一种刀具复合涂层的具有该刀具复合涂层的刀具的制作方法

本实用新型属于钻孔工具技术领域，尤其涉及一种刀具复合涂层的具有该刀具复合涂层的刀具。

背景技术：

随着印制电路板企业的发展，特别是在整个经济增速放缓的情况下，各个企业求，如增加微型PCB刀具的加工孔数，提升微型PCB刀具加工的板材厚度等。但是印制电路板加工存在较大的难题，首先印制电路板中含有大量的树脂和增强材料，印制电路板的硬度和强度高，普通的微型PCB刀具在加工印制电路板的过程中磨损速度快，磨损量大，PCB刀具的寿命短；其次，微型PCB刀具加工印制电路板时，切屑容易堵塞在PCB刀具的排屑槽内，造成排尘不良，会严重降低印制电路板的孔壁质量；再次，印制电路板中含有铜箔，PCB微型PCB刀具加工印制电路板时，铜屑易粘在PCB微型PCB刀具的刃口上，在刃口形成积屑瘤，也会严重降低PCB微型PCB刀具加工印制电路板的质量。由于未涂层PCB刀具提升幅度有限，急需将涂层材料运用到PCB微型PCB刀具上，以大幅度提升PCB微型PCB刀具的加工性能。

为了提高PCB微型PCB刀具的寿命及其加工印制电路板的质量，国内外很多企业都对微型PCB刀具进行表面改性处理，如化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)等，同时该技术已经广泛运用在钢铁等金属加工上，可以提升未涂层PCB刀具的寿命达2倍以上。然而将这些方法直接转移到微型PCB刀具时，存在较多问题。首先将常规PCB刀具涂层工艺直接转移到微型PCB刀具时，制备出的涂层与微型PCB刀具基体的结合力低，涂层易脱落而失去了保护作用；其次微型PCB刀具刃径极小，在微型PCB刀具上制备涂层时，刃口容易出现尖端放电，造成刃口严重烧伤。再次涂层表面液滴多，表面摩擦系数高，在加工PCB板材时，容易出现排尘不良，刃口粘铜等问题，钻孔质量欠佳，刀具使用寿命短。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种刀具复合涂层的具有该刀具复合涂层的刀具，其既能大大减少钻头加工的断针率，又能将钻头的使用寿命提高至4至10倍，同时可保证钻孔质量，大幅度提升PCB的加工效率，降低生产成本

本实用新型的技术方案是：一种刀具复合涂层，包括核心层和顶层；所述核心层是MeAlX复合层且厚度为0.1至10μm；所述顶层为四面体非晶碳膜层且厚度0.01至10μm；其中Me代表Al、Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Si中的至少一种，X代表N、C、B中的一种或两种或三种。

可选地，所述刀具复合涂层还包括至少一层中间层，所述中间层包括打底层和过渡层中的任意一层，或者，所述中间层包括层叠设置的打底层和过渡层；所述打底层为Me层；所述过渡层为MeX层。

可选地，所述四面体非晶碳膜层由为C元素组成的四面体非晶碳膜层，由40％至90％的sp3键碳原子为骨架构成。

可选地，所述打底层的厚度为0.01至10μm。

可选地，所述过渡层的厚度为0.01至15μm。

可选地，所述打底层的厚度为0.1至10μm。

可选地，所述过渡层的厚度为0.1至10μm。

可选地，所述MeAlX中Al含量的原子比满足0.30≤Al/(Al+Me)≤0.80。

本实用新型还提供了一种刀具，所述刀具包括刀具基体，所述刀具基体的部分表面或全部表面设置有上述的一种刀具复合涂层。

可选地，所述刀具基体的刃径为0.02至0.5mm。

本实用新型所提供的一种刀具复合涂层的具有该刀具复合涂层的刀具，其通过在硬质合金微型刀具的钻身表面沉积出硬度高、摩擦系数低、结合力好、耐高温性好的多层纳米复合涂层，可以保证微钻在高速加工普通FR-4、无卤素、HTG、柔性板以及封装基板等PCB材料时，既能大大减少断针率，又能将微钻的使用寿命提高至4至10倍，同时可保证钻孔质量，大幅度提升PCB的加工效率，降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的刀具复合涂层的平面示意图；

