CN204820499U - 一种用于工模具的多层复合硬质膜 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于工模具的多层复合硬质膜，其特征是：所述的多层复合硬质膜镀在工模具的表面上，从里到外覆盖有第一Cr膜层、第一CrAlTiN膜层、第二Cr膜层、AlTiN膜、第三Cr膜层和第二CrAlTiN膜层。与现有技术相比，本实用新型工具有如下优点：(1)具良好的硬度和抗磨损性，又具良好的热稳定性，并具有良好韧性以减缓高速切削时冲击力和降低膜系的应力，多层复合结构具有优异的综合性能；(2)降低每一层膜层的厚度，有利于抑制柱状晶的生长，细化晶粒，降低膜系表面粗糙度；(3)利用金属Cr对各种镀层均具有强的亲和性，有利于提高膜系与基体和各膜层之间的结合力；(4)本多层复合膜综合性能优异适用性强可以适用于多种基材的多种刀具和模具上并适用于多种被加工的材料和工件。

Description

一种用于工模具的多层复合硬质膜

技术领域

本实用新型涉及一种用于工模具的多层复合硬质膜。

背景技术

随着我国迈向制造业強国的进程，对机械加工所用的刀具、工具、模具的性能和寿命要求越来越高，除了工模具的基材不断改进外，一个重要的研发方向是开发用于工模具的先进保护涂层，即在工模具表面上采用物理气相沉积或化学气相沉积的方法，沉积耐磨、耐蚀、耐高温、减摩的硬质薄膜，保护工模具的表面減少磨损和烧蚀、延长服役寿命并提高其加工精度和光洁度。

经过近三十多年来的努力，开发出一系列的工模具用保护涂层，特别是物理气相沉积涂层，主要是过渡族金属的氮化物、碳化物、碳氮化物，有二元的、三元的、四元的，如TiN、TiC、ZrN、CrN、CrC、TiCN、TiAlN、CrAlN、TiAlCN、、CrAlCN、TiAlSiN以及类金刚石碳(DLC)膜等，近几年还开发出多层结构膜、纳米晶膜、纳米多层膜等高性能先进膜系。如此多种硬质膜的出现，反映了所加工各种产品的材料对工模具有不同的性能要求，必须研发多种特性的涂层才能滿足加工的需求，另一方面也反映了镀膜技术、镀膜材料、镀膜工艺的不断进步，有可能制备出越來越先进的镀层。随着加工材料的多样化，其所用的工模具的涂层也细分了。

在实践中发现，单一镀层工模具用于加工不同材料工件时总存在各种各样不足：有的硬度不够高、耐磨性较低，有的硬度高、耐磨性较好但韧性较低、耐冲击较差，有的硬度和韧性兼顾但耐热性抗氧化性较低等。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种用于工模具的多层复合硬质膜，其综合性能好、适用性強、高硬度、耐磨损又具良好韧性、耐冲击、耐热、抗氧化性好。

解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种用于工模具的多层复合硬质膜，其特征是：所述的多层复合硬质膜镀在工模具7的表面上，从里到外覆盖有第一Cr膜层1、第一CrAlTiN膜层2、第二Cr膜层3、AlTiN膜4、第三Cr膜层5和第二CrAlTiN膜层6。

所述CrAlTiN膜的厚度约为1um。

所述AlTiN膜的厚度约为2um。

所述Cr膜层的厚度约为0.3um。

选用AlTiN和AlTiCrN膜层作复合膜层，基于它们具有优良的性能。表1列出了它们的相关特性。如下表1为AlTiN和AlTiCrN膜层性能：

表1AlTiN和AlTiCrN膜层性能

采用高Al的AlTiN作为主膜层的中间层，是利用其高硬度高抗氧性特点作为强有力的支撑层。众所周知，AlTiN晶体薄膜中，Al原子置换TiN中的一部分Ti原子后使晶格发生畸变。晶格畸变度大的涂层，一方面晶界增多，另一方面位错多且不易滑动，从而导致涂层硬度的提高。Al元素能大大降低TiN涂层在高速切削时的氧化磨损，当刀具和工件接触区温度超过约749℃时，涂层的外表面转化为氧化铝，可以阻止进一步氧化，起到保护刀具的作用，从而延长刀具的使用寿命。

