专利名称：一种钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法
技术领域：
本发明属于离子束材料表面改性技术领域，涉及一种制备非晶碳涂层的方法，尤其是一种钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法。
背景技术：
近年来，钛以及钛合金的优异性能，使其在工业产品中的使用越来越多，但由于钛和钛合金韧度高，为其加工带来一定的困难，尤其是攻丝加工时，容易使丝锥与基底粘结，导致刀具断裂，尤其小尺寸的挤压丝锥，问题更为严重，因此，解决加工中的断裂问题，可以延长丝锥的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法，该方法制备的非晶碳结构涂层有较小的摩擦系数，可达0.1，具有较高的硬度，显微硬度可达85GPA。能够解决粘结断齿等问题，提高丝锥使用寿命5-10倍，减少更换刀具时间，提高生产率，节省使用丝锥数量。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的:这种钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法，包括以下步骤:(I)基体预处理:首先对基体表面进行酒精脱水，然后放入丙酮溶液中，用超声波清洗，氮气吹干；所述基体为硬质合金或高速钢丝锥；(2)离子清洗:将预处理后的基体放入镀膜机真空室的转台上进行离子清洗；(3)形成非晶碳薄膜:启动过滤电弧离子源，离子源的工作气压为彡9X IO-4Pa,电弧电流为80 90A，石墨靶阴极的碳纯度为99.99%，通过电弧放电产生的局部高温使石墨表面气化成碳原子和分子，在放电室中进一步电离后形成碳离子，电离的碳离子通过磁过滤装置过滤掉中性石墨大颗粒后，被沉积在基体表面，形成非晶碳薄膜涂层。进一步，上述步骤(2)中离子清洗是指，采用冷阴极离子源，进行离子清洗，离子源通入氩气，流量为10 20SCCm，保持真空室气压2 6X 10_2Pa，离子源的放电电压为400V-600V，放电电流为100mA-200mA，引出电压为1000V-1200V，引出电流50mA-100mA，轰击部件10-30分钟，离子源纵向均匀尺寸为40mm，转台以3r/min的线速度旋转，保证横向清洗均匀。进一步，上述步骤(3)中碳离子沉积是指，偏压采用直流脉冲，电源占宽比为1:1,偏压幅值为200V，转台以3r/min的线速度旋转，保证基体涂层横向均匀，磁场扫描线圈沿基体的纵向扫描，扫描的频率为50Hz，基体温度彡80C°，基体的涂层厚度为300-400nm。上述基体表面形成的非晶碳薄膜涂层为非晶结构，涂层中SP3键结构含量> 80%。本发明具有以下有益效果:采用本发明的方法在丝锥材料表面形成的非晶碳涂层为非晶结构，涂层中SP3键结构含量> 80%，显微硬度可达85GPA，摩擦系数0.08-0.1 ;与没有镀非晶碳薄膜的样品相t匕，使用寿命最高可达10倍，非常适合于钛及钛合金金属攻丝，尤其是小孔径零件加工，可以大大提高生产率，节省刀具消耗量。
图1为实现本发明方法所使用装置的结构示意图；图中:1 一过滤电弧离子源；2 — S型磁过滤装置；3—真空室；4一冷阴极离子源；5—工装转台；6—工装架；7—抽气口 ；8—进气口 ；9—真空计；10—磁扫描线圈；11—石墨阴极；图2为S型双弯管磁过滤装置的结构示意图；图3为本发明所制备涂层的拉曼光谱图，定性的计算SP3键结构；图4为本发明所制备涂层的磨损试验图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明:本发明提供了一种钛金属用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法，所述的丝锥称为基体，其为硬质合金或高速 钢，该方法具体包括下列步骤:(I)基体的预处理:首先对基体表面进行酒精脱水，然后放入丙酮溶液中，并用超声波清洗，最后用氮气吹干；(2)将清洗后的镀件装入工装架6，立即放入镀膜机真空室3中的工装转台5上，如图1所示，防止再次污染，影响镀膜质量。涂层镀膜设备至少包括过滤电弧离子源l，s型磁过滤装置2，真空室3，冷阴极离子源4，工装转台5，工装架6，抽气口 7，进气口 8，真空计
