CN118222986A - 一种用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法。本申请提供了本申请提供了一种用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，包括以下步骤：S1、对刀具待镀膜表面进行抛光和清洗；S2、将钛粉和铝粉按照4~9:1的质量比混合，而后用粉末冶金方式制成靶材电极；S3、以步骤S2得到的靶材电极，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备，对步骤S1抛光和清洗后的刀具待镀膜表面，进行等离子喷涂镀膜处理，完成高密度涂层的镀膜；所述等离子喷涂采用高电流近距喷涂的方式。本申请能够在加工刀具表面镀致密复合强化涂层，使刀具在高温条件下仍具有较好的表面硬度，有效提高刀具在加工高温材料时的使用寿命。
Description
技术领域
本申请涉及金属表面镀膜技术领域，尤其涉及一种用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法。
背景技术
机械加工是使用机加工设备，对工件进行外形尺寸和结构性能加工的加工方式。随着现代机械加工技术快速发展，机加工设备也越来越先进，目前的机加工设备以各种数控机床为主。刀具是机加工设备中，用于对工件进行切削加工的工具，主要有车刀、铣刀和镗刀等；机加工设备的刀具通常具有较高的表面硬度，整体强度也较高。机加工设备的刀具属于易耗品，通常使用寿命较短，特别是用于金属材料切削加工的刀具，较易磨损，使用寿命通常在数小时至数十小时不等。
机加工刀具在制造时，为了延长使用寿命，保证加工精度，通常会对刀具表面进行镀膜强化处理，通过在表面镀高硬度涂层，提高刀具的表面硬度。常用的刀具镀膜工艺主要有物理气相沉积和化学气相沉积两种。物理气相沉积法常用于在硬质合金刀具上镀膜，该法需要在高温条件下进行，工艺温度通常在500℃以上，能耗较高，而且镀膜时易改变刀具的金相组织结构。化学气相沉积法对环境友好，适合于进行三元或多元亚稳定薄膜的镀膜，其淀积温度相对较低，通常在500℃以内，不会破坏刀具的金相组织。但是化学气相沉积法进行镀膜，涂层的膜基结合力相对于物理气相沉积法更低，镀膜的涂层容易脱落。
目前，刀具镀膜通常使用钛作为镀膜靶材，镀膜后在刀具表面形成Ti-N立方晶体涂层。该涂层具有较大的表面硬度，可以有效提高刀具的使用寿命，有效保证加工精度。但是，上述镀膜方式形成的涂层，高温耐受性相对较差，无法满足高温材料加工的需要。
发明内容
为了解决上述至少一种技术问题，开发一种能够在加工刀具表面镀致密复合强化涂层，使刀具在高温条件下仍具有较好的表面硬度，有效提高刀具在加工高温材料时的使用寿命的表面镀膜工艺，本申请提供一种用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法。
本申请提供了一种用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，包括以下步骤：S1、对刀具待镀膜表面进行抛光和清洗；
S2、将钛粉和铝粉按照4～9:1的质量比混合，得到混合粉料，而后用粉末冶金的方式，制成靶材电极；
S3、以步骤S2得到的靶材电极，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备，对步骤S1抛光和清洗后的刀具待镀膜表面，进行等离子喷涂镀膜处理，完成高密度涂层的镀膜；
所述等离子喷涂参数为：电压：100～120V；电流：650～850A；喷涂距离：30～50mm；工作气体为氮气，流量：60～100L/h；涂层厚度不大于4μm。
通过采用上述技术方案，本申请以特定配比的钛和铝作为镀膜靶材，以氮气作为工作气体，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备在刀具表面镀膜，形成Ti-N立方晶体和Al-N立方晶体的复合涂层，不但有效增强了刀具的表面硬度，而且使刀具在高温条件下仍具有较高的表面硬度；本申请采用特定的等离子喷涂参数，得到的镀膜涂层较为致密，膜基结合力也较大，涂层不易脱落，有效延长了刀具在加工高温材料时的使用寿命。
可选的，所述步骤S1中，需将刀具待镀膜表面粗糙度抛光至0.5μm以内。
可选的，所述步骤S1中，所述清洗采用无水乙醇超声清洗。
进一步可选的，所述步骤S1中，所述超声清洗时间控制在15～30min。
可选的，所述步骤S2中，钛粉和铝粉的粒径控制在50～100nm。
可选的，所述步骤S2中，钛粉和铝粉按照5～6:1的质量比混合。
进一步可选的，所述步骤S2中，钛粉和铝粉采用研磨混合的方式混合。
