一种铝合金干式加工用非晶刀具涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种铝合金干式加工用非晶刀具涂层及其制备方法。

背景技术

近年来，我国航空航天和交通运输行业飞速发展，随着国家提倡节能减排，各厂商都在积极进行装备轻量化研究，从而达到节能减排、节约成本的目的。为了减轻飞机、汽车零部件的重量，铝合金的使用量逐年增加。汽车零部件中铝合金材料应用广泛，为了增加铝合金的强度，通常在铝合金中添加大量硅元素，如用于加工缸盖的金属型重力铸造A319铝合金(含有6.5wt％的Si)，用于加工一些壳体的压力铸造A380铝合金(含有8.5wt％的Si)，用于加工缸体的压力铸造A390铝合金(含有18.5wt％的Si)。硅在铝合金中以颗粒和多边形形式存在，颗粒尺度在微米级别，且硬度很高(1000HV左右)，从而在切削加工中造成刀具局部严重磨损。此外，硅含量不同导致一些高硅铝合金富含金属间化合物，恶化了机加工过程中刀具受力状况，带来刀具的严重磨损。

航空航天和汽车领域对于铝合金加工质量要求越来越高，且绿色加工制造理念的发展促进了干式加工的发展，而部分特殊部件的加工要求不能使用切削液，这对高强铝合金加工提出了巨大挑战。干式加工铝合金时，缺少切削液的冷却与润滑作用，同时由于铝质较软，塑性变形较大，且熔点较低，在加工区高温高压和较大摩擦环境共同作用下，铝与刀具中的某些原子由于亲和力而在刀具前刀面相互粘结聚集而形成积屑瘤(built-up edge,BUE)，发生粘刀现象。BUE的存在导致刀具在加工过程中的切削力波动增大，产生摩擦磨损波动冲击，从而降低刀具使用寿命，严重影响被加工零部件的表面质量。

涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破。TiN涂层是工艺最成熟、应用最广的涂层。目前，工业发达国家TiN涂层刀具的使用率已占高速钢刀具的50％～70％。近期，多组元多相复合涂层的开发，使涂层刀具的性能上了一个新台阶。公布号为CN102899613A、CN104131256A与CN104846344A的中国专利，分别提出了AlTiN涂层、AlTiSiN/AlCrN纳米复合涂层以及TiZrAlSiCN多层纳米复合涂层，这些涂层具有化学稳定性好、抗氧化磨损的特性，在加工高合金钢、不锈钢、钛合金以及镍合金时，相比TiN涂层可以大幅度提高刀具寿命。然而，由于存在与铝亲和力较高的Ti、Al等元素，在加工高强铝合金时，上述涂层容易产生BUE，降低刀具寿命，恶化铝合金表面加工质量。

考虑到金刚石涂层化学稳定性好，且不与铝工件材料发生化学反应，不易产生BUE，研究人员期望通过刀具表面涂覆金刚石涂层来解决加工过程中刀具磨损严重的问题。公布号为CN105603386A中国专利提出了一种微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法。但是该方法制备温度较高，对刀具材料的耐温性要求严苛。

综上所述，开发一种高强铝合金干式加工用新型非晶刀具涂层及其制备工艺具有重要的现实意义。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种高温耐磨性好与不粘铝的铝合金干式加工用刀具涂层及其制备方法。

有鉴于此，本申请提供了一种铝合金干式加工用非晶刀具涂层，包括：复合于刀具表面的结合层，复合于所述结合层表面的过渡层，复合于所述过渡层表面的功能膜层；所述功能膜层由交替叠加设置的A层与B层组成，所述A层的层数≥1，所述B层的层数≥1，所述A层为非晶碳化铬-非晶碳复合结构，所述非晶碳化铬弥散分布于所述非晶碳的基底中，所述B层为类金刚石层。

优选的，所述功能膜层包括四种形式：

a)所述A层复合于所述过渡层表面，所述B层复合于所述A层表面，所述A层复合于所述B层表面，所述B层复合于所述A层表面，按照此种方式循环多次，且最后一层为B层；

b)所述A层复合于所述过渡层表面，所述B层复合于所述A层表面，所述A层复合于所述B层表面，所述B层复合于所述A层表面，按照此种方式循环多次，且最后一层为A层；

c)所述B层复合于所述过渡层表面，所述A层复合于所述B层表面，所述B层复合于所述A层表面，所述A层复合于所述B层表面，按照此种方式循环多次，且最后一层为A层；

d)所述B层复合于所述过渡层表面，所述A层复合于所述B层表面，所述B层复合于所述A层表面，所述A层复合于所述B层表面，按照此种方式循环多次，且最后一层为B层。

优选的，所述A层中Cr与C的原子百分比小于1，所述B层中的sp3含量高于A层中非晶碳的sp3含量。

优选的，所述结合层的厚度为0.05～0.3μm，所述过渡层的厚度为0.1～0.3μm，所述非晶刀具涂层的厚度为1～3μm；所述结合层为铬金属结合层，所述过渡层为碳化铬过渡层。

