[实用新型]一种具有PVD涂层的钻头

说明书

技术领域

本实用新型属于表面处理技术领域，涉及一种金属钻头的表面处理技术，特别是涉及一种纳米结构的PVD涂层金属钻头。

背景技术

为了提高金属钻头的耐磨损，目前国内外常采用渗氮、渗金属、电镀、化学镀等方法来强化钻头的表面。但处理工艺存在一定程度的污染，并且硬度低。

物理气相沉积(PVD,physical Vapor Deposition)是在现代物理、化学、材料学、电子学等多学科基础上发展起来的一门先进的工程技术。它是将靶材(所镀薄膜材料)在真空环境下，经过物理过程而沉积在衬底(需镀膜工件)表面的过程。使用物理气相沉积技术在廉价的金属材料表面制造硬质陶瓷涂层是近年来研究的热点，在工具和模具上已经取得了成功的应用，解决了刀具的磨损和耐高温问题。电弧离子镀和磁控溅射是PVD方法中最为常见的硬质陶瓷涂层的制造技术，目前刀具和模具上常用的TiN、CrN等涂层就是采用电弧离子镀技术制造的。但常规电弧离子镀制造的陶瓷涂层如TiN、CrN等其硬度只有渗氮的两倍，耐磨寿命有限，同时不具有润滑性能。在钻头表面使用时具有很大的局限性。

发明内容

为了解决以上问题，本实用新型提出一种经过PVD表面处理的钻头。采用本实用新型的经过PVD表面处理的钻头，可以有效提升金属钻头硬度、耐磨性、和耐高温性能，从而提高金属钻头的使用寿命和产品质量、生产效率。

一种经过PVD表面处理的钻头，其特征在于，包括钻头基体1、由内而外依附在基体1表面的结合层2和依次重复N个周期的调制层 31和功能层32。所述的结合层2为AlCr涂层，其厚度为0.5-0.8um，其中AlCr涂层的Al与Cr的物质的量之比为70：30；所述的调制层 31为AlCr涂层，其厚度为0.16-0.20um，其中AlCr涂层的Al与Cr 物质的量之比为70：30；所述的功能层32为TiSi涂层，其厚度为 0.14-0.16um，其中TiSi涂层中Ti与Si物质的量之比为85：15。所述的依次重复N个周期的调制层31和功能层32中，4≤N≤6，n为自然数。膜层的总厚度(结合层2+调制层31+功能层32)为1.3-2.7um。

一种经过PVD表面处理的钻头，其处理工艺如下：

A、抽真空、加热：首先将基体1材料放置于真空镀膜设备中，调节设备真空度为6*10^-5mbar，加热1h左右，使得温度升高到 460-480℃。

B、清洁基体1：离子轰击，偏置电压为10V，分子泵运行频率从起始抽真空时的100％下降到72％，在设备中同时通入纯度为 99.999％的高纯度氢气(H)和99.999％的高纯度氩气(Ar)，氢气(H) 的流量为50-200sccm，氩气(Ar)的流量为50sccm，通气时间为20-30min。接着，偏置电压设为200V，在设备中通入高纯度氩气(Ar)，氩气(Ar)的流量为50sccm，通气时间为20-30min。

C、镀结合层2：分子泵频率为72％，在设备中充入氮气(N)，使得设备中的压力为2.5*10^-2mbar，单开AlCr70/30靶材，弧电流为150A，偏置电压为40-120V，涂层时间为25-30min。

D、镀调制层31：分子泵频率为72％，在设备中充入氮气(N)，使得设备中的压力为4*10^-2mbar，单开AlCr70/30靶材，弧电流为180A，偏置电压为120V，涂层时间为7-10min。

E、镀功能层32：分子泵频率为72％，在设备中冲入氮气(N)，使得设备中的压力为4*10^-2mbar，单开TiSi85/15靶材，弧电流为200A，偏置电压为40V，涂层时间为7-10min。

F、上述步骤D、步骤F为一组，循环工作4-6个周期，使得膜层的总厚度(结合层2+调制层31+功能层32)为1.3-2.7um。

G、最终出炉前将温度降低至200℃以下。

采用本实用新型的方法制备的涂层的硬度为3100-3500V，结合力采用洛氏硬度计测量可以达到HF1标准，与金属的摩擦摩擦系数为 0.25，耐热温度为1000℃。

由此可见，采用本实用新型的经过PVD处理的钻头，可以有效提升金属钻头硬度、耐磨性、和耐高温性能，从而提高金属钻头的使用寿命和产品质量、生产效率。