可选的，所述等离子喷涂参数为：电压：100～120V；电流：750～800A；喷涂距离：35～40mm；工作气体为氮气，流量：70～80L/h。
可选的，所述涂层厚度为2.5～4μm。
可选的，所述步骤S3中，等离子喷涂镀膜处理分两步进行，首次镀膜厚度1～1.5μm，第二次镀膜至涂层厚度。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请以特定配比的钛和铝作为镀膜靶材，以氮气作为工作气体，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备在刀具表面镀膜，形成Ti-N立方晶体和Al-N立方晶体的复合涂层，不但有效增强了刀具的表面硬度，而且使刀具在高温条件下仍具有较高的表面硬度。
2.本申请采用特定的等离子喷涂参数，得到的镀膜涂层较为致密，膜基结合力也较大，涂层不易脱落，有效延长了刀具在加工高温材料时的使用寿命。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
本申请提供了一种用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，包括以下步骤：S1、对刀具待镀膜表面进行抛光和清洗；
S2、将钛粉和铝粉按照4～9:1的质量比混合，得到混合粉料，而后将混合粉料用粉末冶金的方式，制成靶材电极；
S3、以步骤S2得到的靶材电极，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备，对步骤S1抛光和清洗后的刀具待镀膜表面，进行等离子喷涂镀膜处理，完成高密度涂层的镀膜；
所述等离子喷涂参数为：电压：100～120V；电流：650～850A；喷涂距离：30～50mm；工作气体为氮气，流量：60～100L/h；涂层厚度不大于4μm。
本申请通过高能量密度脉冲等离子喷涂，以钛和铝作为靶材，在刀具表面形成氮化钛和氮化铝构成的复合镀膜涂层，且本申请采用了特定的喷涂参数，等离子喷涂的能量密度较高，喷涂距离较小，形成的镀膜涂层极为致密，具有较高的硬度和耐高温性能。
以下为本申请的实施例
本申请实施例和对比例的工作气体采用纯度99.997％的氮气；镀膜刀具选用高速钢材质的铣刀。
实施例1～6
本申请实施例1～6的靶材，采用粒径150～200nm的钛粉和铝粉，纯度不低于99.5％。
实施例1
本实施例的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，包括以下步骤：
S1、对刀具待镀膜表面进行抛光处理，处理至表面粗糙度1μm以内，而后用无水乙醇冲洗3次，得到抛光清洗后的刀具；
S2、将钛粉和铝粉按照4:1的质量比充分混合，得到混合粉料，而后将混合粉料用粉末冶金的方式，制成靶材电极；
S3、以步骤S2得到的靶材电极，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备，对步骤S1抛光和清洗后的刀具待镀膜表面，进行等离子喷涂镀膜处理，完成高密度涂层的镀膜。
所述等离子喷涂参数为：电压：100V；电流：650A；喷涂距离：50mm；工作气体为氮气，流量：60L/h；涂层厚度4μm。
实施例2
本实施例的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，包括以下步骤：
S1、对刀具待镀膜表面进行抛光处理，处理至表面粗糙度1μm以内，而后用无水乙醇冲洗3次，得到抛光清洗后的刀具；
S2、将钛粉和铝粉按照4:1的质量比混合，得到混合粉料，而后将混合粉料用粉末冶金的方式，制成靶材电极；
S3、以步骤S2得到的靶材电极，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备，对步骤S1抛光和清洗后的刀具待镀膜表面，进行等离子喷涂镀膜处理，完成高密度涂层的镀膜。
所述等离子喷涂参数为：电压：120V；电流：850A；喷涂距离：50mm；工作气体为氮气，流量：100L/h；涂层厚度4μm。
实施例3
本实施例的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，包括以下步骤：
S1、对刀具待镀膜表面进行抛光处理，处理至表面粗糙度1μm以内，而后用无水乙醇冲洗3次，得到抛光清洗后的刀具；
S2、将钛粉和铝粉按照4:1的质量比混合，得到混合粉料，而后将混合粉料用粉末冶金的方式，制成靶材电极；
S3、以步骤S2得到的靶材电极，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备，对步骤S1抛光和清洗后的刀具待镀膜表面，进行等离子喷涂镀膜处理，完成高密度涂层的镀膜。
