TWM545139U - 刀具複合塗層以及具有該複合塗層的刀具 - Google Patents

Description

刀具複合塗層以及具有該複合塗層的刀具

本創作屬於刀具塗層技術領域，尤其涉及一種刀具複合塗層和具有該複合塗層的刀具。

隨著經濟社會的發展，市場上出現大量的石墨材料、鋁合金、炭纖維複合材料、金屬複合材料、陶瓷基板等難加工材料，對刀具提出了更高的要求。首先該類材料硬度高，硬質合金微型刀具的磨損極大，壽命很短；其次刃口容易形成積屑緣，嚴重降低加工品質；再次切屑容易堵塞在刀具的排屑槽內，造成排塵不良，嚴重降低產品品質。由於未塗層微型刀具不能滿足現有加工要求，急需將新型塗層材料運用到微型刀具上，以克服這一加工難題。

為了提高微型刀具的壽命及加工品質，國內外很多企業都對微型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，可以提升未微型刀具的壽命達2倍以上，但是在石墨材料、鋁合金、炭纖維複合材料、金屬複合材料、陶瓷基板等難加工材料的運用較少，急需開發新型材料解決該問題。

本創作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和具有該複合塗層的刀具，其可以顯著提升微型刀具的耐磨性能，又能避免積屑緣(built-up edge)和堵塞排屑槽問題。

本創作的技術方案是：一種刀具複合塗層，包括塗覆於刀具本體的基底層和位於最外側的頂層，基底層為金剛石層或立方氮化硼層，基底層的厚度為1至40μm，頂層為四面體非晶碳膜層且厚度為0.01至15μm。

較佳地，基底層與頂層之間還設置有至少一層中間層，中間層包括過渡層和核心層中的任意一層，或者，中間層包括層疊的過渡層和核心層。

較佳地，過渡層為Me層且厚度為0.01至10μm，核心層為MeX層且厚度為0.01至15μm，其中Me代表Al、Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr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。

較佳地，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50%至90%的sp ³鍵碳原子為骨架構成。

較佳地，基底層的厚度為4至20μm。

較佳地，核心層的厚度為0.1至5μm。

較佳地，四面體非晶碳膜的厚度可以為0.05至7μm

較佳地，四面體非晶碳膜層的厚度為0.05至5μm。

本創作還提供了一種刀具，刀具包括刀具基體，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。

較佳地，刀具基體的刃徑為0.02至0.5mm。

本創作所提供的刀具複合塗層和具有該複合塗層的刀具，藉由在硬質合金微型刀具表面沉積出硬度高、摩擦係數低、結合力好、耐高溫性好的多層奈米複合塗層，在加工石墨材料、鋁合金、炭纖維複合材料、金屬複合材料、陶瓷基板等難加工材料時，既能顯著提升微型刀具的耐磨性能，大大減少斷針率，提升微型刀具使用壽命提高至4至20倍，又能避免積屑緣和堵塞排屑槽問題。

為了使本創作的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合圖式及實施例，對本創作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創作，並不用於限定本創作。

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，本創作實施例中的左、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。

如第1圖和第2圖所示，本創作實施例提供的一種刀具複合塗層，包括塗覆於刀具本體的基底層1和位於最外側的頂層4，基底層1為金剛石層或立方氮化硼層，基底層1的厚度為1至40μm，頂層4為四面體非晶碳膜層且厚度為0.01至15μm，頂層4的四面體非晶碳膜(Ta-c結構的類金剛石)的奈米硬度高達40至80Gpa，可以採用物理氣相沉積方式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，而且，由於頂層4四面體非晶碳膜的摩擦係數可以低於0.1，其硬度高且摩擦係數小，藉由在硬質合金微型刀具表面沉積出硬度高、摩擦係數低、結合力好、耐高溫性好的多層奈米複合塗層，在加工石墨材料、鋁合金、炭纖維複合材料、金屬複合材料、陶瓷基板等難加工材料時，既能顯著提升微型刀具的耐磨性能，大大減少斷針率，提升微型刀具使用壽命提高至4至20倍，可以顯著提升微型刀具的耐磨性能，又能避免積屑緣和堵塞排屑槽問題。