CrAlTiN是在AlTiN之后研发出来的新膜系，它保持AlTiN高硬度高耐磨损高抗氧化性优点，Cr的加入提高了膜层的韧性和抗冲击性能，还提高了抗氧化性和降低了摩擦系数。利用CrAlTiN作顶层，以其高硬度耐磨损和高韧性结合优势，直接与工件接触，能承受猛烈的冲击，以更強的耐热性能保护膜层不被氧化；通过中间AlTiN強有力的支撑后，由底层的CrAlTiN进一步吸收和缓解高速切削时产生的冲击力和高温。这样的复合膜层的结构合理，特点互补。

在多层结构的各界面均用具有良好的结合力和热稳定性的Cr来作中间“黏合层”，以提高膜系与基体和各膜层之间的结合力。

利用高硬度高耐热高抗氧化性的AlTiN作为膜系的中间支撑层，可提高膜系的硬度和耐磨损能力；利用具有高硬度高韧性高抗氧化性和低摩擦系数的CrAlTiN作为膜系的顶层和底层，既耐磨耐热又能吸收膜系受到的冲击力，三层主结构充分发挥各膜层自身优点，这种多层复合结构膜层具有综合性能好适用性強的特性。本实用新型多层复合膜层可适用于：硬质合金柄状刀具(铣刀，钻头)、硬质合金刀片、高速钢刀具(钻头、铣刀、齿轮刀具、拉刀等)、冲剪模具、成型模具、压铸模具、塑胶模具等，适用范围广。

与现有技术相比，本实用新型工具有如下优点：

(1)利用具有高硬度高韧性高抗氧化性和低摩擦系数的CrAlTiN作为膜系的顶层和底层，利用高硬度高耐热高抗氧化性的AlTiN作为涂层中间的支撑层，三层主结构，使其兼具良好的硬度和抗磨损性，又具良好的热稳定性，并具有良好韧性以减缓高速切削时冲击力和降低膜系的应力，多层复合结构具有优异的综合性能；

(2)采用多复合膜层结构，降低每一层膜层的厚度，有利于抑制柱状晶的生长，细化晶粒，降低膜系表面粗糙度；

(3)利用金属Cr对各种镀层均具有强的的亲和性，在多层结构中所有界面都用Cr膜层作粘合层，有利于提高膜系与基体和各膜层之间的结合力；

(4)本多层复合膜综合性能优异、适用性强，可以适用于多种基材的多种刀具和模具上，并适用于多种被加工的材料和工件，特别适合小型加工企业，可以用一种膜系工模具应付多种工件生产，虽然可能没有使用细化专用膜系工模具那么精准有效，但使用本发明膜系的工模具可满足多种加工生产的基本需求，为企业节省工模具资源，提高企业经济效益，特別受小型加工企业欢迎；同时也有利于小型涂层服务中心为这些小型加工企业提供工模具膜系服务，不用为客户从繁多的细化专用涂层系列中选择其适用的膜系而费功夫。

附图说明

图1为本实用新型的示意图。

图中：1-第一Cr膜层，2-第一CrAlTiN膜层，3-第二Cr膜层，4-AlTiN膜，5-第三Cr膜层,6-第二CrAlTiN膜层,7-工模具。

具体实施方式

下面结合附图用实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种用于工模具的多层复合硬质膜，所述的多层复合硬质膜镀在工模具7的表面上作保护涂层。

所述的多层复合硬质膜镀制过程：首先把工模具被镀表面进行彻底清洗，去除油渍、碏污和其他污垢以及尘埃，漂净后烘干，在净室检查合格后，把工件装夹在专用夹具上，送至镀膜机入炉镀膜。一般采用真空阴极电弧离子镀膜机镀膜，炉內配置Cr靶和AlTi合金靶，可供入Ar和N₂气体，工件运动机构具有三维转动功能。工件入炉、抽真空、加热，达到工艺要求后，先行用氩辉光放电和Cr电弧等离子体进行离子轰击清洗，去除工件表面氧化皮和活化表面，然后进行镀膜作业，按照多层膜设计分层的顺序进行镀制：第一步通入Ar气並启动Cr弧，镀第一层Cr膜层1，厚约0.3um；第二步通入Ar和N₂气，开Cr和AlTi合金弧，沉积第二层CrAlTiN膜层2，厚约2um；第三步通入Ar和N₂气，开Cr弧，沉积第三层Cr膜层3，厚约0.3um；第四步通入Ar和N₂气，开AlTi合金弧，沉积第四层AlTiN膜层4，厚约1um；第五步通入Ar，开Cr弧，沉积第五层Cr膜层5，厚约0.3um；第六步通入Ar和N₂气，开Cr和AlTi合金弧，沉积第六层CrAlTiN膜层6，厚约2um；每步均按工艺规程控制弧电压、弧电流、偏压、炉压、气体流量、炉温和镀膜时長(膜厚)等工艺参数进行镀膜。镀毕冷却、出炉，进行鍍层质量检查。

