CN203360554U - 一种切削刀具材料表面的复合镀层 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种切削刀具材料表面的复合镀层，在切削刀具材料表面依次镀有Ti层、TiN层、TiAlN层，所述Ti层和TiN层为过渡层，在过渡层与TiAlN层之间嵌有微米级大颗粒，该大颗粒是沉积的钛滴。该复合镀层表面相对平整，膜基结合力高，抗磨损性能好，有利于延长刀具的使用寿命；而且镀膜的加工质量高；制备工艺简单，易于操作，在镀膜过程中采用电气和机械自动控制，适于批量生产。
Description
技术领域
本实用新型涉及材料领域，特别涉及一种切削刀具材料表面的Ti/TiN/TiAlN复合镀层。
背景技术
在机械制造业中，虽然已发展出各种不同的零件成型工艺，但目前大部分的机械零件还是要通过切削加工制成。涂层刀具是将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数；涂层刀具可以提高加工效率和精度，延长刀具使用寿命，从而保证被加工工件的质量，降低加工成本。
在众多镀膜技术中，离子镀和磁控溅射技术已被广泛应用。电弧离子镀具有离子能量高、离化率高、膜层致密和附着力强等优点，但电弧离子镀制备的薄膜容易含有弧光放电过程所产生的显微喷溅颗粒，不仅影响表面的粗糙度，而且破坏膜的连续性。与电弧离子镀相比，磁控溅射沉积技术在沉积过程中，电子对基体的轰击能量小，容易实现薄膜的低温沉积，使基体不产生回火软化，避免了基体与所沉积的薄膜之间存在较大的硬度差，也不存在表面显微喷溅颗粒污染的问题，所以磁控溅射所制备的薄膜表面平整、致密，无明显的孔洞和电弧沉积时的大颗粒。
TiN薄膜具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数和良好的化学稳定性，已广泛应用于机械加工中的工模具涂层。但是，TiN薄膜与硬质合金和陶瓷刀具基体的附着力较差，在切削力作用下容易从基体上脱落，严重影响TiN涂层刀具的切削性能和使用寿命。随着高速切削加工时代的到来，TiN膜已无法满足高速切削条件下对涂层高耐磨性、高热稳定性及高抗氧化性等综合机械性能的要求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺点，结合离子镀和磁控溅射两种镀膜技术，提供一种抗磨损性能好、使用寿命长、薄膜与基体材料之间结合力大的Ti/TiN/TiAlN复合镀层。其制备方法是首先在基体上镀覆膜基结 合力好但表面粗糙度大的过渡层，然后镀覆平整镀层以提高复合镀层表面质量。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
一种切削刀具材料表面的复合镀层的制备方法，包括下述步骤：
（1）将切削刀具材料表面进行清洗；
（2）利用离子镀设备依次镀覆Ti层、TiN层；
（3）利用磁控溅射设备镀覆TiAlN层，得到Ti/TiN/TiAlN复合镀层。
优选地，所述Ti层的镀覆条件为偏压-200伏、占空比为20%，单弧靶电流为70安培，电压为18～25伏；镀膜时间为10分钟。
优选地，所述TiN层的镀覆条件为氮气流量调整为80SCCM（标准毫升每分钟），镀膜时间为5～30分钟。
优选地，所述TiAlN层的镀覆条件为抽真空至3×10-4Pa以上，将氮气流量调整为2～4SCCM，基体材料温度控制在430～460℃，靶源功率为6～8W/cm2，偏压为-150伏，镀膜时间为90分钟。
优选地，所述清洗为先进行表面清洗，然后进行离子清洗。
优选地，所述表面清洗是将刀具材料在丙酮和酒精中用超声波依次清洗15分钟，然后烘干。
优选地，所述离子清洗是将刀具材料装入多弧离子镀膜机中，抽真空至6.5×10-3Pa以上，温度控制在200～230℃，加偏压-700伏，占空比为40%；启动单弧靶源，电流70A，电压18～25伏；用高纯氩轰击刀具材料表面进行清洗，清洗时间为5分钟。
优选地，所述Ti层、TiN层镀覆及离子清洗中，刀具材料距靶源距离均为150mm，刀具材料自转或公转；TiAlN层镀覆中，刀具材料固定在样品架上，距靶源70mm。
优选地，所述刀具材料为高速钢切削刀具材料：W6Mo5Cr4V2（简称M2钢）。
