CN1786253A - 一种提高微型钻头使用寿命的复合镀层及其制备方法 - Google Patents

一种提高微型钻头使用寿命的复合镀层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高微型钻头使用寿命的复合氮化物镀层及其制备方法，该复合氮化物镀层是由金属铬、铝、钛和氮气反应所生成的复合氮化物，其厚度为1μm～2μm，硬度为2200HV～3000HV；摩擦系数为0.4～0.8，比磨损速率为：(1－10)×10－17m3/N.m。其制备方法是，使用多靶闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备，经过抽真空、通氩气、离子轰击清洗、通氮气、镀膜等工序制成，在相同条件下，镀有该镀层的微型钻头较无镀层的微型钻头的使用寿命提高了2－5倍。该专利提出的复合氮化物镀层的制备方法工艺简捷稳定，工序少、产量大，可实现工业化生产。

Description

一种提高微型钻头使用寿命的复合镀层及其制备方法
                       技术领域
本发明涉及可沉积于微型钻头表面的金属氮化物复合镀层及其制备技术，属于金属材料表面改性技术领域。
                       背景技术
微型钻头主要用于对印刷电路板的圆形通孔或盲孔的加工。印刷电路板材料是一种由金属、塑料、合成树脂、陶瓷和玻璃纤维等所组成的层状复合材料。我国目前的微型钻头产品都使用未经过镀层处理的硬质合金材料。对加工印刷电路板的微型钻头的磨损机理研究结果表明，印刷电路板加工用微型钻头的磨损主要是由于印刷电路板材料中经溴化处理的环氧树脂所释放出的反应剂对微型钻头材料——WC-Co硬质合金中的Co粘结剂的化学侵蚀所造成的。在高速钻削(大于10000转/min)过程中，由于温度较高，这种侵蚀反应比较明显，从而降低了微型钻头的加工精度和使用寿命。目前，印刷线路板行业微型钻头每支钻孔数仅为1500-3000个(以微钻直径和印刷线路板厚度而变)。
信息产业的发展呈现出产品集成度高，更新换代快的特点，尤其是在IT行业，追求小型化与高度集成化已成为一种潮流。电子器件的小型化与高度集成化对微加工工具提出了更高的要求。对通孔或联孔的直径要求变得越来越小，使用的微钻直径已由以前的大于0.35mm为主向小于0.30mm为主变化，微钻直径的减小直接导致单支价格的上升和因钻孔数量的减少而使更换频率增加，从而使印刷线路板行业的制造成本上升和产出效率的下降。因此提高高精度的微型钻头使用寿命对印刷线路板加工行业有着直接的经济与社会效益。
                      发明内容
本发明的目的在于提供一种可以提高微型钻头使用寿命的复合氮化物镀层，以及采用磁控溅射离子镀技术制备该镀层的方法。
本发明所提供的可提高微型钻头使用寿命的复合氮化物镀层镀层，其特征在于：该复合氮化物镀层是由金属铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)和氮气(N2)反应所生成的复合氮化物，其厚度为1μm～2μm，硬度为2200HV～3000HV；摩擦系数为0.4～0.8，比磨损速率为：(1-10)×10-17m3/N.m。
该镀层能够明显提高微型钻头的使用寿命，相同条件下，镀有该镀层的微型钻头较无镀层的微型钻头的使用寿命提高了2-5倍。
上述提高微型钻头使用寿命的复合氮化物镀层的制备方法，其特征在于，具体包括下列步骤：
1)将微型钻头清洗干燥后放入多靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，并将真空室抽真空到：(2-6)×10-5Pa；
2)然后通入氩气，整个镀膜过程中氩气的流量为25-30sccm，经离子轰击清洗，其时间为15-30min，此时调整负偏压值为-500V～-300V，脉冲频率为150-250KHz，脉冲宽度为500-1000ns；
3)离子轰击清洗后通氮气，镀膜过程中氮气的流量为：20-30sccm进行镀膜；在镀膜阶段，调整负偏压值为-65V～-85V，脉冲频率为50-100KHz，脉冲宽度为1000-1500ns；
4)在镀膜时同时开启四个金属靶材：1个纯铝金属靶，1个纯钛金属靶和2个纯铬金属靶，靶材电流分别为：IAl为6-8A，ITi为6-8A，ICr为8-10A；时间为60min～120min；镀膜完成后，冷却至室温，取出微型钻头即可。
本发明所制备的氮化物复合镀层，厚度均匀，微观组织为纳米多层复合镀层，具有高硬度、高结合强度等优秀的力学性能和高耐磨损性能，因此作为镀层沉积微型钻头表面后可以明显提高其使用寿命。
本发明解决的技术关键在于同时使用四个纯金属靶材来沉积镀层，得到的镀层中为含有金属Ti，Al和Cr的复合氮化物，尤其是对四个金属靶材的电流进行了单独控制，因此可以根据需要对制备的镀层的成分进行调整和控制。使得所制备的镀层在具有高硬度，高结合力的同时还具有高耐磨损性能。因此该镀层适合于对高速运转工具，例如微型钻头表面进行改性，并赋予了沉积镀层的微型钻头具有优秀的质量和高的使用寿命。
                        具体实施方式
本发明所提供采用磁控溅射离子镀技术制备该镀层的方法，主要制备过程为：将微型钻头清洗干燥后放入多靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，经过抽真空、通氩气、离子轰击清洗、通氮气、镀膜、断电等阶段后取出微型钻头即可。
通氩气前需要将真空抽到：(2-6)×10-5Pa；
镀膜过程中氩气的流量为：25-30sccm；
在离子轰击清洗阶段，时间为15-30min，负偏压值为-500V～-300V，脉冲频率为150-250KHz，脉冲宽度为500-1000ns；
镀膜过程中氮气的流量为：20-30sccm；
在镀膜阶段，镀膜时间为60-120min。负偏压值为-65V～-85V，脉冲频率为50-100KHz，脉冲宽度为1000-1500ns；
在镀膜阶段同时开启四个金属靶材：1个纯铝金属靶，1个纯钛金属靶和2个纯铬金属靶，靶材电流分别为：IAl为6-8A，ITi为6-8A，ICr为8-10A。
以下是发明人给出的实施例，需要说明的是这些实施例是-些较佳的例子，本发明不限于这些实施例。
