一种超细晶硬质合金工具及其表面纳米复合膜层制备方法

摘要

一种超细晶硬质合金工具及其表面纳米复合膜层制备方法，属于金属材料和机械加工技术领域。其特征是提供一种用纳米复合膜层表面改性的超细晶硬质合金工具，该膜层是用电弧离子镀方法制备的掺杂氮化锆纳米晶的类金刚石膜层，它与WC晶粒为0.1-0.3微米的超细晶WC-Co硬质合金微钻、打印针头、铣刀以及模具等工具基材一起构成了高性能的工具体系。本发明的效果和益处是使超细晶硬质合金工具具有高于40GPa的表面硬度和高于500℃的热稳定性，以及低于0.1的摩擦系数，能够大幅度提高加工质量和工具使用寿命。特别适用于机械加工的精加工技术领域。

权利要求

一种超细晶硬质合金工具，由硬质合金工具基材和其表面的纳米复合膜层构成，其特征在于：硬质合金工具基材是WC的平均晶粒尺寸为0.1μm-0.3μm的超细晶WC-Co硬质合金，表面的纳米复合膜层是掺杂氮化锆纳米晶的类金刚石膜层，膜层的厚度为0.1μm-5μm，氮化锆的掺杂含量为重量百分比45％-95％。

2. 根据权利要求1所述的一种超细晶硬质合金工具，其特征在于：所述的工具是直径1. 2mm-0. 1mm的加工集成电路板和印刷线路板导通孔的超细晶硬质合金微型钻头。

3. 根据权利要求1所述的一种超细晶硬质合金工具，其特征在于：所述的工具是直径 为1. Omm-0. 1mm的点阵打印机的超细晶硬质合金打印针头。

4. 根据权利要求1所述的一种超细晶硬质合金工具，其特征在于：所述的工具是超细 晶硬质合金模具。

5. 根据权利要求1所述的一种超细晶硬质合金工具，其特征在于：所述的工具是超细 晶硬质合金铣刀。

6. 根据权利要求1所述的一种超细晶硬质合金工具，其特征在于：所述的工具是超细晶硬质合金牙钻。

7. —种超细晶硬质合金工具的表面纳米复合膜层制备方法，是用电弧离子镀技术 在超细晶硬质合金工具表面沉积掺杂氮化锆纳米晶的类金刚石膜层的制备方法，其工艺 过程是将超细晶硬质合金工具经超声清洗并烘干处理后，放置于电弧离子镀真空室的载 物卡具上，由真空系统将真空室真空抽到5X10—2Pa_5X10—卞a;之后充入惰性气体氩到 0. 8Pa-4Pa并加幅值为600V-1500V的偏压引发辉光等离子体开始对工具表面进行溅射清 洗5min-10min ;然后将氩气压降低到0. 3Pa_0. 8Pa，启动阴极靶电弧，调整弧流，调整偏压， 通入反应气体开始进行镀膜过程，时间为20min-60min ;再经过充分炉冷后放掉真空取出 已镀膜的工具；其特征在于：所述的启动阴极靶电弧为启动石墨靶和纯锆靶电弧；调整弧 流为调整石墨耙弧流为40A-120A，纯锆耙弧流为60A-120A ;调整偏压是调整脉冲偏压，其 中幅值为300V-1000V、频率为5kHz-40kHz、占空比为5% -50% ;通入反应气体为通入氮气， 氮气分压为0. 3Pa-0. 8Pa。

说明书

一种超细晶硬质合金工具及其表面纳米复合膜层制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料和机械加工技术领域，涉及一种超细晶硬质合金工具及其表面纳米复合膜层制备方法。 背景技术

