TWI645062B - Method for preparing tool composite coating, tool and tool composite coating - Google Patents

Method for preparing tool composite coating, tool and tool composite coating Download PDF

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屈建國
羅春峰
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本發明適用於鑽孔工具技術領域，公開了一種刀具複合塗層、刀具和刀具複合塗層的製備方法。刀具複合塗層包括核心層和頂層；所述核心層是MeAlX複合層且厚度為0.1至10μm；所述頂層為四面體非晶碳膜層且厚度0.01至10μm；其中Me代表Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr等金屬元素以及非金屬元素Si中的至少一種，X代表N、C、B中的一種或兩種或三種，所述MeAlX中Al含量的原子比滿足0.30l/(Al+Me)

Description

刀具複合塗層、刀具和刀具複合塗層的製備方法
本發明屬於一種鑽孔工具技術領域，尤其涉及一種刀具複合塗層、刀具和刀具複合塗層的製備方法。
隨著印刷電路板企業的發展，特別是在整個經濟增速放緩的情況下，各個企業求，如增加微型PCB刀具的加工孔數，提升微型PCB刀具加工的板材厚度等。但是印刷電路板加工存在較大的難題，首先印刷電路板中含有大量的樹脂和增強材料，印刷電路板的硬度和強度高，普通的微型PCB刀具在加工印刷電路板的過程中磨損速度快，磨損量大，PCB刀具的壽命短；其次，微型PCB刀具加工印刷電路板時，切屑容易堵塞在PCB刀具的排屑槽內，造成排屑不良，會嚴重降低印刷電路板的孔壁品質；再次，印刷電路板中含有銅箔，微型PCB刀具加工印刷電路板時，銅屑易黏在微型PCB刀具的刃口上，在刃口形成積屑瘤，也會嚴重降低微型PCB刀具加工印刷電路板的品質。由於未塗層的PCB刀具提升幅度有限，急需將塗層材料運用到微型PCB刀具上，以大幅度提升微型PCB刀具的加工性能。
為了提高微型PCB刀具的壽命及其加工印刷電路板的品質，國內外很多企業都對微型PCB刀具進行表面改性處理，如化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)等，同時該技術已經廣泛運用在 鋼鐵等金屬加工上，可以提升未塗層PCB刀具的壽命達2倍以上。然而將這些方法直接轉移到微型PCB刀具時，存在較多問題。首先將常規PCB刀具塗層工藝直接轉移到微型PCB刀具時，製備出的塗層與微型PCB刀具基體的結合力低，塗層易脫落而失去了保護作用；其次微型PCB刀具刃徑極小，在微型PCB刀具上製備塗層時，刃口容易出現尖端放電，造成刃口嚴重燒傷。再次塗層表面液滴多，表面摩擦係數高，在加工PCB板材時，容易出現排屑不良，刃口黏銅等問題，鑽孔品質欠佳，刀具使用壽命短。
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供了一種刀具複合塗層、刀具和刀具複合塗層的製備方法，其既能大大減少鑽頭加工的斷針率，又能將鑽頭的使用壽命提高至4至10倍，同時可保證鑽孔品質，大幅度提升PCB的加工效率，降低生產成本
本發明的技術方案是：一種刀具複合塗層，包括核心層和頂層；所述核心層是MeAlX複合層且厚度為0.1至10μm；所述頂層為四面體非晶碳膜層且厚度0.01至10μm，係直接設置於核心層上；其中Me代表Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr等金屬元素以及非金屬元素Si中的至少一種，X代表N、C、B中的一種或兩種或三種，所述MeAlX中Al含量的原子比滿足0.30l/(Al+Me).80。
較佳地，所述刀具複合塗層還包括至少一層中間層，所述中間層包括打底層和過渡層中的任意一層，或者，所述中間層包括層疊設 置的打底層和過渡層；所述打底層為Me層且厚度為0.01至10μm；所述過渡層為MeX層且厚度為0.01至15μm。
較佳地，所述四面體非晶碳膜層由為C元素組成的四面體非晶碳膜層，由40%至90%的sp3鍵碳原子為骨架構成。
本發明還提供了一種刀具，所述刀具包括刀具基體，所述刀具基體的部分表面或全部表面設置有上述的刀具複合塗層。
