度为500nm。
选用某企业加工钛棒的工艺，切削刀片为硬质合金刀粒，涂层为氮化钛涂层，目前存在问题是：一是寿命太短，每次加工1.5根就要换刀片；二是加工光洁度满足不了要求。选用了目前市场上使用的一种铣刀进行了初步实验，采用本实施例方法在氮化物涂层刀具表面制备非晶四面体碳复合涂层，选用氮化钛和氮钛铝两种涂层刀具，加工对象是钛棒，经过沉积500纳米非晶四面体碳涂层后，可以切削5根以上，可以比现有涂层刀具提高使用寿命3倍以上，重要的是加工精度，即加工后的表面光洁度提高2个级别。
以上所述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氮化物涂层刀具进行超声波清洗，然后脱水并烘干后放入真空室；
(2)利用冷阴极潘宁离子源，采用高能量氩离子束对氮化物涂层刀具的氮化物表面进行均匀化的离子溅射处理，冷阴极潘宁离子源的引出氩离子束流大于200毫安，氩离子束引出电压为1800V，离子溅射处理时间为40分钟；
(3)然后降低氩离子束引出电压至800V进行离子束抛光处理，以增加氮化物表面的光洁度；
(4)利用电弧放电，在电弧离子源的阴极石墨靶表面产生电弧放电，电弧放电电压为100V，在电弧离子源的阳极石墨筒中产生碳等离子体，碳等离子体进入过滤磁场进行过滤，进而形成纯碳离子束流，然后通过磁透镜场聚焦后，进入扫描磁场，通过磁场扫描技术在步骤(3)处理后的氮化物涂层刀具的氮化物涂层表面均匀沉积形成非晶四面体碳薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法，其特征在于，步骤(1)中超声波清洗温度为70℃。
3.根据权利要求1所述的一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法，其特征在于，步骤(4)中阴极石墨靶和阳极石墨筒所采用的石墨的纯度为99.999％。
4.根据权利要求1所述的一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法，其特征在于，步骤(4)中形成的非晶四面体碳薄膜的厚度为500nm。
5.根据权利要求1所述的一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法，其特征在于，步骤(4)中形成的非晶四面体碳薄膜的显微硬度达到80GPa以上。
6.根据权利要求1所述的一种提高氮化物涂层刀具表面磨损性能和使用寿命的方法，其特征在于，步骤(4)中形成的非晶四面体碳薄膜的摩擦系数小于0.1。
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