专利名称：一种多元复合镀层切削刀具及其制备方法
技术领域：
本发明属超硬材料技术领域，具体涉及一种具有多元复合镀层的切削刀具及其制备方法。
自上世纪80年代中期以来，在抗磨损的硬质膜方面得到了成功的应用。但是TiN的硬度不够高，而TiC的脆性很大，限制了它们在高硬度工件加工中的进一步应用。
现代工业水平和科学技术的飞速发展，对金属切削加工提出了前所未有的挑战。总的目标是高效率，高质量，低成本，低污染。
本发明提出的多元复合镀层切削刀具，是在切削刀具基体上首先镀覆有一过渡层钛膜，然后依次镀覆有n层氮化钛(TiN)膜和碳氮化钛(TiCN)膜的复合层；其中，过渡层钛膜的厚度为50-100nm，复合层中，氮化钛膜的厚度为100-300nm，碳氮化钛膜的厚度为1000-1600nm，n可取1-4之间。
本发明中，超硬层结构由三元的碳氮化钛和二元的氮化钛构成—多元的复合层，以碳氮化钛作为复合层中的主要成分，主要承担抗磨损功能。过渡层钛可增加TiN镀层与刀具基体的结合力。本发明的结构设计可使刀具基体材料与工件材料在热膨胀系数和晶格常数等参数方面有很好的匹配。
上述结构中，多元复合镀层的总厚度一般为2-5μm为宜。更为合适的厚度为2.5-3.8μm。各镀层的厚度可按比例增加或减少。
本发明中，三元的复合材料碳氮化钛由TiN和TiC混合而成，可以克服原TiN和TiC的不足，而能保持其结构稳定。该复合膜层的性质可以通过改变C和N的比例加以调节，以适应不同的加工对象。
上述多元复合镀层切削刀具可采用多弧源离子镀膜法制备。该方法可兼顾膜层的附着力、均匀性、致密度和沉积速率等各项要求，达到很好的效果。离子镀膜的设备结构见图3所示。
在真空系统的箱体的四壁(左右前后)分别设置纯钛靶材8，形成多个多弧阴极蒸发源，各由独立的电源6控制，电弧的电压、电流和功率均可独立调节。四壁可各设置2个钛靶，则共有8个多弧阴极蒸发源(图中画出左右两壁)。多弧放电的特点是粒子的电离度大且电离后的离子的初始能量高，有助增强膜层致密度和附着力。在金属工件(刀具基体)上施加偏置电压，可使离子以更高的能量飞行至工件表面，增加粒子的表面迁移率和成膜活性。这种等离子体辅助方法，可以在较低的成膜温度下，得到附着好的致密的膜层。本发明方法的步骤和工艺条件如下镀膜系统的本底真空度优于10-3Pa；预热，在镀膜之前，先对工件(刀具基体)加温至350-400℃，保温90-120分钟；清洗，工件上的偏压加到900-1100伏，用高能钛离子轰击工件进行离子清洗；镀膜，沉积膜层时偏压降到200-300伏，以保证沉积速率，这样的轰击能量仍能明显增强成膜粒子的活性，提高膜层结合力；系统总压强在0.133-0.200Pa(帕斯卡)范围内，工作气体为惰性气体Ar和反应气体N2和C2H2；制备Ti镀层时，通入Ar气，其分压强等于总压强；制备TiN镀层时，通入Ar气和N2气，N2的分压强为总压强的1％-12％，其余为Ar气；制备TiCN镀层时，使用Ar气，N2气和C2H2气分别为总压强的1％-12％，其余为Ar气。
硬质镀层的制备工艺和参数的最佳化，要根据工件的材质和尺寸大小而加以调节。材质较硬，尺寸较大，工件加温温度高些，保温时间长些，偏压高些，多弧功率与电流也大些。
对多元复合硬质镀层而言，复合镀层中各元素组分的比例，是影响硬质镀层重要因素。元素组分配比合适，其硬质镀层性能就比较好。我们采用了XPS(X射线光电子谱)和SEM(扫描电子显微镜)的EDS(能量分散谱)技术检测镀层的组分。根据检测结果来调整镀膜参数(如反应气体分压强等)，以控制镀层的组分。对于复合镀层中TiN，其原子比Ti∶N比较好的范围为0.97-1.03。对于复合镀层中的主要膜层TiCN，金属钛原子(Ti)与非金属原子(C+N)之间的原子Ti∶(C+N)比范围为0.70-1.01。就膜层硬度而言，其原子比为1时，金属原子与非金属原子能充分地键合，硬度最高。考虑到加工较硬工件时膜层脆性的显现较明显，其原子比略小于1为佳。非金属原子C和N的原子比C∶N比较好的范围为1.7-1.0。图4为以EDS(能量分散谱)技术检测镀层的组分的各元素的原子比的X-射线的强度谱图。
由本发明制备的多元复合多层硬质镀层为紫铜色，有金属光泽。显微硬度达到2600-3300kgf/mm2，其抗磨损性能较之单一镀层的刀具有明显的增强，因此使用寿命明显提高。
图2为多元复合硬质镀层结构图示，图中给出复合层数n＝2。
图3为多弧源离子镀膜装置示意图。