所述等离子喷涂参数为：电压：110V；电流：750A；喷涂距离：35mm；工作气体为氮气，流量：70L/h；涂层厚度4μm。
实施例4
本实施例的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，包括以下步骤：
S1、对刀具待镀膜表面进行抛光处理，处理至表面粗糙度1μm以内，而后用无水乙醇冲洗3次，得到抛光清洗后的刀具；
S2、将钛粉和铝粉按照4:1的质量比混合，得到混合粉料，而后将混合粉料用粉末冶金的方式，制成靶材电极；
S3、以步骤S2得到的靶材电极，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备，对步骤S1抛光和清洗后的刀具待镀膜表面，进行等离子喷涂镀膜处理，完成高密度涂层的镀膜。
所述等离子喷涂参数为：电压：120V；电流：800A；喷涂距离：40mm；工作气体为氮气，流量：80L/h；涂层厚度4μm。
实施例5
本实施例的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，包括以下步骤：
S1、对刀具待镀膜表面进行抛光处理，处理至表面粗糙度1μm以内，而后用无水乙醇冲洗3次，得到抛光清洗后的刀具；
S2、将钛粉和铝粉按照5:1的质量比混合，得到混合粉料，而后将混合粉料用粉末冶金的方式，制成靶材电极；
S3、以步骤S2得到的靶材电极，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备，对步骤S1抛光和清洗后的刀具待镀膜表面，进行等离子喷涂镀膜处理，完成高密度涂层的镀膜。
所述等离子喷涂参数为：电压：120V；电流：800A；喷涂距离：40mm；工作气体为氮气，流量：80L/h；涂层厚度4μm。
实施例6
本实施例的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，包括以下步骤：
S1、对刀具待镀膜表面进行抛光处理，处理至表面粗糙度1μm以内，而后用无水乙醇冲洗3次，得到抛光清洗后的刀具；
S2、将钛粉和铝粉按照6:1的质量比混合，得到混合粉料，而后将混合粉料用粉末冶金的方式，制成靶材电极；
S3、以步骤S2得到的靶材电极，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备，对步骤S1抛光和清洗后的刀具待镀膜表面，进行等离子喷涂镀膜处理，完成高密度涂层的镀膜。
所述等离子喷涂参数为：电压：120V；电流：800A；喷涂距离：40mm；工作气体为氮气，流量：80L/h；涂层厚度4μm。
实施例7～10
实施例7
本实施例与实施例5基本相同，区别仅在于靶材采用粒径50～100nm的钛粉和铝粉。
实施例8
本实施例与实施例7的区别在于，步骤S1中，刀具抛光至表面粗糙度在0.5μm以内。
实施例9
本实施例与实施例8的区别在于，步骤S1中，清洗采用无水乙醇完全浸没，而后超声清洗15min的方式；清洗采用的超声参数为：温度35℃，超声频率50kHz±5Hz，超声功率1kW±5W。
实施例10
本实施例与实施例9的区别在于，步骤S3中，采用两步进行等离子喷涂操作；首次喷涂的镀膜厚度1.5μm，第二次喷涂的镀膜厚度2.5μm。
以下为本申请对比例
对比例1
本申请采用磁控溅射镀膜工艺，对刀具表面镀氮化钛涂层，作为对比例1。
刀具抛光和清洗，与实施例10的步骤S1完全相同。
磁控溅射镀膜参数为：真空度：5×10-4Pa；工作气压：0.5Pa；氩气流量：90sccm；氮气流量：4sccm；腔室温度：150℃；偏压：35V；靶材选用纯度99.5％的钛；靶功率：180W；镀膜厚度50μm。
对比例2
本对比例与实施例10完全相同，区别在于靶材仅使用钛粉。
性能检测
对本申请实施例1～10的刀具，以及对比例1～2的刀具进行性能检测，检测其表面硬度、800℃高温加热1h后的表面硬度，以及膜基结合力，具体检测结果如表1所示。
硬度采用硬度检测仪检测，膜基结合力按照GB/T 18682-2002检测。
表1实施例1～10及对比例1～2性能检测结果
| 比表硬度 | 高温表面硬度 | 膜基结合力 | |
| 实施例1 | 14.8 | 14.2 | 80N以上 |
| 实施例2 | 14.9 | 14.3 | 80N以上 |
| 实施例3 | 15.1 | 14.6 | 80N以上 |
| 实施例4 | 15.2 | 14.6 | 80N以上 |
| 实施例5 | 15.7 | 15.1 | 80N以上 |
| 实施例6 | 15.6 | 14.9 | 80N以上 |
| 实施例7 | 16.2 | 15.7 | 80N以上 |