具體應用中，四面體非晶碳膜的厚度可以為0.05至10μm，優選地，四面體非晶碳膜的厚度可以為0.05至7μm，本實施例中，四面體非晶碳膜的厚度可以為0.05至5μm，例如，0.1至5μm。

具體應用中，基底層1與頂層4之間還設置有至少一層中間層，中間層包括過渡層2和核心層3中的至少一層，或者，中間層包括至少一組層疊的過渡層2和核心層3；即可以包括過渡層2-核心層3-過渡層2-核心層3依次層疊的結構。

過渡層2為Me層且厚度為0.01至10μm，核心層3為MeX層且厚度為0.01至15μm，其中Me代表鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、釩(V)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zr)以及非金屬元素矽(Si)中的至少一種，X代表氮(N)、碳(C)、硼(B)中的一種或兩種或三種。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95%的sp ³鍵碳原子為骨架構成，優選地，四面體非晶碳膜層由40%至90%的sp ³鍵碳原子為骨架構成，本實施例中，四面體非晶碳膜層由50%至90%的sp ³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，如第2圖。

藉由拉曼光譜分析，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sp ³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sp ²或者sp ³鍵成分含量。

本實施例中，塗層靠近基材的打底層為純金屬Me層，厚度為10至100nm；過渡層2為MeX層，厚度80至300nm；核心層3是MeAlX複合層，厚度為0.4至5.0μm；頂層4為Ta-c結構的類金剛石（四面體非晶碳膜層），厚度0.05至5.0μm。

本創作實施例還提供了一種刀具，刀具包括刀具基體，刀具基體的刃徑可以為0.02至0.5mm。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。藉由在硬質合金微型刀具表面沉積出硬度高、摩擦係數低、結合力好、耐高溫性好的多層奈米複合塗層，在加工石墨材料、鋁合金、炭纖維複合材料、金屬複合材料、陶瓷基板等難加工材料時，既能顯著提升微型刀具的耐磨性能，大大減少斷針率，提升微型刀具使用壽命提高至4至20倍，同時又能保證加工品質，大幅度提升加工效率，降低生產成本。

本創作實施例還提供一種刀具複合塗層的製備方法，可用於製備上述刀具複合塗層和刀具，包括以下步驟：

（1）製備基底層1：將刀具基體放入CVD設備中，藉由CVD設備於刀具基體的表面形成基底層1，得到第一半成品；基底層1可以為金剛石層或立方氮化硼層。

（2）製備四面體非晶碳膜層：將具有基底層1的刀具基體放入物理氣相設備中在最外側形成四面體非晶碳膜層，物理氣相設備中設置有碳靶，以在塗層的最外層形成四面體非晶碳膜層。

具體地，製備基底層1之後且製備四面體非晶碳膜層之前，製備方法還包括以下兩個步驟中的至少一個步驟：

（1）製備過渡層2：將第一半成品放入PVD複合塗層設備中，開啟金屬蒸汽真空電弧離子源，進行Me離子注入，Me離子注入到第一半成品的表面，再電弧離子鍍技術在第一半成品的表面沉積Me過渡層2，Me代表Al、Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、非金屬元素Si中的至少一種得到第二半成品；

（2）製備核心層3：將第二半成品或第一半成品放入電弧離子鍍設備中，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過渡層2上沉積形成MeX核心層3並得到第三半成品，X代表N、C、B中的一種或兩種或三種； 再在核心層3上沉積四面體非晶碳膜層，或者，繼續在核心層3上沉積過渡層2以及繼續在過渡層2上沉積核心層3，最後，再在塗層的最外側形成四面體非晶碳膜層。

具體地，過渡層2為Me層且厚度可為0.01至10μm；核心層3為MeX層的為0.01至15μm，四面體非晶碳膜層的厚度為0.01至15μm。

具體地， 基底層1的厚度可為4至20μm，過渡層2為Me層且厚度可為0.1至3μm；核心層3的厚度可為0.1至5μm，四面體非晶碳膜層的厚度為0.05至5μm。

具體地，通入的氣體可以為CH ₄、N ₂的混合氣體， CH ₄氣體的流量0至100sccm，N ₂的流量0至100sccm，電弧離子鍍設備的弧電流50至100A，脈衝偏壓峰值-100至-300V，占空比30%至50%。