本發明還提供了一種刀具複合塗層的製備方法，包括以下步驟：
(1)製備核心層：將所述刀具要放入物理氣相沉積設備，於刀具上沉積形成MeAlX核心層並得到半成品，其中，所述Me代表Al、Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr等金屬元素以及非金屬元素Si中的至少一種，X代表N、C、B中的一種或兩種或三種，所述MeAlX中Al含量的原子比滿足0.30l/(Al+Me).80。
(2)製備四面體非晶碳膜層：將所述半成品放入物理氣相設備中，於所述核心層上沉積四面體非晶碳膜層。
較佳地，在製備所述核心層之前，所述製備方法還包括以下步驟：
(1)製備打底層：將刀具基體放入電弧離子鍍設備中，採用電弧離子鍍技術在刀具基體表面沉積由Me形成的打底層，得到第一半成品。
(2)製備過渡層：在電弧離子鍍設備中，通入含N、C、B中至少一種元素的氣體，電弧離子鍍設備所用靶材為Me靶材，採用電弧離子 鍍技術在所述第一半成品的打底層上沉積形成MeX過渡層並得到第二半成品，其中，所述X代表N、C、B中的一種或兩種或三種。
較佳地，所述打底層的厚度為0.01至10μm；所述過渡層的厚度為0.01至15μm；所述核心層的厚度為0.1至10μm；所述四面體非晶碳膜層的厚度為0.01至10μm。
較佳地，在製備打底層的步驟中，當真空達到5.0×10-3Pa，開啟強流金屬蒸汽真空電弧離子源，進行Me離子注入，Me離子注入到刀具基體的表面以下；再通過電弧離子鍍技術在第一半成品的表面沉積Me過渡層，電弧離子鍍的弧電流50至100A，脈衝偏壓峰值-100至-500V，佔空比10%至80%。
較佳地，在製備過渡層步驟中，通入含N、C、B中至少一種元素的氣體，採用電弧離子鍍技術在打底層上沉積MeX過渡層，所用靶材為純金屬Me靶材，氣體的流量為50至500sccm，電弧離子鍍的弧電流50至100A，脈衝偏壓峰值-100至-500V，佔空比10%至80%。
較佳地，在製備核心層步驟中，所述所述物理氣相沉積設備中純金屬靶材或者合金靶材電流為5至10A，離子源功率為1.0至3.0Kw，Ar氣體流量為50至300sccm，含N、C、B中至少一種元素的氣體流量50至300sccm，脈衝負偏壓峰值-50至-200V，佔空比10%至80%。
本發明所提供的一種刀具複合塗層、刀具和刀具複合塗層的製備方法，其通過在硬質合金微型刀具的鑽身表面沉積出硬度高、摩擦係數低、結合力好、耐高溫性好的多層納米複合塗層，可以保證微鑽在高速加工普通FR-4、無鹵素、HTG、柔性板以及封裝基板等PCB材料時， 既能大大減少斷針率，又能將微鑽的使用壽命提高至4至10倍，同時可保證鑽孔品質，大幅度提升PCB的加工效率，降低生產成本。
1‧‧‧打底層
2‧‧‧過渡層
3‧‧‧核心層
4‧‧‧頂層
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於所屬技術領域具有通常知識者來講，在不付出進步性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例提供的刀具複合塗層的平面示意圖；圖2是本發明實施例提供的刀具複合塗層中四面體非晶碳膜層的納米硬度隨壓入深度的變化曲線圖；圖3是本發明實施例提供的刀具複合塗層中核心層(MeAlX塗層)的納米硬度隨壓入深度的變化曲線圖；圖4是本發明實施例提供的刀具複合塗層中四面體非晶碳膜層的拉曼光譜分析圖。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
需要說明的是，當元件被稱為“固定於”或“設置於”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者可能同時存在居中元件。當一個元件被稱為是“連接於”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。
還需要說明的是，本發明實施例中的左、右、上、下等方位用語，僅是互為相對概念或是以產品的正常使用狀態為參考的，而不應該認為是具有限制性的。
如圖1所示，本發明實施例提供的一種刀具複合塗層，包括核心層3和頂層4；所述核心層3是MeAlX複合層且厚度為0.1至10μm；所述頂層4為四面體非晶碳膜層且厚度0.01至10μm；其中Me代表Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr等金屬元素以及非金屬元素Si中的至少一種，X代表N、C、B中的一種或兩種或三種，所述MeAlX中Al含量的原子比滿足0.30l/(Al+Me).80。