9,磁扫描线圈10,石墨阴极11。米用磁扫描,扫描方向在真空室纵向,横向扫描依靠转台的旋转保障，使镀膜在一个平面进行扫描，保证镀膜的均匀性。(3)采用一个冷阴极离子源4，进行离子清洗，离子源通入氩气，离子源的工作气压为彡9X l(T4Pa，流量为12sccm，电弧电流为80 90A，保持真空室气压2.8X l(T2Pa，离子源的放电电压为400V-600V，放电电流为100mA-200mA，引出电压为1000V-1200V，引出电流50mA-100mA，轰击镀件10-30分钟，离子源纵向均匀尺寸为40mm，转盘以3r/min的线速度旋转，以保证横向均匀；(4)关掉离子源，启动过滤电弧离子源，本发明制备非晶碳，采用一种S型的过滤阴极电弧离子源，离子源的工作气压为8X 10_4Pa，电弧电流为80A，阴极石墨靶11的碳纯度为99.99%ο首先通过电弧放电产生的局部高温使石墨表面气化成碳原子、分子，在一个放电室中，进一步的电离后，使电离的碳离子通过图2所示的一个S型双弯管磁过滤装置2，磁过滤装置2电流为10A，中性石墨大颗粒被过滤掉，提高了薄膜致密度，降低表面粗糙度，通过磁过滤装置2的碳离子被沉积在丝锥表面，形成非晶碳薄膜。偏压采用直流脉冲，电源占宽比为1:1，偏压幅值为200V，工件转盘以分钟3r/min的线速度旋转，以保证镀件涂层在横向均匀，镀件的纵向由一个磁场扫描完成，磁扫描线圈10沿镀件的纵向进行扫描，扫描的频率为50Hz，镀膜过程中，镀件表面温度不超过80C°，非晶碳涂层厚度一般为300nm。为了保证薄膜纯度，采用纯度为99.99%的石墨阴极靶，为了保证薄膜高质量，偏压要稳定，沉积离子能量要控制在80— 120eV。
在上述工艺条件下，可以保证非晶碳膜具有良好的结合力、平整的表面；参见图3所示，通过对照涂层拉曼光谱可得到涂层的SP3键结构含量> 80% ;参见图4所示，涂层摩擦系数为0.1左右，与没有镀非晶碳薄膜的样品相比，使用寿命可以延长5-10倍。以下结合实施例对本发明进一步详细说明:实施例1本实施例的钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法按照以下步骤进行:(I)基体预处理:首先对基体表面进行酒精脱水，然后放入丙酮溶液中，用超声波清洗，氮气吹干；所述基体为硬质合金，用于钛和钛合金金属攻丝选用，来解决攻丝过程中的，丝锥易粘连断齿等问题，提高使用寿命5-10倍。(2)离子清洗:将预处理后的基体放入镀膜机真空室的转台上进行离子清洗；该步骤中的离子清洗是指，采用冷阴极离子源，进行离子清洗，离子源通入氩气，流量为IOsccm,保持真空室气压2X10_2Pa，离子源的放电电压为400V，放电电流为200mA，引出电压为1200V,引出电流50mA,轰击部件10分钟,离子源纵向均勻尺寸为40mm,转台以3r/min的线速度旋转，保证横向清洗均勻。(3)形成非晶碳薄膜:启动过滤电弧离子源，离子源的工作气压为9X10_4Pa，电弧电流为80A，石墨靶阴极的碳纯度为99.99%，通过电弧放电产生的局部高温使石墨表面气化成碳原子和分子，在放电室中进一步电离后形成碳离子，电离的碳离子通过磁过滤装置过滤掉中性石墨大颗粒后，被沉积在基体表面，形成非晶碳薄膜涂层。进一步，该步骤中的碳离子沉积是指，偏压采用直流脉冲，电源占宽比为1:1，偏压幅值为200V,转台以3r/min的线速度旋转，保证基体涂层横向均匀，磁场扫描线圈沿基体的纵向扫描，扫描的频率为50Hz，基体温度彡80C°，基体的涂层厚度为300-400nm。所述基体表面形成的非晶碳薄膜涂层为非晶结构，涂层中SP3键结构含量> 80%ο实施例2本实施例的钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法按照以下步骤进行:(I)基体预处理:首先对基体表面进行酒精脱水，然后放入丙酮溶液中，用超声波清洗，氮气吹干；所述基体为高速钢丝锥，用于钛和钛合金金属攻丝选用，来解决攻丝过程中的，丝锥易粘连断齿等问题，提高使用寿命5-10倍。(2)离子清洗:将预处理后的基体放入镀膜机真空室的转台上进行离子清洗；该步骤中的离子清洗是指，采用冷阴极离子源，进行离子清洗，离子源通入氩气，流量为20sccm,保持真空室气压6X10_2Pa，离子源的放电电压为600V，放电电流为100mA，引出电压为1000V,引出电流IOOmA,轰击部件30分钟，离子源纵向均勻尺寸为40mm,转台以3r/min的线速度旋转,保证横向清洗均勻。(3)形成非晶碳薄膜:启动过滤电弧离子源，离子源的工作气压为8X10_4Pa，电弧电流为90A，石墨靶阴极的碳纯度为99.99%，通过电弧放电产生的局部高温使石墨表面气化成碳原子和分子，在放电室中进一步电离后形成碳离子，电离的碳离子通过磁过滤装置过滤掉中性石墨大颗粒后，被沉积在基体表面，形成非晶碳薄膜涂层。进一步，该步骤中的碳离子沉积是指，偏压采用直 流脉冲，电源占宽比为1:1，偏压幅值为200V,转台以3r/min的线速度旋转，保证基体涂层横向均匀，磁场扫描线圈沿基体的纵向扫描，扫描的频率为50Hz，基体温度彡80C°，基体的涂层厚度为300-400nm。