[0002] 自上个世纪80年代美国的Multi-Arc公司和Vac-Tech公司把TiN薄膜成功地应 用到刀具表面涂层上以来，工具硬质镀层技术已经走过了近30年的历程。在此期间，为了 不断满足机加业向更加高速和连续化生产方向发展以及在更加苛刻条件下使用的需求，工 具基材从最初的低合金工具钢、高速工具钢逐渐全面过渡到硬质合金，而与此相适应，硬质 膜层材料也从最初的第一代TiN，过渡到第二代的TiCN、 TiAlN等，最终发展到今天的花样 繁多的多组元复合膜和多层膜体系。硬质膜层与基材的适应匹配是工具硬膜涂层技术发展 的主题之一，正是二者相辅相成匹配发展，构成了性能不断完善的工具体系，对现代机械加 工业起到了极为重要的推动作用。近年来，一个较特殊的加工种类，即微细加工业随着微 机械制造、航空航天和信息等产业的快速发展而越来越显现出它的强大需求，其特点是加 工更加快速、连续、加工材料更加复杂，尤其是加工尺度很小，以最具代表性的加工集成电 路板（PCB)导通孔的微型钻头和点阵打印机的打印针头为例，加工直径越来越小，孔径由 1. Omm、0. 80mm—直发展到0. 05mm。与此同时，更加高速的干切削、少/无冷却液切削和微润 滑切削，以及更加精密快速的冷作模具成形加工的需求也出现急剧扩大的趋势，采用普通 的硬质合金作为工具基材，材料的整体强度、刚度、韧性以及减摩性能都已经不能满足新形 势下的加工要求。研究表明，用晶粒细化的方法可以大幅度提高硬质合金的性能，当WC-Co 硬质合金中WC硬质相的晶粒尺寸小于0. 4 ii m时，材料的基本单元尺度进入纳米范围，成为 颗粒增强型纳米复合材料，性能发生显著变化，即合金的抗弯强度显著增加（WC-10% Co可 达到4000MPa以上），硬度也明显提高（WC-10% Co可达到HRA92. 5以上），使得耐磨性能 大幅度提高。当其WC晶粒进一步细化到0. 3 ii m以下时，该类硬质合金被称为超细晶硬质 合金，它的综合性能得到进一步提高，除了拥有高抗弯强度以外，主要性能指标如表面纳米 硬度已高于20GPa，摩擦系数已低于0. 2。然而通过晶粒细化来提高其性能有其限度，当晶 粒尺度达到WC的极限后，工具的性能不再因晶粒因素而提高，因此在工具表面进行镀层处 理就成为进一步提高超细晶硬质合金工具的唯一途径。但问题在于在现有的传统硬质膜层 中，如TiN、ZrN、TiAlN、TiCN等，由于它们的硬度一般在都在20-24GPa左右，而摩擦系数更 多的都高于0. 2，即与基材相比，涂层本身性能并不占多大优势，因此在超细晶硬质合金表 面沉积这些膜层，不但不能进一步提高硬质合金的综合性能，有时还起到相反的作用。此 外，虽然一些多元复合膜和纳米多层膜的硬度都很高，可达到35GPa以上，但由于化学惰性 等因素决定的摩擦系数也很难低于0. 1，因此也不太适合用于超细晶硬质合金工具的表面 改性用膜。发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种用非晶_纳米晶复合膜层表面改性了的超 细硬质合金工具，该表面改性膜层与超细晶硬质合金工具基材一起，构成刚度、韧性、硬度、 减摩性能均具有较高水平的工具体系，该工具拥有高抗磨性和抗高温性能，能提高加工质 量和工具使用寿命，提高加工效率并大幅度降低生产成本。[00CH] 本发明的科学依据是：碳基类金刚石（Diamond-Like Carbon, DLC)薄膜是一种主 要由邓3和邓2杂化键组成的混杂非晶态碳基薄膜材料，因其具有诸多与金刚石相似的性能 而命名为类金刚石，更为可贵的是，在众多硬膜材料体系中，DLC薄膜是少数具有很低摩擦 系数（一般条件下低于O. 1)的硬膜材料之一，这与碳基材料的理化属性有关。但是DLC却 不能直接用来作为与高品质硬质合金相匹配的涂层材料，原因在于， 一方面DLC薄膜在生 长过程中产生较大的内应力，使薄膜过早崩落；另一方面，DLC薄膜的热稳定性较差，在高 于约350 °C的温度下即开始出现石墨化及氧化现象；此外，在硬质合金上制备DLC时，作为 粘结相的Co对碳有很高的固溶度，致使DLC不易形核；同时Co在类金刚石沉积过程中促进 石墨的形成，也会导致DLC薄膜的性能大幅下降。