較佳地，所述MeAlX中Al含量的原子比滿足0.40Al/(Al+Me).75。
更較佳地，所述MeAlX中Al含量的原子比滿足0.45Al/(Al+Me).75。
本實施例中，所述MeAlX中Al含量的原子比滿足0.50Al/(Al+Me).70。
具體地，所述刀具複合塗層還包括至少一層中間層，所述中間層包括打底層1和過渡層2中的任意一層，即打底層1和過渡層2均可以 直接沉積於刀具基體，或者，所述中間層包括層疊設置的打底層1和過渡層2，即可以包括打底層1-過渡層2-打底層1-過渡層2依次層疊的結構。
具體地，所述打底層1為Me層且厚度為0.01至10μm；所述過渡層2為MeX層且厚度為0.01至15μm。
較佳地，打底層1的厚度可為0.05至10μm，例如，0.1至10μm。
較佳地，過渡層2的厚度可為0.05至10μm，例如，0.1至10μm。
具體地，所述四面體非晶碳膜層由為C元素組成的四面體非晶碳膜層(ta-c結構的類金剛石)，由40%至90%的sp3鍵碳原子為骨架構成。
具體地，四面體非晶碳膜層(Ta-C)的拉曼光譜分析圖，如圖4。
通過拉曼光譜分析，確定Ta-C膜的ID和IG值，ID表示Diamond峰強度，波數在1300至1400(例如1340或左右)；IG表示Graphite峰強度，波數在1500至1600(例如1580或左右)。ID峰的強度在一定程度上代表著Sp3鍵的含量。擬合方法採用高斯函數擬合，峰與橫坐標的面積代表sp2或者sp3鍵成分含量。
通過在硬質合金微型刀具的鑽身表面沉積出硬度高、摩擦係數低、結合力好、耐高溫性好的多層納米複合塗層，塗層不易脫落，可以保證微鑽在高速加工普通FR-4、無鹵素、HTG、柔性板以及封裝基板等PCB材料時，既能大大減少斷針率，又能將刀具的使用壽命提高至4至 10倍，同時可保證鑽孔品質，刃口不會出現尖端放電的現象，排屑良好，刃口不易黏銅，大幅度提升PCB的加工效率，降低生產成本。
本發明實施例還提供了一種刀具，所述刀具包括刀具基體，刀具基體可為陶瓷基體或金屬基體，刀具基體的刃徑可以為0.02至0.5mm。所述刀具基體的部分表面或全部表面設置有上述的刀具複合塗層。
本發明實施例還提供了一種刀具複合塗層的製備方法，包括以下步驟：
(1)製備核心層3：將所述刀具要放入物理氣相沉積設備(高頻脈衝磁控濺射設備)，於所述刀具上沉積形成MeAlX核心層3並得到半成品，其中，所述Me代表Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr等金屬元素以及非金屬元素Si中的至少一種，X代表N、C、B中的一種或兩種或三種，所述MeAlX中Al含量的原子比滿足0.30l/(Al+Me)0.80。
(2)製備四面體非晶碳膜層：將所述半成品放入物理氣相設備中，於所述核心層3上沉積四面體非晶碳膜層；其中所述物理氣相設備中碳靶電流可為10至50A，脈衝負偏壓峰值可為-50至-200V，佔空比可為30%至50%。
具體地，在製備所述核心層3之前，所述製備方法還包括以下步驟：
(1)製備打底層1：將刀具基體放入電弧離子鍍設備中，採用電弧離子鍍技術在刀具基體表面沉積由Me形成的打底層1，得到第一半成品。
(2)製備過渡層2：在電弧離子鍍設備中，通入含N、C、B中至少一種元素的氣體，電弧離子鍍設備所用靶材為Me靶材，採用電弧離子鍍技術在所述第一半成品的打底層1上沉積形成MeX過渡層2並得到第二半成品，其中，所述X代表N、C、B中的一種或兩種或三種。再在過渡層2上製備核心層3。
具體地，所述打底層1的厚度為0.01至10μm；所述過渡層2的厚度為0.01至15μm；所述核心層3的厚度為0.1至10μm；所述四面體非晶碳膜層的厚度為0.01至10μm。
具體地，在製備打底層1的步驟中，當真空達到5.0×10-3Pa，開啟強流金屬蒸汽真空電弧離子源，進行Me離子注入，Me離子注入到刀具基體的表面以下；再通過電弧離子鍍技術在第一半成品的表面沉積Me過渡層，電弧離子鍍的弧電流50至100A，脈衝偏壓峰值-100至-500V，佔空比10%至80%。
具體地，在製備過渡層2步驟中，通入含N、C、B中至少一種元素的氣體，採用電弧離子鍍技術在打底層上沉積MeX過渡層2，所用靶材為純金屬Me靶材，氣體的流量為50至500sccm，電弧離子鍍的弧電流50至100A，脈衝偏壓峰值-100至-500V，佔空比10%至80%。