实施例1：
将微型钻头清洗干燥后放入四靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，抽真空至3×10-5Pa，通入氩气，流量为：25sccm。进行时间为20min的离子轰击清洗，调整负偏压值为-400V，脉冲频率为150KHz，脉冲宽度为500ns。之后通入氮气，流量为：25sccm。进行镀膜工艺，负偏压调整为-70V，脉冲频率为50KHz，脉冲宽度为1500ns；同时开启四个金属靶材：1个纯铝金属靶，1个纯钛金属靶和2个纯铬金属靶，靶材电流分别为：IAl为6A，ITi为6A，ICr为8A，时间为90min。该工艺所得到的镀层硬度为：2500HV，摩擦系数为：0.4，厚度为：1.2μm，比磨损速率为：3×10-17m3/N.m。使用该工艺沉积镀层得到的微型钻头钻削厚度为0.6mm的印刷线路板，钻速为10000转/min，每支微型钻头的钻孔数平均为8500个(未沉积镀层微型钻头每支微型钻头的钻孔数平均为2200个)。
实施例2：
将微型钻头清洗干燥后放入四靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，抽真空至4×10-5Pa，通入氩气，流量为：28sccm。进行时间为15min的在离子轰击清洗，调整负偏压值为-450V，脉冲频率为200KHz，脉冲宽度为600ns。之后通入氮气，流量为：20sccm。进行镀膜工艺，负偏压调整为-65V，脉冲频率为60KHz，脉冲宽度为1000ns；同时开启四个金属靶材：1个纯铝金属靶，1个纯钛金属靶和2个纯铬金属靶，靶材电流分别为：IAl为7A，ITi为7A，ICr为9A，时间为100min。该工艺所得到的镀层硬度为：2300HV，摩擦系数为：0.5，厚度为：1.5μm，比磨损速率为：5×10-17m3/N.m。使用该工艺沉积镀层得到的微型钻头钻削厚度为0.6mm的印刷线路板，钻速为10000转/min，每支微型钻头的钻孔数平均为7800个(未沉积镀层微型钻头每支微型钻头的钻孔数平均为2200个)。
实施例3：
将微型钻头清洗干燥后放入四靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，抽真空至5×10-5Pa，通入氩气，流量为：26sccm。进行时间为25min的在离子轰击清洗，调整负偏压值为-500V，脉冲频率为250KHz，脉冲宽度为700ns。之后通入氮气，流量为：22sccm。进行镀膜工艺，负偏压调整为-80V，脉冲频率为70KHz，脉冲宽度为1200ns；同时开启四个金属靶材：1个纯铝金属靶，1个纯钛金属靶和2个纯铬金属靶，靶材电流分别为：IAl为8A，ITi为8A，ICr为10A，时间为60min。该工艺所得到的镀层硬度为：2600HV，摩擦系数为：0.8，厚度为：1.0μm，比磨损速率为：2×10-17m3/N.m。使用该工艺沉积镀层得到的微型钻头钻削厚度为1.5mm的印刷线路板，钻速为10000转/min，每支微型钻头的钻孔数平均为6500个(未沉积镀层微型钻头每支微型钻头的钻孔数平均为3000个)。
实施例4：
将微型钻头清洗干燥后放入四靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，抽真空至6×10-5Pa，通入氩气，流量为：29sccm。进行时间为30min的在离子轰击清洗，调整负偏压值为-350V，脉冲频率为150KHz，脉冲宽度为800ns。之后通入氮气，流量为：28sccm。进行镀膜工艺，负偏压调整为-70V，脉冲频率为80KHz，脉冲宽度为1100ns；同时开启四个金属靶材：1个纯铝金属靶，1个纯钛金属靶和2个纯铬金属靶，靶材电流分别为：IAl为6A，ITi为6A，ICr为10A，时间为70min。该工艺所得到的镀层硬度为：2800HV，摩擦系数为：0.6，厚度为：1.3μm，比磨损速率为：4×10-17m3/N.m。使用该工艺沉积镀层得到的微型钻头钻削厚度为1.5mm的印刷线路板，钻速为10000转/min，每支微型钻头的钻孔数平均为7500个(未沉积镀层微型钻头每支微型钻头的钻孔数平均为3000个)。
实施例5：
将微型钻头清洗干燥后放入四靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，抽真空至2×10-5Pa，通入氩气，流量为：30sccm。进行时间为25min的在离子轰击清洗，调整负偏压值为-300V，脉冲频率为200KHz，脉冲宽度为900ns。之后通入氮气，流量为：30sccm。进行镀膜工艺，负偏压调整为-85V，脉冲频率为90KHz，脉冲宽度为1400ns；同时开启四个金属靶材：1个纯铝金属靶，1个纯钛金属靶和2个纯铬金属靶，靶材电流分别为：IAl为8A，ITi为8A，ICr为8A，时间为110min。该工艺所得到的镀层硬度为：3000HV，摩擦系数为：0.5，厚度为：1.8μm，比磨损速率为：1×10-17m3/N.m。使用该工艺沉积镀层得到的微型钻头钻削厚度为0.6mm的印刷线路板，钻速为10000转/min，每支微型钻头的钻孔数平均为10500个(未沉积镀层微型钻头每支微型钻头的钻孔数平均为2200个)。
实施例6：
将微型钻头清洗干燥后放入四靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，抽真空至4×10-5Pa，通入氩气，流量为：25sccm。进行时间为30min的在离子轰击清洗，调整负偏压值为-450V，脉冲频率为250KHz，脉冲宽度为1000ns。之后通入氮气，流量为：25sccm。进行镀膜工艺，负偏压调整为-75V，脉冲频率为100KHz，脉冲宽度为1500ns；同时开启四个金属靶材：1个纯铝金属靶，1个纯钛金属靶和2个纯铬金属靶，靶材电流分别为：IAl为8A，ITi为8A，ICr为10A，时间为120min。该工艺所得到的镀层硬度为：2200HV，摩擦系数为：0.6，厚度为：2μm，比磨损速率为：9×10-17m3/N.m。使用该工艺沉积镀层得到的微型钻头钻削厚度为0.6mm的印刷线路板，钻速为10000转/min，每支微型钻头的钻孔数平均为8000个(未沉积镀层微型钻头每支微型钻头的钻孔数平均为2200个)。

