[發(fā)明專利]一種超硬納米晶TiN-CN-DLC梯度復(fù)合涂層合金鉆頭及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310061358.0
• 申請日: 2013-02-27
• 公開（公告）號: CN103056425A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊兵;陳燕鳴;王如意;劉輝東
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: B23B51/00
• 分類號: B23B51/00;C23C14/06;C23C14/35;C23C14/32
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超硬納米晶TiN-CN-DLC梯度復(fù)合涂層合金鉆頭及其制備方法。

背景技術(shù)

孔加工在金屬切削加工中占有重要地位，一般約占機械加工量的1/3。其中鉆孔約占22%～25%，其余孔加工約占11%～13%。我國2011年孔加工刀具的產(chǎn)量約占刀具產(chǎn)品總產(chǎn)量的51.38%，產(chǎn)值約占刀具產(chǎn)品總產(chǎn)值的45.52%。由于孔加工條件苛刻的緣故，孔加工刀具的技術(shù)發(fā)展要比車、銑類刀具遲緩一些，許多機械加工部門至今仍采用高速鋼麻花鉆。近些年來，隨著中、小批量生產(chǎn)越來越要求生產(chǎn)的高效率、自動化以及加工中心的飛躍發(fā)展與普及，也促進了孔加工刀具技術(shù)有所發(fā)展。

高速鋼孔加工刀具（合金鉆頭）仍是孔加工刀具中的主要部分。據(jù)原民主德國85年的統(tǒng)計資料，高速鋼鉆鏜削刀具的產(chǎn)值占所有鉆鏜削刀具產(chǎn)值的79.8%，而硬質(zhì)合金鉆鏜削刀具占20%，陶瓷刀具和超硬材料刀具各占0.1%。高速鋼麻花鉆至今仍是金屬切削刀具中使用量最大的刀具之一。例如，在德國機械加工中每年約消耗5000萬支麻花鉆，這些麻花鉆的直徑絕大部分為φ6～14mm。而我國的高速鋼麻花鉆年產(chǎn)量已達到3億支，年產(chǎn)值約占刀具產(chǎn)品年總產(chǎn)值的36%。高速鋼麻花鉆在生產(chǎn)中已應(yīng)用了幾十年，其基本形狀沒有改變。麻花鉆在鉆削過程中存在的問題是：主切削刃上各點處前角值相差十分懸殊；橫刃長，軸向力大；鉆頭各處切削速度不同；刃帶后角為零與孔壁產(chǎn)生摩擦，加快磨損等。為此，必須針對這些問題改進，但徹底消除是困難的。

我國機械加工業(yè)正朝著高速、高效和高精密切削的方向發(fā)展。隨著我國汽車、航空和模具等制造業(yè)的發(fā)展，高效數(shù)控機床（如加工中心等）迅速普及，各種高硬度、高韌性難切削加工材料不斷涌現(xiàn)，對鉆頭提出了更高要求。普通鉆頭加工難加工材料時，很容易由于磨損失效導(dǎo)致加工工件損壞，大幅度提高了加工企業(yè)的制造成本。涂層是實現(xiàn)鉆頭高性能化的重要技術(shù)手段，TiN是最先被廣泛使用的硬質(zhì)鉆頭涂層材料。當(dāng)今工業(yè)發(fā)達國家TiN涂層鉆頭已達到90%以上，由于TiN涂層性能優(yōu)越，工藝過程又符合“綠色制造業(yè)”理念，可以預(yù)期在21世紀前期仍有較大的發(fā)展空間。隨著技術(shù)的進步，人們對涂層的綜合性能要求越來越高，并且對不同服役條件的產(chǎn)品，其主要失效抗力指標(biāo)要求不盡相同，應(yīng)該有不同性能特點的涂層與之相適應(yīng)，以增加涂層多樣性的選擇。單一TiN涂層由于硬度低（20GPa），在加工高硬度材料和其他難加工材料時耐磨性較差，為此需要開發(fā)新型的鉆頭涂層材料。

納米化是目前涂層材料領(lǐng)域研究的熱點，將粗晶粒的TiN涂層納米化形成納米TiN,不但可以大幅度提高其硬度，同時其耐磨性會大幅度提高。氮化碳（CN）薄膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)和高熱穩(wěn)定性的特點，是一種最新型的超硬材料，其理論硬度接近金剛石，有望在在某些場合取代金剛石材料。氮化碳材料最顯著的特點就是其容易非晶化，為此可將CN作為摻雜相，讓TiN材料納米化，形成新型的超硬TiN/CN納米復(fù)合涂層材料。此外，類金剛石膜（DLC）是一種主要是由sp²鍵和sp³鍵組成的混合無序的亞穩(wěn)態(tài)的非晶碳膜，分為含氫非晶碳膜(a-C:H)和無氫非晶碳膜(a-C)。具有低摩擦系數(shù)、高硬度、高彈性模量、高耐磨性和熱導(dǎo)率,?良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗腐蝕能力等一系列獨特的性能。80年代以來，一直是全世界研究的熱點。在將TiN納米化提高硬度的基礎(chǔ)上，本專利在TiN/CN復(fù)合涂層之上，進一步降低其摩擦系數(shù)，構(gòu)建新型的復(fù)合到TiN/CN-DLC復(fù)合涂層材料。將其制備到合金鉆頭表面，不但可以大幅度提高涂層的硬度，同時還可以大幅度提高其潤滑性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供了一種超硬納米晶TiN-CN-DLC梯度復(fù)合涂層合金鉆頭及其制備方法。

本發(fā)明產(chǎn)品的技術(shù)方案是：在合金鉆頭的基體表面依次有由結(jié)合層、過渡層、耐磨層、減磨層構(gòu)成的復(fù)合涂層，且：結(jié)合層為Ti層；過渡層為TiN層；耐磨層為TiN-CN層；減磨層為DLC層。

作為優(yōu)選項：

所述復(fù)合涂層的厚度為3.9-7.2微米，其中結(jié)合層厚度為100-200納米；過渡層厚度為1000-2000納米；耐磨層厚度為2000-4000納米；減磨層厚度為800-1000納米。

所述耐磨層中包含有TiN納米晶和非晶CN，其中TiN納米晶尺寸為5-50納米，非晶CN層厚度為0.1-2nm。

本發(fā)明的制備方法的技術(shù)方案是：由下述步驟依次形成：