具體地，在製備核心層3步驟中，所述物理氣相沉積設備中純金屬靶材或者合金靶材電流為5至10A，離子源功率為1.0至3.0Kw，Ar 氣體流量為50至300sccm，含N、C、B中至少一種元素的氣體流量50至300sccm，脈衝負偏壓峰值-50至-200V，佔空比10%至80%。
具體地，製備所述製備打底層1前，對所述刀具基體進行噴砂鈍化處理，再採用超聲波清洗機清洗噴砂後的刀具基體，並裝夾在複合塗層設備中，將溫度設定為300至500℃進行加熱烘烤。
具體製備流程可以參考如下：
本發明製備技術方案是：
(1)對微型PCB刀具的硬質合金基體(刀具基體)表面進行噴砂鈍化處理，去除PCB刀具表面的雜質和刃口毛刺等。
(2)採用超聲波清洗機清洗噴砂後的刀具基體，並裝夾在複合塗層設備中，將溫度設定為300至500℃進行加熱烘烤。
(3)當真空達到5.0×10-3Pa，開啟強流金屬蒸汽真空電弧離子源(MEVVA源)，進行Me離子注入，這些離子在高達五千伏至八千伏的電場下，注入到待加工的微型PCB刀具工件的表面，並紮根在硬質合金表面下一定深度，可以顯著提升塗層與基體的結合力。
(4)採用電弧離子鍍技術在微型PCB刀具表面沉積Me金屬打底層1，電弧離子鍍的弧電流50至100A，脈衝偏壓峰值-100至-500V，佔空比10%至80%。
(5)通入CH4、N2混合氣體，採用電弧離子鍍技術在金屬打底層1上面沉積MeX過渡層2，所用靶材為Me靶材，氣體的流量為50至500sccm，電弧離子鍍的弧電流50至100A，脈衝偏壓峰值-100至-500V，佔空比10%至80%。
(6)採用物理氣相設備沉積McAlX核心層3，物理氣相沉積設備中純金屬靶材或者合金靶材電流為5至10A，離子源功率為1.0至3.0Kw，Ar氣體流量為50至300sccm，含N、C、B中至少一種元素的氣體流量50至300sccm，脈衝負偏壓峰值-50至-200V，佔空比10%至80%。
(7)採用物理氣相技術製備四面體非晶碳膜，碳靶電流可為10至50A，脈衝負偏壓峰值可為-50至-200V，佔空比可為30%至50%(8)冷卻取樣。
本發明採用強流金屬蒸汽真空電弧離子源(MEVVA源)產生的Me等離子體進行離子注入和清洗，改變微型PCB刀具表面的物理化學性能。首先，離子源產生的高能離子撞擊PCB刀具表面時，高能離子對PCB刀具產生強烈的濺射作用，可以清除吸附在PCB刀具表面的氣體、液體和粉塵等雜質，為硬質塗層的沉積提供極其潔淨的表面，增強微型PCB刀具與後續的硬質塗層的結合力；其次，高能離子在PCB刀具基體表面產生強烈的碰撞和級聯碰撞，部分高能離子取代PCB刀具基體原有的原子，改變PCB刀具表面的化學成分，在表面形成一層混合介面，該混合介面既提高了PCB刀具表面的強度、硬度等力學性能，同時也可以增強硬質塗層與PCB刀具基體的結合力。
本發明採用電弧離子鍍技術沉積金屬Me打底層1與MeX過渡層2，主要是利用了陰極電弧離子鍍離化率高的特點，能夠進一步提高塗層與基材的結合力；利用高頻脈衝磁控濺射技術沉積MeAlX核心層3，主要是利用高頻脈衝磁控濺射技術沉積的塗層表面光滑的優勢，克服了陰極電弧技術沉積塗層表面“液滴”的缺陷，能夠適用於微型PCB刀 具。利用物理氣相技術製備四面體非晶碳膜，提升了四面體非晶碳膜與基體的結合力，使得四面體非晶碳膜的厚度可以增加到5μm。
通過本發明提供的方法製備Me/MeX/MeAlX/四面體非晶碳膜形成的刀具複合塗層，頂層4的四面體非晶碳膜的納米硬度可以高達40至80GPa，如圖2是四面體非晶碳膜層的納米硬度隨壓入深度的變化曲線；核心層3MeAlX的納米硬度高達30至45GPa，如圖3是核心層3(MeAlX塗層)的納米硬度隨壓入深度的變化曲線，同時與硬質合金基材的結合力大於130N，摩擦係數低於0.1。塗覆有該複合塗層的微型刀具，加工普通PCB板材時，壽命提升4至10倍。
本發明實施例所提供的一種刀具複合塗層、刀具和刀具複合塗層的製備方法，其通過在硬質合金微型刀具的鑽身表面沉積出硬度高、摩擦係數低、結合力好、耐高溫性好的多層納米複合塗層，可以保證微鑽在高速加工普通FR-4、無鹵素、HTG、柔性板以及封裝基板等PCB材料時，既能大大減少斷針率，又能將微鑽的使用壽命提高至4至10倍，同時可保證鑽孔品質，大幅度提升PCB的加工效率，降低生產成本。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

Claims (10)

