[发明专利]一种类金刚石基纳米复合涂层刀具及其制备方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种类金刚石基纳米复合涂层刀具，应用于机械加工行业，属于超硬涂层刀具领域，本发明还提供了上述刀具的制备方法。

背景技术

 随着涂层刀具技术的发展，以超硬刀具应用为基础的高速切削、干切削等绿色加工技术在汽车制造、航空航天、模具工业、电子行业等领域得到广泛的应用。类金刚石（DLC）薄膜硬度高、耐磨损、摩擦系数小，类金刚石涂层刀具耐用度大大提高，工件加工精度和表面质量也大幅度提升，解决了很多难加工材料的加工难题，提高了切削生产率，经济效益显著。

世界各国对类金刚石涂层制备及应用进行了许多有益的尝试，包括离子束沉积、化学气相沉积（CVD）以及物理气相沉积（PVD）方法如阴极电弧沉积(CAD)以及磁控溅射等，其中离子束沉积离子种类和离子能量可控，过滤掉中性粒子，但沉积速率低、设备成本高。CVD方法沉积速率较快，但制备温度较高，对工件的耐温性要求较高，不能适用于普通钢铁材料；CAD方法沉积速率较快，但放电过程中产生大量的液滴难以消除，涂层表面光洁度和耐腐蚀性能受到较大影响，为消除液滴必须进行过滤，导致沉积速率大幅度下降。磁控溅射方法易于大面积成膜，不受基体形状和条件影响，可通过控制等离子体的功率和气压来控制沉积条件。但溅射方法的载能离子与中性粒子的比率较低，难以制备很高硬度的DLC涂层。

作为一种具有高硬度、高弹性模量、高耐磨性和低摩擦系数等一系列优异的性能的涂层，目前得到应用的是CVD类金刚石涂层。其他DLC涂层沉积技术得到产业化的报到还比较少。

发明内容

本发明提供了一种类金刚石基纳米复合涂层刀具，该涂层刀具具有较高的硬度、良好的耐磨和润滑性能。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种类金刚石基纳米复合涂层刀具，至少包括刀具基体，所述的刀具基体上由内至外依次附着有连接层、梯度层和主耐磨层；所述的连接层附着在刀具基体上，连接层为Mo，梯度层附着在连接层上，所述的梯度层为Mo-C层，梯度层中碳含量由内至外逐渐增多；所述的主耐磨层附着在梯度层上，主耐磨层为掺杂有碳化钼的类金刚石涂层，即MoC-DLC层。

所述连接层的厚度为5～50纳米；所述梯度层的厚度50～1000纳米；所述主耐磨层的厚度为1～5微米。

所述的刀具基体的材质为工具钢、高速钢或硬质合金钢。

所述的梯度层中，碳含量由内至外逐渐增多，且渐增多至60at.%。

所述的主耐磨层中，MoC含量为10～30at.%。

本发明中还提供了制备上述类金刚石基纳米复合涂层刀具的方法，在该制备工艺中对刀具基体材质的耐温性要求不高，因此易于产业化推广。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种制备上述类金刚石基纳米复合涂层刀具的方法，包括以下步骤：（1）、将表面洁净的刀具基体装夹在工件架上进行辉光清洗；

（2）、辉光清洗结束后，在Ar气环境、真空度7×10^-3~5×10^-2Pa、100~200℃、-800~-1000V偏压条件下，打开Mo材质空心阴极离子源，在刀具基体上沉积Mo连接层；

（3）、在Ar气、乙炔混合气体环境、真空度1~3.0Pa、100~200℃、-50~-200V偏压条件下，在Mo连接层上沉积Mo-C梯度层；

（4）、在乙炔环境下，在真空度1.0~5.0Pa、100~200℃、偏压-50~-300V条件下，在Mo-C梯度层上沉积MoC-DLC主耐磨层，沉积结束后，自然冷却，即得到类金刚石基纳米复合涂层刀具。

本发明克服了现有的类金刚石涂层制备技术的不足，在各种材质的刀具基体材料上制备Mo掺杂类金刚石基纳米复合材料，通过空心阴极离子源本身提供Mo，通过空心阴极离子源离化效应提供C，通过控制空心阴极离子源电流大小，含碳气体流量来实现类金刚石基复合涂层梯度结构。本发明的方法一方面使类金刚石基复合涂层具有较高硬度；另一方面Mo连接层在高真空下涂覆，残余气体影响小，再加上空心阴极离子源提供高纯度的Mo离子，没有大颗粒金属熔滴影响，确保了涂层在刀具基体上的附着力；此外再加上梯度层Mo-C进一步提高了涂层在刀具基体的附着性能，同时消除了硬度突变而极易出现的涂层崩裂失效。

本发明制备的类金刚石基纳米复合材料硬度高，表面光滑，摩擦系数低，同时沉积温度低，工艺条件方便调节，可重复性高，极易实现大规模工业化。

附图说明