上述方法制备的Ti/TiN/TiAlN复合镀层，是在切削刀具材料表面依次镀有Ti层、TiN层、TiAlN层，所述Ti层和TiN层为过渡层，在过渡层与TiAlN层之间嵌有微米级大颗粒，该大颗粒是离子镀Ti和TiN过渡层时沉积在膜面上的钛滴。
优选地，所述Ti/TiN/TiAlN复合镀层的总厚度为1.7～3μm。所述Ti层厚 度为80～150nm，TiN层厚度为100～450nm；TiAlN层厚度为1.0～2.5μm。一般情况下大颗粒会影响薄膜连续性和表面平整性，降低综合性能，但本实用新型的方法使得大颗粒随着薄膜的沉积，表面会长出与膜面组织相似的结构，提高薄膜连续性和表面平整性，降低了大颗粒的影响，提高复合镀层耐磨性能及寿命。
本实用新型的Ti/TiN/TiAlN复合镀层，其中，一方面由于Ti膜、TiN膜的膨胀系数介于基体材料与表层TiAlN薄膜之间，所以将Ti/TiN薄膜作为过渡层，可以有效提高Ti/TiN/TiAlN复合镀层的膜基结合力；另一方面，分别利用离子镀技术离化率、入射粒子能量高和磁控溅射技术膜层均匀，表面平整等优点，所制备复合膜的膜基结合力高，膜层致密，表面相对平整；此外，离子镀技术所镀覆的膜层表面存在微米级大颗粒膜层，这与磁控溅射技术镀覆的纳米级表面膜层之间的结合力既存在范德华力和机械咬合，还有准原子力，可提高两种膜及复合膜和基体材料的结合力。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
（1）本实用新型中高速钢材料的热膨胀系数约为11.7×10-6/K，而Ti的热膨胀系数约为10.8×10-6/K，TiN膜的热膨胀系数约为9.4×10-6/K，TiAlN膜的热膨胀系数约为7.5×10-6/K，复合膜从基体、过渡层Ti/TiN膜到表面TiAlN膜层，热膨胀系数和硬度呈梯度过渡，可有效缓解镀层薄膜内部应力，还有Ti膜，TiN膜，TiAlN膜之间很好的相容性，均可提高镀层薄膜与基体材料界面的结合力等综合性能，从而延长刀具材料的使用寿命。
（2）结合电弧离子镀技术离化率、入射粒子能量高和磁控溅射技术膜层均匀，表面平整等优点，镀覆的复合膜膜基结合力高，膜层致密，表面相对平整；另外，离子镀技术所镀覆的膜层表面存在的微米级膜层即纯Ti大颗粒和磁控溅射技术镀覆的纳米级表面膜层之间的结合力既存在范德华力和机械咬合，还有准原子力，可提高两种膜及复合膜与基体材料的结合力，另外大颗粒上生长的TiAlN膜与其周围沉积生长的平整TiAlN膜连续且过渡平缓，也能够提高过渡层与表面TiAlN膜层的结合力。
（3）本实用新型制备工艺简单，易于操作，在镀膜过程采用电气和机械自动控制。
附图说明
图1为本实用新型复合镀层的结构示意图，其中1为基体（切削刀具材料）， 2为Ti/TiN过渡层，3为大颗粒，4为TiAlN镀层；
图2为实施例1～4制备的复合镀层的XRD图；
图3为开放式微/纳米综合力学测试系统对实施例4的样品微米划痕测试图，其中，Fn-加载力；Pd-压入深度；Ft-切向力；AE-声发射强度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述，但本实用新型的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
采用AIP-01型多弧离子镀膜机和JGP-560b型磁控溅射镀膜机，多弧离子镀膜机由沈阳远科航公司制造，磁控溅射镀膜机由中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司制造，所采用的工件是线切割成10×10×4mm的块状高速钢材料（M2钢）。
（1）首先将工件经机械研磨、抛光后在丙酮和酒精中用超声波依次清洗各15分钟，然后烘干；
（2）将烘干后的工件装入多弧离子镀膜机中，样品正对着靶源，距离靶面150mm，样品公转/自转，然后用机械泵、罗茨泵、扩散泵逐级抽真空至6.5×10-3Pa，温度控制在200～230℃，加偏压-700伏，占空比为40%；启动单弧靶源，电流70A，电压25伏；用99.99%的高纯氩轰击工件进行离子清洗，清洗时间为5分钟；
（3）将偏压调控在-200伏、占空比为20%，单弧靶（纯钛靶）电流为70安培，电压为25伏；镀覆纯Ti膜，镀膜时间为10分钟；
