一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法与流程

文档序号:16594465发布日期:2019-01-14 19:27阅读:1266来源:国知局
一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法与流程

本发明属于涂层在刀具应用技术领域,涉及刀具表面涂层的制备,进一步涉及一种用于丝锥表面制备ticn涂层的方法。



背景技术:

丝锥是加工各种中、小尺寸内螺纹的刀具,它结构简单,使用方便,在生产中应用得非常广泛。按照使用方式可以分为手用丝锥和机用丝锥,一般把制造精度较高的高速钢或硬质合金磨牙丝锥称为机用丝锥,把碳素工具钢或合金工具钢的滚牙(或切牙)丝锥称为手用丝锥,实际上两者的结构和工作原理基本相同。通常,丝锥由工作部分和柄部构成。工作部分又分切削部分和校准部分,前者磨有切削锥,担负切削工作,后者用以校准螺纹的尺寸和形状。丝锥在使用过程中的失效形式主要有:

1、排屑不好造成切屑堵塞产生的折断;

2、丝锥每齿切削厚度太大造成的崩齿;

3、攻丝锥螺纹时速度过高、切削液选择不当和工件的材料硬度过高等造成的丝锥磨损严重。

近年来,涂层丝锥应用越来越广,发展涂层丝锥技术的主要目的是提高生产效率和降低生产成本,优点主要表现在以下几点:

1、增加丝锥表面硬度和耐磨性;

2、减少丝锥与工件摩擦;

3、排屑顺畅,避免丝锥过早损坏;

4、提高工件表面质量;

5、提高切屑速度,缩短加工时间。

目前,丝锥表面采用的涂层类型主要有tin涂层,tialn涂层,ticn涂层和dlc涂层等,这些涂层主要通过物理气相沉积pvd工艺制备。申请人在多年研究中发现,ticn涂层可能是一种最为适合的丝锥表面涂层,主要是因为这种涂层成分调控范围大,硬度高(hv2400-3500)、摩擦系数低0.1-0.3,涂层强韧性等综合力学性能好,可增加丝锥的耐磨性能和润滑性能,并抑制切削瘤的产生与附着,可有效防止丝锥的折断、崩齿及磨损等,尤其在难加工材料攻丝中优势显著。

ticn是最为常见的一种具有层状结构的硬质涂层。理论上讲,当碳含量为零时,即为tin涂层,外观呈金黄色,tin涂层硬度hv2400,而且韧性较好。随ticn涂层中的碳含量增加,涂层外观呈浅黄色-棕色-蓝灰色-深灰色等不断变化,其硬度也会逐渐从hv2400增加到hv3500。当氮含量为零时,即为tic涂层,外观呈深灰色,tic涂层硬度达到最大hv3500,但韧性却大幅下降,不适合丝锥表面涂层应用。因此,ticn作为丝锥表面涂层应用时仍有大量技术难题需要攻关,具体有,ticn作为丝锥表面涂层时,ti、c、n三种元素含量多少最为合适,多层结构如何优化设计及实现,以及涂层制备工艺试验条件等,特别是用于难加工材料攻丝的丝锥表面涂层,因此,研发设计出一种既有耐磨减摩性能,又有综合强韧性能的新型丝锥表面ticn涂层一直是申请人研究的热点。



技术实现要素:

基于现有技术中未涂层丝锥生产效率低,以及已有涂层丝锥的使用性能不足的技术难题,本发明的目的在于,提供一种用于丝锥表面制备ticn涂层的方法,该方法在丝锥表面制备ticn涂层,使得丝锥具有高硬度、低摩擦系数性能,特别适合于丝锥在难加工材料的应用。

为了实现上述任务,本发明采取如下的技术解决方案:

一种用于丝锥表面制备ticn涂层的方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:

1)将高速钢制成的丝锥预处理后放入电弧离子镀膜设备中的转架杆上,该转架杆随转架台转动,或者自转,以保证镀膜过程的均匀性。

2)以ti靶作为制备ticn涂层的ti元素来源,ti靶安置在炉体内壁上,通过电弧电源的电流控制ti靶的溅射率;ti靶共三组,每组三个,共计九个ti靶,以均布的方式安置在炉体内壁上,采用高纯ar作为主要离化气体,保证有效的辉光放电过程;采用高纯n2和高纯ch2作为反应气体,使其离化并与ti元素结合,在丝锥表面沉积形成ticn涂层。

3)制备工艺条件:

a)丝锥等离子体清洗:

丝锥装入真空室后,抽真空并加热到500℃不变,镀膜前,通入30ml/min的ar到真空室,当真空室气压达到6pa时,开偏压至-800v对真空室的丝锥表面进行轰击清洗,持续30分钟;

b)ti底层制备:

丝锥清洗完成后,调节ar流量到10ml/min,将真空室气压调至0.3pa,打开ti靶电弧电源,弧电流100a,调整偏压到-150v,开始在丝锥表面制备ti底层,持续10分钟;

c)tin过渡层制备:

ti底层制备完成后,将偏压调整为-100v,打开n2开关,调整n2流量,使真空室气压为1pa,将ti靶打开,弧电流100a,开始在ti底层上制备tin过渡层,持续20分钟,制备过程中,真空室温度由加热器加热维持500℃不变。

d)ticn涂层制备:

tin过渡层制备完成后,将偏压调整为-80v,打开n2和ch2作开关,调整n2流量和ch2流量比例为2:3,使真空室气压为1pa,将ti靶打开,弧电流100a,开始在tin过渡层上制备ticn涂层,持续30分钟。

e)tin过渡层制备:

ticn涂层制备完成后,关闭ch2开关,将偏压调整为-100v,调整n2流量,使真空室气压维持在1pa,ti靶弧电流100a,继续在ticn涂层上制备tin过渡层,持续20分钟。

f)ticn涂层制备:

tin过渡层制备完成后,将偏压调整为-80v,打开n2和ch2作开关,调整n2流量和ch2流量比例为2:3,使真空室气压为1pa,ti靶弧电流100a,在tin过渡层上继续制备ticn涂层,持续30分钟后结束镀膜过程,即可在丝锥表面获得ticn涂层。