[0005] 对碳基非晶DLC薄膜进行用氮化锆的纳米晶进行弥散掺杂改性，能使之在保持低 摩擦系数的前提下提高强度、改善内应力并提高热稳定性，可成为与超细晶硬质合金相匹 配的理想材料。因为在这种结构中，通过弥散分布的纳米晶氮化锆的作用，将对DLC基体的 网格结构产生影响，从而生成二维的纳米团簇阵列或纳米尺度的作用微区，可抑制位错滑 移和晶界滑移、增强材料整体的强度，直接带来的潜在改性效果是进一步提高强度、降低应 力、增加热稳定性，更主要的是由于材料的基体是碳，因此还会具有很好的减摩性能。 [0006] 为了实现上述材料设想，可使用电弧离子镀分离靶技术，因为它可以将沉积DLC 薄膜和沉积ZrN薄膜的工艺合二为一，制备出在非晶碳基DLC均匀掺杂ZrN纳米晶的 nc-ZrN/a-C复合薄膜。具体地就是使用电弧离子镀设备，在不同的阴极靶上一部分安装沉 积DLC所需的纯石墨，而另一部分安装沉积ZrN所需的金属锆，并用送气系统通入反应气体 N2，由于N与Zr的化学亲和力远大于N与C间的亲和力，以及C的晶化势垒很高，而ZrN的 晶化势垒很低，因此沉积产物自然形成掺杂有晶化ZrN相的非晶碳基DLC薄膜，由于电弧 离子镀的沉积过程的远离平衡态特征，得到的ZrN的晶粒尺度自然在纳米范围。用此方法 的最大优点是，通过调控两个靶弧电流Ic/I&的不同匹配，可以很方便地改变ZrN的掺杂含 量，而不必冶炼大量的合金靶。 [0007] 本发明的技术解决方案是：

[0008] —种超细晶硬质合金工具，由硬质合金工具基材和其表面的纳米复合膜层构成， 其特征在于：硬质合金工具基材是WC的平均晶粒尺寸为0. 1 m-0. 3 m的超细晶WC-Co 硬质合金，表面的纳米复合膜层是掺杂氮化锆纳米晶的类金刚石膜层，膜层的厚度为 0. 1 li m_5 li m。

[0009] 所述的一种超细晶硬质合金工具，其特征在于：所述的表面的纳米复合膜层是掺 杂氮化锆纳米晶的类金刚石膜层，氮化锆纳米晶的掺杂含量为重量百分比45% -95%。 [0010] 所述的一种超细晶硬质合金工具，其特征在于：所述的工具是直径1. 2mm-0. 1mm 的加工集成电路板和印刷线路板导通孔的超细品硬质合金微型钻头；