（4）将氮气流量调整为80SCCM，镀覆TiN膜，镀膜时间为5分钟；镀膜结束后按照AIP-01型多弧离子镀膜机的操作程序取出试样。
（5）将从离子镀设备取出的工件装入磁控溅射镀膜机中，样品正对着靶材（钛铝合金靶，钛铝原子比为1：1），距离靶面70mm，用机械泵和分子泵逐级抽真空至3×10-4Pa，基体材料温度控制在430～460℃，氮气流量调整为2SCCM，镀覆TiAlN薄膜，靶源功率为7.1W/cm2，偏压-150伏，镀膜时间为90分钟；镀膜结束后，按照磁控溅射操作程序，取出样品，得到本实用新型的切削刀具表面的Ti/TiN/TiAlN复合镀层。该复合镀层的结构示意图如图1，即在基体（切削刀具材料）1表面依次镀有Ti层、TiN层、TiAlN层，所述Ti层和TiN层为过渡层2，在过渡层2与TiAlN层4之间嵌有微米级大颗粒3， 该大颗粒是离子镀Ti和TiN过渡层时沉积在膜面上的钛滴。
图3为在扫描电镜下观察到的本实施例工艺条件下硅片上所镀复合膜的截面形貌图。镀层厚度的测量方法是本实施例1工件的横截面金相试样，在扫面电镜（SEM）下测定，膜层总厚度约为2.6μm。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤（4）所述的镀膜时间为15分钟。
图4和图5分别为在扫面电镜下观察本实施工艺下硅片上制备复合膜的截面、表面形貌图。
镀层厚度的测量方法是磨制本实施例2工件的横截面金相试样，在扫面电镜（SEM）下测定，本实施例的膜层总厚度约为2.8μm。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：
步骤（4）所述的镀膜时间为30分钟，镀完TiN膜后再进行离子清洗，时间3分钟，偏压-700伏，占空比为40%；电流70A，电压25伏。
镀层厚度的测量方法是磨制本实施例3工件的横截面金相试样，在扫面电镜（SEM）下测定，本实施例的膜层总厚度约为2.9μm。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于：
1、步骤（4）所述的镀膜时间为30分钟，镀完TiN后再进行离子清洗，时间3分钟，偏压-700伏，占空比为40%；电流70A，电压25伏；
2、步骤（5）中所述的氮气流量为4SCCM。
镀层厚度的测量方法是磨制本实施例子4工件的横截面金相试样，在扫面电镜（SEM）下测定，本实施例的膜层总厚度约为1.7μm。
实施例子1～4的膜基结合力的测试使用NHT/MST/AFM/型多功能纳米力学测试系统，该仪器型号为CSM Instruments SA，OpenPIatform tab，Switzerland型，该设备适用于膜层厚度为0～1mm范围之内；加载范围为0.05～30牛顿；划痕速度为0.4～600mm/min。精度为0.003牛顿；压头是锥角为120°，尖端半径R=0.1mm的金刚石压头。
划痕法测量膜基结合力的测量参数为：起始载荷：300mN；划痕长度：6mm；最大载荷：30N；使用该仪器测量膜/基结合力的优点是：通过声信号、摩擦力、 摩擦系数以及同位的痕划光学显微观察，综合的评定膜基结合力。取其中可信结果作为表征膜基结合能的临界载荷Lc，本测量中取薄膜开始出现剥落的临界载荷（Lc1）和薄膜完全剥落的临界载荷（Lc2）表征膜基结合力，划痕形貌如图2。
表1实施例1～4膜基结合力的对比
注：对比例为AIP-01型多弧离子镀膜机镀覆的TiN薄膜。
Claims (3)
1.一种切削刀具材料表面的复合镀层，其特征在于，在切削刀具材料表面依次镀有Ti层、TiN层、TiAlN层，所述Ti层和TiN层为过渡层，在过渡层与TiAlN层之间嵌有微米级大颗粒，该大颗粒是沉积的钛滴。
2.根据权利要求1所述的复合镀层，其特征在于，所述Ti/TiN/TiAlN复合镀层的总厚度为1.7～3μm。
3.根据权利要求1或2所述的复合镀层，其特征在于，所述Ti层厚度为80～150nm，TiN层厚度为100～450nm；TiAlN层厚度为1.0～2.5μm。
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