图4为多元复合硬质镀层组分分析EDS谱。
图中标号1为刀具基体，2为Ti镀层，3为TiN镀层，4为TiCN镀层，5为气体输入口，6为多弧蒸发电源，7为泵组，8为钛靶，9为偏压电源，10为待镀工件(刀具基体)，11为转轴。
实施例1采用镀覆TiN与TiCN各1层，即n＝1的组合结构。其中，在刀具其体上镀覆的Ti膜厚度为100nm；TiN膜厚度为300nm，Ti与N的原子比控制为0.97；TiCN膜厚度1600nm，Ti与(N+C)的原子比为0.70，N与C的原子比为1.0。经过上述工艺制备得到刀具(丝锥)，12支丝锥共加工4713个工件，平均每支加工392件，使用寿命是未镀层的4.6倍。切削速度为169转/分。
实施例2采用镀覆TiN与TiCN各2层，即n＝2的组合结构。其中，在刀具其体上镀覆的Ti膜厚度为100nm；TiN膜厚度为250nm，Ti与N的原子比控制为1.0；TiCN膜厚度1500nm，Ti与(N+C)的原子比为1.0，N与C的原子比为1.7。经过上述工艺制备得到刀具(丝锥)，11支丝锥共加工5632个工件，平均每支加工512件，使用寿命是未镀层的6.1倍。切削速度仍为169转/分。
实施例3采用镀复TiN与TiCN各1层，即n＝3的组合结构。其中，在刀具其体上镀覆的Ti膜厚度为.80nm；TiN膜厚度为100nm，Ti与N的原子比控制为1.03；TiCN膜厚度1000nm，Ti与(N+C)的原子比为1.01，N与C的原子比为1.2。经过上述工艺制备得到刀具(丝锥)，70支丝锥共加工31894个工件，平均每支加工456件，使用寿命是未镀层的5.4倍。切削速度为169转/分。
实施例4采用镀复TiN与TiCN各1层，即n＝4的组合结构。其中，在刀具其体上镀覆的Ti膜厚度为.50nm；TiN膜厚度为100nm，Ti与N的原子比控制为1.0；TiCN膜厚度1000nm，Ti与(N+C)的原子比为1.0，N与C的原子比为1.5。经过上述工艺制备得到刀具(丝锥)，70支丝锥共加工43187个工件，平均每支加工617件，使用寿命是未镀层的7.3倍。切削速度提高到338转/分。
权利要求
1.一种多元复合镀层切削刀具，其特征在于在切削刀具基体上首先镀覆有一过渡层钛膜，然后依次镀覆有n层氮化钛(TiN)膜和碳氮化钛(TiCN)膜的复合层；其中，过渡层钛膜的厚度为50-100nm，复合层中，氮化钛膜的厚度为100-300nm，碳氮化钛膜的厚度为1000-1600nm，n取1-4之间。
2.根据权利要求1所述的切削刀具，其特征在于复合镀层的总厚度为2-5μm。
3.一种如权利要求1所述的切削刀具的制备方法，其特征在于采用多弧源离子镀膜法镀覆多元复合镀层，具体步骤如下镀膜系统的本底真空度优于10-3Pa；预热，在镀膜之前，先对刀具基体加温至350-400℃，保温90-120分钟；清洗，刀具基体的偏压加到900-1100伏，用高能钛离子轰击工件进行离子清洗；镀膜，沉积膜层时偏压降到200-300伏，以保证沉积速率；系统总压强在0.133-0.200Pa范围内，工作气体为惰性气体Ar和反应气体N2和C2H2制备Ti镀层时，通入Ar气，其分压强等于总压强；制备TiN镀层时，通入Ar气和N2气，N2的分压强为总压强的1％-12％，其余为Ar气；制备TiCN镀层时，使用Ar气，N2气和C2H2气分别为总压强的1％-12％，其余为Ar气。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于复合镀层的组分控制如下对于TiN层，其Ti和N的原子比为0.97-1.03；对于TiCN层，其Ti与(C+N)的原子比为0.70-1.01，其中，C和N的原子比为1.7∶1.0。
全文摘要
本发明为一种多元复合镀层切削刀具。它以切削刀具为基体，其上先镀覆一过渡层Ti膜，然后依次镀覆n层TiN膜和TiCN膜复合硬质镀层。其中，Ti膜厚度为50－100nm，每层TiN膜厚度为100－300nm，每层TiCN膜厚度为1000－1600nm，n取1－4。上述结构的多元复合镀层可采用多弧源离子镀膜法制备。本发明制备切削刀具，其复合硬质镀层为紫铜色，有金属光泽，显微硬度达2600－3300kgf/mm
文档编号B23B27/14GK1476948SQ0314161
公开日2004年2月25日 申请日期2003年7月15日 优先权日2003年7月15日
发明者严学俭, 张亚樑 申请人:复旦大学, 上海恒久工具实业有限公司