本发明的用于丝锥表面制备ticn涂层的方法,在丝锥表面所制备的ticn涂层为多层结构,即ti/tin/ticn/tin/ticn,其中,ti底层,是为了提高ticn涂层与丝锥的结合力。而在整个的ticn涂层中设计了2层tin过渡层,其主要作用是:

1、减缓涂层中的内应力,防止涂层在使用过程中过早剥落;

2、提高涂层的韧性,防止涂层太脆造成的丝锥崩齿和折断。

这独特的多层结构和pvd沉积工艺既保证了涂层结合力的提高,又保证了涂层耐磨性能、减摩性能和综合强韧性能的改善。

经测定,采用本发明的用于丝锥表面制备ticn涂层的方法,在丝锥表面所制备的ticn涂层,其涂层总厚度为2微米,原子成分含量为ti:52at.%,c:28at.%,n:20at.%,涂层硬度hv3000,在室温干摩擦和对副为gcr15条件下,销盘实验测出涂层的摩擦系数为0.15,具有优良的减摩性能。适合于在难加工材料进行攻丝加工的应用。

附图说明

图1为电弧离子镀膜设备结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本实施例给出一种用于丝锥表面制备ticn涂层的方法,需要说明的是,本发明的用于丝锥表面制备ticn涂层的,在丝锥表面所制备的ticn涂层,可以在任何高速钢材料制备的刀具上进行,并不限于该实施例。

本实施例给出的用于丝锥表面制备ticn涂层的方法,其具体制备过程是:

(1)采用经1170℃淬火,550℃回火后的硬度为hrc=60的丝锥(材料:w18cr4v)作为样品,首先进行预处理,即经表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗,酒精脱水,备用。

(2)将预处理好的样品放入电弧离子镀膜设备中。如图1所示,电弧离子镀膜设备至少包括外加电源偏压1、转台架2、真空室3、转架杆4、ti靶(5、6、7)、供气管道8、加热器9、泵组10。

样品置于转架杆4上,转架杆4可以随转台架2转动,也可以自转,这样就保证了镀膜过程的均匀性。

(3)采用直径100mm的圆形ti靶(5、6、7)作为ti的来源,通过圆形ti靶的弧电源电流控制ti靶的溅射率。如图1所示,圆形ti靶共三组(每组三个,共计九个)以均布的方式安置在炉体内壁上,采用高纯ar作为主要离化气体,保证有效的辉光放电过程;采用高纯n2和ch2作为反应气体,通过供气管道8进入真空室,使其离化并与各靶中的ti元素结合,在样品表面沉积形成ticn涂层。

(4)ticn涂层的优化工艺条件为:

a)丝锥等离子体清洗:

丝锥装入真空室后,抽真空并加热到500℃不变,镀膜前,通入30ml/min的ar到真空室,当真空室气压达到6pa时,开偏压至-800v对真空室的丝锥表面进行轰击清洗,持续30分钟;

b)ti底层制备:

丝锥清洗完成后,调节ar流量到10ml/min,将真空室气压调至0.3pa,打开ti靶电弧电源,弧电流100a,调整偏压到-150v,制备ti底层,持续10分钟。

c)tin过渡层制备:

ti底层制备完成后,将偏压调整为-100v,打开n2开关,调整n2流量,使真空室气压为1pa,将ti靶打开,弧电流100a,开始在ti底层上制备tin过渡层,持续20分钟,镀膜过程中真空室温度由加热器加热维持为500℃。

d)ticn涂层制备:

tin过渡层制备完成后,将偏压调整为-80v,打开n2和ch2作开关,调整n2流量和ch2流量比例为2:3,使真空室气压为1pa,将ti靶打开,弧电流100a,开始在tin过渡层上制备ticn涂层,持续30分钟。

e)tin过渡层制备:

ticn涂层制备30分钟后,关闭ch2开关,将偏压调整为-100v,调整n2流量,使真空室气压维持在1pa,调整ti靶弧电流为100a,继续在ticn涂层上制备tin过渡层,持续20分钟。

f)ticn涂层制备:

tin过渡层制备完成后,将偏压调整为-80v,打开n2和ch2作开关,调整n2流量和ch2流量比例为2:3,使真空室气压为1pa,ti靶弧电流100a,在tin过渡层上继续制备ticn涂层,持续30分钟后结束镀膜过程,即可在丝锥表面获得ticn涂层。

经测定,采用本实施例的用于丝锥表面制备ticn涂层的方法,所制备的ticn涂层总厚度为2微米,原子成分含量为ti:52at.%,c:28at.%,n:20at.%,涂层硬度hv3000,在室温干摩擦和对副为gcr15条件下,销盘实验测出涂层的摩擦系数为0.15,表明ticn涂层具有优良的减摩性能。

将所制备的带有ticn涂层的丝锥用于加工调质钢40crmn工件攻丝测试,使用寿命比未涂层丝锥提高了3倍,用于加工硅含量为8%-12%的铝合金工件攻丝,使用寿命比未涂层丝锥提高了2.5倍,用于加工镍铬铁合金inconel718工件攻丝,使用寿命比未涂层丝锥提高1倍。

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