本創作實施例所提供的刀具複合塗層和具有該複合塗層的刀具，採用CVD方法製作基底層1（金剛石塗層或立方氮化硼層），主要是因為熱絲CVD方法裝爐量大，可在複雜刀具表面均勻沉積基底層1，如第1圖，Raman光譜圖顯示該層為金剛石。

製備中間層（過渡層2）時，藉由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刀具表面時，高能離子對刀具產生強烈的濺射作用，可以清除吸附在刀具表面的氣體、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，增強微型刀具與後續的硬質塗層的結合力；其次，高能離子在刀具基體表面產生強烈的碰撞和級聯碰撞，部分高能離子取代刀具基體原有的原子，改變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刀具基體的結合力。

藉由採用電弧離子鍍技術沉積金屬Me過渡層2與MeX核心層3，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；藉由採用新型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或以上。

藉由本創作提供的方法製備的金剛石/Me/MeX/四面體非晶碳膜，頂層4四面體非晶碳膜的奈米硬度高達40至80GPa ，如第3圖；頂層4四面體非晶碳膜的摩擦係數低於0.1；核心層3MeX的奈米硬度高達30至45Gpa或更高，同時與硬質合金基材的結合力大於130N。頂層4的四面體非晶碳膜(ta-c結構的類金剛石)的奈米硬度高達40至80Gpa，可以採用物理氣相沉積方式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，而且，由於頂層4四面體非晶碳膜的摩擦係數可以低於0.1，其硬度高且摩擦係數小，藉由在硬質合金微型刀具表面沉積出硬度高、摩擦係數低、結合力好、耐高溫性好的多層奈米複合塗層，在加工石墨材料、鋁合金、炭纖維複合材料、金屬複合材料、陶瓷基板等難加工材料時，既能顯著提升微型刀具的耐磨性能，大大減少斷針率，提升微型刀具使用壽命提高至4至20倍，又能避免積屑緣和堵塞排屑槽問題。

以上僅為本創作的較佳實施例而已，並不用以限制本創作，凡在本創作的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本創作的保護範圍之內。

1‧‧‧基底層
2‧‧‧過渡層
3‧‧‧核心層
4‧‧‧頂層

為了更清楚地說明本創作實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的圖式作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附式僅僅是本創作的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出進步性勞動的前提下，還可以根據這些圖式獲得其他的圖式。

第1圖是本創作實施例提供的刀具複合塗層的平面放大示意圖。

第2圖是本創作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。

第3圖是本創作實施例提供的刀具複合塗層中四面體非晶碳膜層的奈米硬度隨壓入深度的變化曲線圖。

1‧‧‧基底層

2‧‧‧過渡層

3‧‧‧核心層

4‧‧‧頂層

Claims (10)

1. 一種刀具複合塗層，其包括塗覆於刀具本體的一基底層以及位於最外側的一頂層，該基底層為金剛石層或立方氮化硼層，該基底層的厚度為1至40μm，該頂層為一四面體非晶碳膜層且厚度為0.01至15μm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之刀具複合塗層，其中，該基底層與該頂層之間更設置有至少一中間層，該中間層包括一過渡層以及一核心層中的任意一層，或者，該中間層包括層疊的該過渡層以及該核心層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之刀具複合塗層，其中，該過渡層為Me層且厚度為0.01至10μm，該核心層為MeX層且厚度為0.01至15μm，其中Me代表鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、釩(V)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zr)以及非金屬元素矽(Si)中的至少一種，X代表氮(N)、碳(C)、硼(B)中的一種或兩種或三種。
4. 如申請專利範圍第1項所述之刀具複合塗層，其中，該四面體非晶碳膜層由為碳(C)元素組成的四面體非晶碳膜層，由50%至90%的sp ³鍵碳原子為骨架構成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之刀具複合塗層，其中，該基底層的厚度為4至20μm。
6. 如申請專利範圍第2項所述之刀具複合塗層，其中，該核心層的厚度為0.1至5μm。
7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之刀具複合塗層，其中，該四面體非晶碳膜層的厚度可以為0.05至7μm。
8. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之刀具複合塗層，其中，該四面體非晶碳膜層的厚度為0.05至5μm。
9. 一種刀具，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項至第8項中任一項所述之刀具複合塗層。
10. 如申請專利範圍第9項所述之刀具，其中，該刀具基體的刃徑為0.02至0.5mm。