[發明專利]一種超強韌、低摩擦碳基刀具涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201811089590.4
• 申請日: 2018-09-18
• 公開（公告）號: CN109023243B
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 鄒長偉;田燦鑫;王澤松;李松權
• 申請（專利權）人: 嶺南師范學院
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/16;C23C14/34;C23C14/35
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 劉瑤云;陳偉斌

本發明涉及一種超強韌、低摩擦碳基刀具涂層及其制備方法，所述涂層從刀具基體到表面依次包含Ti轟擊層、TiN結合層、TiCN過渡層、nc?TiC/GLC功能層和非平衡態能量積累ne?TirC/GLC表面層。所述Ti轟擊層的厚度為0.1～0.5μm，所述TiN結合層的厚度為0.2～0.7μm，所述TiCN過渡層的厚度為0.3～1.2μm，所述nc?TiC/GLC功能層的厚度為1～3μm，所述ne?TirC/GLC表面層的厚度為30～80 nm。本發明提供的刀具涂層具有硬度高、摩擦系數低、結合強度高、內應力高、切削效果好的特點，沉積涂層刀具適用于高速條件下的鋁合金材料切削加工，刀具壽命可提高8倍以上。

技術領域

本發明涉及涂層制備技術，具體地，涉及一種超強韌、低摩擦碳基刀具涂層及其制備方法。

背景技術

汽車上很多主要零部件如發動機缸體、缸蓋及輪轂普遍均使用鋁合金。應用如此廣泛的鋁合金，在切削加工時卻面臨一些難題，如加工易粘結、熔點低、強度較小、抗塑性變性能力差且熱膨脹系數較大等特點使鋁合金成為難加工材料之一。當前切削鋁合金使用較多的刀有高速鋼刀具、硬質合金刀具、金剛石刀具、陶瓷刀具及涂層刀具等，而目前在國內使用更多的是經濟性更好的高速鋼刀具，但高速鋼刀具的高溫硬度、抗磨損、易粘結等性能已很難滿足現代切削要求。硬質合金刀具兼具一定的硬度與抗磨損能力，在鋁合金的加工方面使用率逐漸升高，但其脆性稍大、除YG類，YW、YT類中含有的Ti C對切削鋁合金時增加粘刀的可能，對硬質合金刀具的應用有一定的限制。金剛石刀具分為單晶金剛石(PCD)及聚晶金剛石(MCD)刀具，超高的硬度、高導熱性及低的摩擦系數，同時碳與鋁的不親和，減輕粘鋁，提高刀具的耐磨性能，使其在加工鋁合金時表現出明顯更優越的切削性能，但金剛石刀具脆性大及昂貴的價格使其運用范圍大大降低。陶瓷刀具超高硬度的同時脆性大，粘鋁導致的刀具振動或鋁中的硬質相均可能導致刀具失效。基于以上鋁合金加工刀具材料的情況，尋找一種加工鋁合金時切削效率高、經濟性能良好的刀具成為當前工具行業的熱點。

碳基涂層如類金剛石和類石墨烯涂層具有優異的硬度、摩擦系數、熱導率、硬度、熱穩定性，作為涂層刀具在切削鋁合金時，突出的特點是可以抑制積削瘤的形成，且被加工工件表面質量好。碳基涂層與鋁不親和，減輕鋁的粘結，在切削鋁合金時有很好的發展空間，但是在制備碳基涂層時共同的缺點是內應力高，熱穩定性不足。高內應力導致膜基結合力差，沉積的涂層超過1um后就會出現掉膜甚至自動脫落的現象，若使用在刀具基體上很可能將直接導致刀具失效。

因此，很有必要研發一種硬度高、摩擦系數低、內應力低以及使用壽命長的刀具涂層。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種超強韌、低摩擦碳基刀具涂層，本發明提供的涂層具有硬度高、摩擦系數低、結合強度高、內應力低的特點，沉積涂層刀具適用于高速條件下的鋁合金料切削加工。

本發明的另一目的在于提供上述涂層的制備方法。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種超強韌、低摩擦碳基刀具涂層，所述涂層從刀具基體到表面依次包含Ti轟擊層、TiN結合層、TiCN過渡層、nc-TiC/GLC功能層和非平衡態能量積累ne-TiC/GLC表面層。

在本發明中，所述Ti轟擊層的作用為改善刀具表面質量，增加涂層附著力；TiN結合層的作用在于改善整體涂層結合力；TiCN過渡層的作用在于改善涂層韌性及強度，降低內應力；所述nc-TiC/GLC功能層為納米晶CrC鑲嵌類石墨烯非晶碳結構組成，其作用為改善涂層的硬度及摩擦系數；所述表面層采用載能粒子束原位轟擊功能層促進非平衡態及能量積累生成。

在本發明中，所述ne-TiC/GLC表面層的結構為納米復合結構或者非晶石墨烯結構，可以通過調節離子源電壓，偏壓及高功率脈沖磁控濺射電源電壓控制。