[0011] 所述的一种超细晶硬质合金工具，其特征在于：所述的工具是直径为41. Omm-0. 1mm的点阵打印机的超细晶硬质合金打印针头。

[0012] 所述的一种超细晶硬质合金工具，其特征在于：所述的工具是超细晶硬质合金模具，模具的长度为5mm-150mm。

[0013] 所述的一种超细晶硬质合金工具，其特征在于：所述的工具是超细晶硬质合金铣刀，铣刀的直径为3mm-20mm。

[0014] 所述的一种超细晶硬质合金工具，其特征在于：所述的工具是超细晶硬质合金牙钻，牙钻的直径为5mm-10mm。

[0015] —种超细晶硬质合金工具的表面纳米复合膜层制备方法，是用电弧离子镀技术在超细晶硬质合金工具表面沉积掺杂氮化锆纳米晶的类金刚石膜层的制备方法，其工艺过程是将超细晶硬质合金工具经超声清洗并烘干处理后，放置于电弧离子镀真空室的载物卡具上，由真空系统将真空室真空抽到5X10—2Pa_5X10—卞a;之后充入惰性气体氩到0. 8Pa-4Pa并加幅值为600V-1500V的偏压引发辉光等离子体开始对工具表面进行溅射清洗5min-10min ;然后将氩气压降低到0. 3Pa_0. 8Pa，启动阴极靶电弧，调整弧流，调整偏压，通入反应气体开始进行镀膜过程，时间为20min-60min ;再经过充分炉冷后放掉真空取出已镀膜的工具；其特征在于：所述的启动阴极靶电弧为启动石墨靶和纯锆靶电弧；调整弧流为调整石墨耙弧流为40A-120A，纯锆耙弧流为60A-120A ;调整偏压是调整脉冲偏压，其中幅值为300V-1000V、频率为5kHz-40kHz、占空比为5% -50% ;通入反应气体为通入氮气，氮气分压为0. 3Pa-0. 8Pa。

[0016] 本发明的效果和益处是用电弧离子镀分离靶技术将沉积DLC膜层和沉积ZrN膜层的工艺合二为一，在超细晶硬质合金工具基材上制备出在非晶碳基DLC膜层中弥散镶嵌有ZrN纳米晶的nc-ZrN/a-C复合膜层，使改性后的工具表面纳米硬度高于40GPa、摩擦系数低于0. 1、热稳定性高于50(TC，使工具膜/基体系达到优化匹配从而拥有高抗磨性和高温性能，能提高加工质量和工具使用寿命，提高加工效率并大幅度降低生产成本。适用于机械加工的精加工技术领域。

具体实施方式

[0017] 以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。[0018] 实施例1 :

[0019] 将超细晶硬质合金微钻经过清洗干燥等前处理后，放置于电弧离子镀设备真空室的载物卡具上，在阴极弧源位置上一部分安装纯石墨靶，一部分安装纯锆靶，抽真空到5X10-3Pa，通氩气到l.OPa，加-800VX 20kHz X 40 %的脉冲偏压引发辉光等离子体，用等离子体中的离子对微钻进行溅射清洗处理10分钟；然后降偏压幅值到_300V，降低氩气压到0. 8Pa，启动石墨靶和锆靶阴极电弧，石墨靶弧流为50A，锆靶弧流到80A，然后通入氮气，氮气分压为0. 5Pa，开始沉积掺杂氮化锆纳米晶的DLC类金刚石薄膜，时间为40分钟；到时后进行卸偏压、停弧、停气、维持真空进行炉冷1小时，最后放掉真空取出已镀膜的微钻。如此在微钻表面沉积合成厚度为1微米的nc-ZrN/a-C非晶纳米晶复合膜层，使微钻表面纳米硬度大于40GPa，摩擦系数低于0. l，热稳定性高于500°C。[0020] 实施例2 :

[0021] 将内孔直径为50mm的①100 X 50mm超细晶硬质合金挤压模具经过清洗干燥等前处理后，放置于电弧离子镀设备真空室的载物卡具上，在阴极弧源位置上一部分安装纯石墨革巴， 一部分安装纯锆靶，抽真空到5 X 10—3Pa，通氩气到1. 0Pa，加-800VX 20kHz X 40 %的脉冲偏压引发辉光等离子体，用等离子体中的离子对模具进行溅射清洗处理10分钟；然后降偏压幅值到-500V,降低氩气压到0. 8Pa，启动石墨靶和锆靶阴极电弧，石墨靶弧流为40A，锆靶弧流到IOOA，然后通入氮气，氮气分压为0. 6Pa，开始沉积掺杂有氮化锆纳米晶的DLC类金刚石薄膜，时间为60分钟；到时后进行卸偏压、停弧、停气、维持真空进行炉冷1小时，最后放掉真空取出已镀膜的模具。如此在模具内、外表面沉积合成厚度为2微米的nc-ZrN/a-C非晶纳米晶复合膜层，使模具表面纳米硬度大于40GPa，摩擦系数低于0. l，热稳定性高于5Q(TC。