图2是本实用新型实施例提供的刀具复合涂层中四面体非晶碳膜层的纳米硬度随压入深度的变化曲线图；

图3是本实用新型实施例提供的刀具复合涂层中核心层(MeAlX涂层)的纳米硬度随压入深度的变化曲线图；

图4是本实用新型实施例提供的刀具复合涂层中四面体非晶碳膜层的拉曼光谱分析图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本实用新型实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种刀具复合涂层，包括核心层3和顶层4；所述核心层3是MeAlX复合层且厚度为0.1至10μm；所述顶层4为四面体非晶碳膜层且厚度0.01至10μm；其中Me代表Al、Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Si中的至少一种，X代表N、C、B中的一种或两种或三种，所述MeAlX中Al含量的原子比满足0.30≤Al/(Al+Me)≤0.80。

优选地，所述MeAlX中Al含量的原子比满足0.40≤Al/(Al+Me)≤0.75。

优选地，所述MeAlX中Al含量的原子比满足0.45≤Al/(Al+Me)≤0.70。

更优选地，所述MeAlX中Al含量的原子比满足0.5≤Al/(Al+Me)≤0.70。

本实施例中，所述MeAlX中Al含量的原子比满足0.50≤Al/(Al+Me)≤0.70。

具体地，所述刀具复合涂层还包括至少一层中间层，所述中间层包括打底层1和过渡层2中的任意一层，即打底层1和过渡层2均可以直接沉积于刀具基体，或者，所述中间层包括层叠设置的打底层1和过渡层2，即可以包括打底层1-过渡层2-打底层1-过渡层2依次层叠的结构。

具体地，所述打底层1为Me层且厚度为0.01至10μm；所述过渡层2为MeX层且厚度为0.01至15μm。

优选地，打底层1的厚度可为0.05至10μm，例如，0.1至10μm。

优选地，过渡层2的厚度可为0.05至10μm，例如，0.1至10μm。

具体地，所述四面体非晶碳膜层由为C元素组成的四面体非晶碳膜层(ta-c结构的类金刚石)，由40％至90％的sp3键碳原子为骨架构成。

具体地，四面体非晶碳膜层(Ta-C)的拉曼光谱分析图，如图4。

通过拉曼光谱分析，确定Ta-C膜的ID和IG值，ID表示Diamond峰强度，波数在1300至1400(例如1340或左右)；IG表示Graphite峰强度，波数在1500至1600(例如1580或左右)。ID峰的强度在一定程度上代表着Sp3键的含量。拟合方法采用高斯函数拟合，峰与横坐标的面积代表sp2或者sp3键成分含量。

通过在硬质合金微型刀具的钻身表面沉积出硬度高、摩擦系数低、结合力好、耐高温性好的多层纳米复合涂层，涂层不易脱落，可以保证微钻在高速加工普通FR-4、无卤素、HTG、柔性板以及封装基板等PCB材料时，既能大大减少断针率，又能将刀具的使用寿命提高至4至10倍，同时可保证钻孔质量，刃口不会出现尖端放电的现象，排尘良好，刃口不易粘铜，大幅度提升PCB的加工效率，降低生产成本。

本实用新型实施例还提供了一种刀具，其特征在于，所述刀具包括刀具基体，刀具基体可为陶瓷基体或金属基体，刀具基体的刃径可以为0.02至0.5mm。所述刀具基体的部分表面或全部表面设置有上述的刀具复合涂层。

本实用新型实施例还提供了一种刀具复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备核心层3：将所述刀具要放入高频脉冲磁控溅射设备，于所述刀具上沉积形成MeAlX核心层3并得到半成品，其中，所述Me代表Al、Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Si中的至少一种，X代表N、C、B中的一种或两种或三种；且所述MeAlX中Al含量的原子比满足0.30≤Al/(Al+Me)≤0.80；

(2)制备四面体非晶碳膜层：将所述半成品放入物理气相设备中，于所述核心层3上沉积四面体非晶碳膜层；其中所述物理气相设备中碳靶电流可为10至50A，脉冲负偏压峰值可为-50至-200V，占空比可为30％至50％。