所述基体表面形成的非晶碳薄膜涂层为非晶结构，涂层中SP3键结构含量> 80%O实施例3本实施例的钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法按照以下步骤进行:(I)基体预处理:首先对基体表面进行酒精脱水，然后放入丙酮溶液中，用超声波清洗，氮气吹干；所述基体为高速钢丝锥，用于钛和钛合金金属攻丝选用，来解决攻丝过程中的，丝锥易粘连断齿等问题，提高使用寿命5-10倍。(2)离子清洗:将预处理后的基体放入镀膜机真空室的转台上进行离子清洗；该步骤中的离子清洗是指，采用冷阴极离子源，进行离子清洗，离子源通入氩气，流量为15sccm,保持真空室气压5X10_2Pa，离子源的放电电压为500V，放电电流为150mA，引出电压为1100V,引出电流80mA,轰击部件20分钟,离子源纵向均勻尺寸为40mm,转台以3r/min的线速度旋转，保证横向清洗均勻。(3)形成非晶碳薄膜:启动过滤电弧离子源，离子源的工作气压为5X10_4Pa，电弧电流为85A，石墨靶阴极的碳纯度为99.99%，通过电弧放电产生的局部高温使石墨表面气化成碳原子和分子，在放电室中进一步电离后形成碳离子，电离的碳离子通过磁过滤装置过滤掉中性石墨大颗粒后，被沉积在基体表面，形成非晶碳薄膜涂层。进一步，该步骤中的碳离子沉积是指，偏压采用直流脉冲，电源占宽比为1:1，偏压幅值为200V,转台以3r/min的线速度旋转，保证基体涂层横向均匀，磁场扫描线圈沿基体的纵向扫描，扫描的频率为50Hz，基体温度≤80C°，基体的涂层厚度为350nm。所述基体表面形成的非晶碳薄膜涂层为非晶结构，涂层中SP3键结构含量> 80%。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的具体实施方式
仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，凡根据本发明精神实质所作的任何简单修改及等效结构变换或修饰，均属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
权利要求
1.一种钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)基体预处理:首先对基体表面进行酒精脱水，然后放入丙酮溶液中，用超声波清洗，氮气吹干；所述基体为硬质合金或高速钢丝锥； (2)离子清洗:将预处理后的基体放入镀膜机真空室的转台上进行离子清洗； (3)形成非晶碳薄膜:启动过滤电弧离子源，离子源的工作气压为<9X10_4Pa，电弧电流为80 90A，石墨靶阴极的碳纯度为99.99%，通过电弧放电产生的局部高温使石墨表面气化成碳原子和分子，在放电室中进一步电离后形成碳离子，电离的碳离子通过磁过滤装置过滤掉中性石墨大颗粒后，被沉积在基体表面，形成非晶碳薄膜涂层。
2.根据权利要求1所述的钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法，其特征在于，所述步骤(2)中离子清洗是指，采用冷阴极离子源，进行离子清洗，离子源通入氩气，流量为10 20sccm，保持真 空室气压2 6X l(T2Pa，离子源的放电电压为400V-600V，放电电流为100mA-200mA，引出电压为1000V-1200V，引出电流50mA-100mA，轰击部件10-30分钟，离子源纵向均匀尺寸为40mm，转台以3r/min的线速度旋转，保证横向清洗均匀。
3.根据权利要求1所述的钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法，其特征在于，所述步骤(3)中碳离子沉积是指，偏压采用直流脉冲，电源占宽比为1:1，偏压幅值为200V,转台以3r/min的线速度旋转,保证基体涂层横向均勻,磁场扫描线圈沿基体的纵向扫描，扫描的频率为50Hz，基体温度彡80C°，基体的涂层厚度为300-400nm。
4.根据权利要求1所述的钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法，其特征在于，所述基体表面形成的非晶碳薄膜涂层为非晶结构，涂层中SP3键结构含量> 80%。
全文摘要
本发明公开了一种钛金属加工用丝锥表面制备非晶碳涂层的方法，包括基体预处理、离子清洗、电弧放电和碳离子沉积；该方法制备的非晶碳薄膜中SP3键结构含量≥80%，摩擦系数约为0.1；与没有镀ta-C膜的样品相比，使用寿命可以提高5-10倍，是非常适合钛和钛合金金属攻丝选用，来解决攻丝过程中的，因金属粘连丝锥断裂等问题，为提高使用效率，延长使用寿命提供一种可行有效的方法。
文档编号C23C14/06GK103088303SQ201310016999
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者赵玉清, 王晓艳, 陈仙, 杨鑫, 朱克志, 王炎武 申请人:西安交通大学