  1. 一種刀具複合塗層，其包括一核心層；和一頂層，係直接設置於該核心層上；其中，該核心層是MeAlX複合層且厚度為0.1至10μm；該頂層為一四面體非晶碳膜層且厚度0.01至10μm；Me代表Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu以及Zr中的至少一種，X代表N、C、B中的一種或兩種或三種，該MeAlX中Al含量的原子比滿足0.30Al/(Al+Me)0.80，且該核心層係以高頻脈衝磁控濺射技術沉積而成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的刀具複合塗層，其中，該刀具複合塗層還包括至少一層中間層，該中間層包括一打底層和一過渡層中的任意一層，或者，該中間層包括層疊設置的該打底層和該過渡層；該打底層為Me層且厚度為0.01至10μm；該過渡層為MeX層且厚度為0.01至15μm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的刀具複合塗層，其中，該四面體非晶碳膜層由為C元素組成的四面體非晶碳膜層，由40%至90%的sp3鍵碳原子為骨架構成。
  4. 一種刀具，其包括一刀具基體，該刀具基體的部分表面或全部表面設置有如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的刀具複合塗層。
  5. 一種刀具複合塗層的製備方法，其包括以下步驟： (1)製備一核心層：將一刀具要放入一物理氣相沉積設備，於該刀具上沉積形成MeAlX核心層並得到一半成品，其中，Me代表Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu以及Zr中的至少一種，X代表N、C、B中的一種或兩種或三種，MeAlX中Al含量的原子比滿足0.30l/(Al+Me)0.80，其中，該物理氣相沉積設備係高頻脈衝磁控濺射設備；(2)製備一四面體非晶碳膜層：將該半成品放入該物理氣相沉積設備中，直接於該核心層上沉積該四面體非晶碳膜層。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的刀具複合塗層的製備方法，其中，在製備該核心層之前，該製備方法還包括以下步驟：(1)製備一打底層：將一刀具基體放入一電弧離子鍍設備中，採用電弧離子鍍技術在該刀具基體表面沉積由Me形成的打底層，得到一第一半成品；(2)製備一過渡層：在該電弧離子鍍設備中，通入含N、C、B中至少一種元素的氣體，該電弧離子鍍設備所用靶材為Me靶材，採用電弧離子鍍技術在該第一半成品的該打底層上沉積形成MeX的該過渡層並得到一第二半成品，其中，X代表N、C、B中的一種或兩種或三種。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的刀具複合塗層的製備方法，其中，該打底層的厚度為0.01至10μm；該過渡層的厚度為0.01至15 μm；該核心層的厚度為0.1至10μm；該四面體非晶碳膜層的厚度為0.01至10μm。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的刀具複合塗層的製備方法，其中，在製備該打底層的步驟中，當真空達到5.0×10-3Pa，開啟強流金屬蒸汽真空電弧離子源，進行Me離子注入，Me離子注入到該刀具基體的表面以下；在製備該過渡層的步驟中，通過電弧離子鍍技術在該第一半成品的表面沉積MeX的該過渡層，電弧離子鍍的弧電流50至100A，脈衝偏壓峰值-100至-500V，佔空比10%至80%。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的刀具複合塗層的製備方法，其中，在製備該過渡層步驟中，通入含N、C、B中至少一種元素的氣體，採用電弧離子鍍技術在該打底層上沉積MeX的該過渡層，所用靶材為純金屬Me靶材，氣體的流量為50至500sccm，電弧離子鍍的弧電流50至100A，脈衝偏壓峰值-100至-500V，佔空比10%至80%。
  10. 如申請專利範圍第5項所述的刀具複合塗層的製備方法，其中，在製備該核心層步驟中，該物理氣相沉積設備中純金屬靶材或者合金靶材電流為5至10A，離子源功率為1.0至3.0Kw，Ar氣體流量為50至300sccm，含N、C、B中至少一種元素的氣體流量50至300sccm，脈衝負偏壓峰值-50至-200V，佔空比10%至80%。
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