| 实施例8 | 16.4 | 15.8 | 80N以上 |
| 实施例9 | 16.5 | 15.9 | 80N以上 |
| 实施例10 | 17.2 | 16.7 | 80N以上 |
| 对比例1 | 12.2 | 7.6 | 40N以上 |
| 对比例2 | 17.4 | 11.8 | 80N以上 |
通过表1的数据可以看出，本申请实施例1～12的刀具，表面硬度要略优于对比例1的刀具，与对比例2的刀具相当；本申请实施例1～12的刀具，经高温加热处理后，表面硬度仍能保持较高水平，明显优于对比例1～2的刀具，高温性能明显更为优异。此外，本申请实施例1～12的刀具，膜基结合力均超过80N，远超对比例1的刀具。由此可以看出，本申请的工艺，对刀具镀高密度涂层，得到的镀膜涂层性能明显优于现有技术工艺。
通过表1的数据还可以看出，本申请实施例10的刀具，各项性能明显优于实施例1～9的刀具；而本申请实施例7～10的刀具，各项性能也明显优于实施例1～6的刀具。由此可以看出，在优化等离子喷涂参数，以及对靶材的粒径进行控制后，能够进一步提升镀膜涂层性能。
应用实验
使用本申请实施例10的刀具，以及对比例1～2的刀具，对加热至800℃左右的Q215B钢板，进行铣削加工，检测三种刀具的使用寿命，检测结果如表2所示。
表2实施例10及对比例1～2使用寿命检测结果
| 寿命(min) | |
| 实施例10 | 98 |
| 对比例1 | 32 |
| 对比例2 | 41 |
通过表2的数据可以看出，本申请实施例10的刀具，加工高温Q215B钢板，使用寿命比对比例1和对比例2的刀具，高出1倍以上，可以充分佐证本申请的镀膜工艺，制得的刀具，在加工高温材料时，性能更优。
申请人对镀膜厚度进行了相关实验，在同等工艺参数条件下，镀膜厚度越大，刀具性能越优异；镀膜厚度低于2.5μm时，刀具性能有明显下降。因此，镀膜厚度应控制在2.5～4μm为宜。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对刀具待镀膜表面进行抛光和清洗；
S2、将钛粉和铝粉按照4~9:1的质量比混合，得到混合粉料，而后用粉末冶金的方式，制成靶材电极；
S3、以步骤S2得到的靶材电极，使用高能量密度脉冲等离子喷涂设备，对步骤S1抛光和清洗后的刀具待镀膜表面，进行等离子喷涂镀膜处理，完成高密度涂层的镀膜；
所述等离子喷涂参数为：电压：100~120V；电流：650~850A；喷涂距离：30~50mm；工作气体为氮气，流量：60~100L/h；涂层厚度不大于4μm。
2.根据权利要求1所述的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，其特征在于，所述步骤S1中，需将刀具待镀膜表面粗糙度抛光至0.5μm以内。
3.根据权利要求1所述的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述清洗采用无水乙醇超声清洗。
4.根据权利要求3所述的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述超声清洗时间控制在15~30min。
5.根据权利要求1所述的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，其特征在于，所述步骤S2中，钛粉和铝粉的粒径控制在50~100nm。
6.根据权利要求1所述的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，其特征在于，所述步骤S2中，钛粉和铝粉按照5~6:1的质量比混合。
7.根据权利要求6所述的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，其特征在于，所述步骤S2中，钛粉和铝粉采用研磨混合的方式混合。
8.根据权利要求1所述的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，其特征在于，所述等离子喷涂参数为：电压：100~120V；电流：750~800A；喷涂距离：35~40mm；工作气体为氮气，流量：70~80L/h。
9.根据权利要求1所述的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，其特征在于，所述涂层厚度为2.5~4μm。。
10.根据权利要求9所述的用于高温材料加工刀具表面镀高密度涂层的方法，其特征在于，所述步骤S3中，等离子喷涂镀膜处理分两步进行，首次镀膜厚度1~1.5μm，第二次镀膜至涂层厚度。
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