具体地，在制备所述核心层3之前，所述制备方法还包括以下步骤：

(1)制备打底层1：将刀具基体放入电弧离子镀设备中，采用电弧离子镀技术在刀具基体表面沉积由Me形成的打底层1，得到第一半成品；

(2)制备过渡层2：在电弧离子镀设备中，通入含N、C、B中至少一种元素的气体，电弧离子镀设备所用靶材为Me靶材，采用电弧离子镀技术在所述第一半成品的打底层1上沉积形成MeX过渡层2并得到第二半成品，其中，所述X代表N、C、B中的一种或两种或三种。再在过渡层2上制备核心层3。

具体地，所述打底层1的厚度为0.01至10μm；所述过渡层2的厚度为0.01至15μm；所述核心层3的厚度为0.1至10μm；所述四面体非晶碳膜层的厚度为0.01至10μm。

具体地，在制备打底层1的步骤中，当真空达到5.0×10^-3Pa，开启强流金属蒸汽真空电弧离子源，进行Me离子注入，Me离子注入到刀具基体的表面以下，电弧离子镀设备的弧电流为50至100A，脉冲偏压峰值为-300至-500V，占空比为10％至30％。

具体地，在制备过渡层2步骤中，通入CH₄、N₂混合气体，采用电弧离子镀技术在打底层1上沉积MeX过渡层2，所用靶材为纯金属Me靶材，CH₄气体流量50至100sccm，N₂流量50至100sccm，电弧离子镀设备的弧电流50至100A，脉冲偏压峰值-100至-300V，占空比30％至50％。

具体地，在制备核心层3步骤中，所述高频脉冲磁控溅射设备中Me靶电流为5至10A，铝靶电流为2.5至6.0A，离子源功率为1.0至3.0Kw，Ar气体流量为50至100sccm，CH₄气体流量50至100sccm，N₂气体流量为50至100sccm，脉冲负偏压峰值-50至-200V，占空比30％至50％。

具体地，制备所述制备打底层1前，对所述刀具基体进行喷砂钝化处理，再采用超声波清洗机清洗喷砂后的刀具基体，并装夹在复合涂层设备中，将温度设定为300至500℃进行加热烘烤。

具体应用中，在制备打底层1之前，对刀具基体进行预处理，预处理方法包括以下步骤：(1)清洁钻头表面；

(2)对钻头进行脱Co化学预处理；脱Co化学预处理包括：

采用碱液腐蚀钻头的WC相，

采用酸液腐蚀钻头的Co相；

(3)对钻头表面进行表面粗化处理；

其中，采用碱液腐蚀钻头的WC相时，浸蚀部位为钻头刃部含刀尖且距离刀尖的长度l与钻头沟槽长度L的关系满足L1/10≤l≤L9/10，即钻头刃部的长度为L，浸蚀部位的长度l大于十分之一L且小于十分之九L；

采用酸液腐蚀钻头的Co相时，浸蚀部位为钻头刃部含刀尖且距离刀尖的长度l与钻头沟槽长度L的关系满足L1/10≤l≤L9/10，，即钻头刃部的长度为L，浸蚀部位的长度l大于十分之一L且小于十分之九L。采用酸液腐蚀钻头的Co相和碱液腐蚀钻头的WC相时浸蚀的长度相同，浸蚀的长度不大于钻头刃部长度的十分之九且不小于钻头刃部长度的十分之一，既克服了脱Co处理对刀具基体强度产生的不利影响，又也保证了金刚石涂层与基体具有良好的结合力，同时不会影响钻头的加工性能，钻头刃部强度不会明显降低，在高速加工时不易产生断刀的现象。本实施例中，采用碱液腐蚀钻头的WC相时，浸蚀部位为钻头刃部含刀尖且距离刀尖的长度l与钻头沟槽长度L的关系满足L/3≤l≤L/2，即浸蚀部位l的长度不大于钻头刃部长度的二分之一且不小于钻头刃部长度的三分之一；采用酸液腐蚀钻头的Co相时，浸蚀部位为钻头刃部含刀尖且距离刀尖的长度l与钻头沟槽长度L的关系满足L/3≤l≤L/2，即浸蚀部位l的长度不大于钻头刃部长度的二分之一且不小于钻头刃部长度的三分之一。

具体制备流程可以参考如下：

本实用新型制备技术方案是:

(1)对微型PCB刀具的硬质合金基体(刀具基体)表面进行喷砂钝化处理，去除PCB刀具表面的杂质和刃口毛刺等。

(2)采用超声波清洗机清洗喷砂后的刀具基体，并装夹在复合涂层设备中，将温度设定为300至500℃进行加热烘烤。

(3)当真空达到5.0×10^-3Pa，开启强流金属蒸汽真空电弧离子源(MEVVA源)，进行Me离子注入，这些离子在高达五千伏至八千伏的电场下，注入到待加工的微型PCB刀具工件的表面，并扎根在硬质合金表面下一定深度，可以显著提升涂层与基体的结合力。

(4)采用电弧离子镀技术在微型PCB刀具表面沉积Me金属打底层1，弧电流可为50至100A，脉冲偏压峰值可以为-300至-500，占空比可以为10％至30％。

(5)通入CH₄、N₂混合气体，采用电弧离子镀技术在金属打底层1上面沉积MeX过渡层2，所用靶材为纯金属Me靶材，CH₄气体流量50至100sccm，N₂流量50至100sccm，弧电流可为50至100A，脉冲偏压峰值可为-100至-300V，占空比可为30％至50％。

(6)采用高频脉冲磁控溅射技术沉积MeAlX核心层3，Me靶电流可为5至10A，Al靶电流可为2.5至6.0A，离子源功率可为1.0至3.0Kw，Ar气体流量可为50至100sccm，CH₄气体流量可为50至100sccm，N₂气体流量可为50至100sccm，脉冲负偏压峰值可为-50至-200V，占空比可为30％至50％。

(7)采用新物理气相技术制备四面体非晶碳膜，碳靶电流可为10至50A，脉冲负偏压峰值可为-50至-200V，占空比可为30％至50％。

(8)冷却取样。

本实用新型采用强流金属蒸汽真空电弧离子源(MEVVA源)产生的Me等离子体进行离子注入和清洗，改变微型PCB刀具表面的物理化学性能。首先，离子源产生的高能离子撞击PCB刀具表面时，高能离子对PCB刀具产生强烈的溅射作用，可以清除吸附在PCB刀具表面的气体、液体和粉尘等杂质，为硬质涂层的沉积提供极其洁净的表面，增强微型PCB刀具与后续的硬质涂层的结合力；其次，高能离子在PCB刀具基体表面产生强烈的碰撞和级联碰撞，部分高能离子取代PCB刀具基体原有的原子，改变PCB刀具表面的化学成分，在表面形成一层混合界面，该混合界面既提高了PCB刀具表面的强度、硬度等力学性能，同时也可以增强硬质涂层与PCB刀具基体的结合力；

本实用新型采用电弧离子镀技术沉积金属Me打底层1与MeX过渡层2，主要是利用了阴极电弧离子镀离化率高的特点，能够进一步提高涂层与基材的结合力；利用高频脉冲磁控溅射技术沉积MeAlX核心层3，主要是利用高频脉冲磁控溅射技术沉积的涂层表面光滑的优势，克服了阴极电弧技术沉积涂层表面“液滴”的缺陷，能够适用于微型PCB刀具。利用物理气相技术制备四面体非晶碳膜，提升了四面体非晶碳膜与基体的结合力，使得四面体非晶碳膜的厚度可以增加到5μm。

通过本实用新型提供的方法制备Me/MeX/MeAlX/四面体非晶碳膜形成的刀具复合涂层，顶层4的四面体非晶碳膜的纳米硬度可以高达40至80GPa，如图2是四面体非晶碳膜层的纳米硬度随压入深度的变化曲线；核心层3MeAlX的纳米硬度高达30至45GPa，如图3是核心层3(MeAlX涂层)的纳米硬度随压入深度的变化曲线，同时与硬质合金基材的结合力大于130N，摩擦系数低于0.1。涂覆有该复合涂层的微型刀具，加工普通PCB板材时，寿命提升4至10倍。

本实用新型实施例所提供的一种刀具复合涂层的具有该刀具复合涂层的刀具，其通过在硬质合金微型刀具的钻身表面沉积出硬度高、摩擦系数低、结合力好、耐高温性好的多层纳米复合涂层，可以保证微钻在高速加工普通FR-4、无卤素、HTG、柔性板以及封装基板等PCB材料时，既能大大减少断针率，又能将微钻的使用寿命提高至4至10倍，同时可保证钻孔质量，大幅度提升PCB的加工效率，降低生产成本。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。