Claims (2)

1、一种提高微型钻头使用寿命的复合氮化物镀层，其特征在于：该复合氮化物镀层是由金属铬、铝、钛和氮气反应所生成的复合氮化物，其厚度为1μm～2μm，硬度为2200HV～3000HV；摩擦系数为0.4～0.8，比磨损速率为：(1-10)×10-17m3/N.m。
2、一种实现权利要求1所述的提高微型钻头使用寿命的复合氮化物镀层的制备方法，其特征在于，具体包括下列步骤：
1)将微型钻头清洗干燥后放入多靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，并将真空室抽真空到：(2-6)×10-5Pa；
2)然后通入氩气，整个镀膜过程中氩气的流量为25-30sccm，经离子轰击清洗，其时间为15-30min，此时调整负偏压值为-500V～-300V，脉冲频率为150-250KHz，脉冲宽度为500-1000ns；
3)离子轰击清洗后通氮气，镀膜过程中氮气的流量为：20-30sccm进行镀膜；在镀膜阶段，调整负偏压值为-65V～-85V，脉冲频率为50-100KHz，脉冲宽度为1000-1500ns；
4)在镀膜时同时开启四个金属靶材：1个纯铝金属靶，1个纯钛金属靶和2个纯铬金属靶，靶材电流分别为：IAl为6-8A，ITi为6-8A，ICr为8-10A；时间为60min～120min；镀膜完成后，冷却至室温，取出微型钻头即可。
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Granted publication date: 20071121

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