所述的多层复合硬质膜的应用：以镀有所述的多层复合硬质膜的切削刀具使用为例，说明其使用特点。在高速切削时，镀层刀具的刀刃尖刺入被切削的运动着的工件，切开并剥离工件表层的金属成切屑，与工件接触的是最外层，本实用新型选用AlTiCrN膜层，它有相当高的硬度可承受刺入切开剥离被加工金属的能力，它有很低的摩擦系数，高硬度和低摩擦系数结合提高耐磨损性，低的摩擦系数还有利于减少摩擦生热，降低刀具温度，同时也有利于不形成刀瘤。它有非常好的耐热性和抚氧化性，可承受高速切削时产生的高温。它有良好的导热性，有利于把切削时刀具摩擦产生的热量迅速传给切屑帯走，从而降低刀具温度。它有良好的韧性可承受和减缓高速切削时強烈冲击力，它有利于化解高冲击应力从而減少对刀具和镀层的伤害。下一层主要膜层选用硬度更高的AlTiN层作其上层AlTiCrN的支撑层，可承受切削时传递下来的高压力，可提高整体膜系的硬度和耐磨损能力；同时AlTiN有高的耐热性和高抗氧化性，作为膜系的中间支撑层，保证整体膜系优秀的高温性能。再下一层主要膜层仍选用AlTiCrN，以充分发挥其既高硬度耐磨损、又高韧性耐冲击、既耐高温高抗氧化又导热性良好的特点，通过支撑层AlTiN传递下来的高压力、强冲击和高温得到进一步协同抵抗、缓冲、吸收和化解。各层界面之间选用Cr作“黏合层”，在高速切削的高应力和高温工作条件下，利用Cr良好的亲和力，仍然保持各主要镀层之间及镀层与基体之间良好的结合，保持各层之间的结构的连接和各种力学和热学性能的传递。

综上所述，利用高硬度高耐热高抗氧化性的AlTiN作为膜系的中间支撑层，可提高膜系的硬度和耐磨损能力，利用具有高硬度高韧性高抗氧化性和低摩擦系数的CrAlTiN作为膜系的顶层和底层，既耐磨耐热又能吸收膜系受到的冲击力，三层主结构充分发挥各膜层自身优点，这种多层复合结构膜层具有综合性能好、适用性強的特性。在多层结构的各界面均用具有良好的结合力和热稳定性的Cr来作中间“黏合层”，以提高膜系与基体和各膜层之间的结合力。

本实用新型的多层复合硬质膜可适用于：硬质合金柄状刀具(铣刀，钻头)、硬质合金刀片、高速钢刀具(钻头、铣刀、齿轮刀具、拉刀等)、冲剪模具、成型模具、压铸模具、塑胶模具等，适用范围广。

Claims (4)

1.一种用于工模具的多层复合硬质膜，其特征是：所述的多层复合硬质膜镀在工模具的表面上，从里到外覆盖有第一Cr膜层、第一CrAlTiN膜层、第二Cr膜层、AlTiN膜、第三Cr膜层和第二CrAlTiN膜层。

2.根据权利要求1所述的用于工模具的多层复合硬质膜，其特征是：所述CrAlTiN膜的厚度为1um。

3.根据权利要求1所述的用于工模具的多层复合硬质膜，其特征是：所述AlTiN膜的厚度为2um。

4.根据权利要求1所述的用于工模具的多层复合硬质膜，其特征是：所述Cr膜层的厚度为0.3um。