本申请还提供了一种上述方案所述的铝合金干式加工用非晶刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：

采用磁控溅射的方法在预处理后的待镀工件表面沉积结合层；

采用磁控溅射的方法在反应气相沉积条件下，在所述结合层表面沉积过渡层；

在所述过渡层表面沉积功能膜层，所述功能膜层由交替叠加设置的A层与B层组成，所述A层的层数≥1，所述B层的层数≥1，所述A层采用磁控溅射的方法获得，所述B层采用对碳离子或碳-氢离子施加偏压的方法获得。

优选的，所述A层的制备方法具体为：

调节真空腔室温度为80～120℃，在氩气气氛下，同时磁控溅射铬靶材和石墨靶材，对表面沉积有过渡层或B层的工件施加偏压-20～-200V，得到A层，所述偏压的电源为直流电源或脉冲电源；

或，调节真空腔室温度为80～120℃，在氩气和乙炔气体流量比为1:5的气氛下，磁控溅射铬靶材，对表面沉积有过渡层或B层的工件施加偏压-20～-200V，得到A层，所述偏压的电源为直流电源或脉冲电源。

优选的，所述B层的制备方法具体为：

在磁控溅射石墨靶材的方式下，对表面沉积有过渡层或A层的工件施加偏压-20～-200V，得到B层，所述偏压的电源为直流电源或脉冲电源；

或，在真空腔室内通入氩气与含碳氢元素气体的混合气体，阳极层离子源在高电压低电流放电模式下运行，再开启偏压电源，设置偏压值为-1200～-3000V，得到B层，所述偏压的电源为直流电源或脉冲电源。

优选的，所述预处理后的待镀工件的预处理工序为：

将所述待镀工件经过脱脂、漂洗和或脱水后再进行烘干；

将烘干后的待镀工件置于真空腔室中，将真空腔室抽真空，同时加热真空腔室至120～150℃；当所述真空腔室真空度大于5×10^-4Pa时，调节真空腔室温度并稳定至80～120℃；

在所述真空腔室通入氩气，运行阳极层离子源同时开启偏压电源对待镀工件进行等离子体辉光清洗；所述偏压电源的偏压值为-1200～-3000V。

优选的，在沉积结合层的过程中，所述偏压电源为-20～-200V；在沉积过渡层的过程中，所述偏压电源为-20～-150V。

本申请还提供了一种涂层刀具，包括刀具和复合在所述刀具表面的上述方案所述的铝合金干式加工用非晶刀具涂层或上述方案所述的制备方法所制备的铝合金干式加工用非晶刀具涂层。

本申请提供了一种铝合金干式加工用非晶刀具涂层，其包括：复合于刀具表面的结合层，复合于结合层表面的过渡层与复合于过渡层表面的功能膜层，所述功能膜层由交替叠加设置的A层与B层组成，所述A层为非晶碳化铬-非晶碳复合结构，所述非晶碳化铬弥散分布于非晶碳基底中，所述B层为类金刚石层。由于铝是非碳化物形成元素，本申请的功能膜层是碳化物非晶涂层，其具有不粘铝的特性，同时，所述功能膜层中含有碳化物，可提高高温稳定性，进而改善刀具的高温耐磨性；进一步的，本申请中的结合层与过渡层可提高功能膜层与基材的结合力，改善功能膜层与基材之间的性能匹配度，而有利于刀具涂层性能的稳定性。

附图说明

图1为本发明铝合金干式加工用非晶刀具涂层的a结构示意图；

图2为本发明铝合金干式加工用非晶刀具涂层的b结构示意图；

图3为本发明铝合金干式加工用非晶刀具涂层的c结构示意图；

图4为本发明铝合金干式加工用非晶刀具涂层的d结构示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种铝合金干式加工用非晶刀具涂层，包括：复合于刀具表面的结合层，复合于所述结合层表面的过渡层，复合于所述过渡层表面的功能膜层；所述功能膜层由交替叠加设置的A层与B层组成，所述A层为非晶碳化铬-非晶碳复合结构，所述非晶碳化铬弥散分布于非晶碳基底中，所述B层为类金刚石层。

本申请提供了一种铝合金干式加工用非晶刀具涂层，其包括结合层与过渡层，所述结合层与过渡层均是为了提高功能膜层与基材的结合力，以改善功能膜层与基材之间的性能匹配度。本申请所述结合层与过渡层为本领域技术人员熟知的复合层；由于本申请功能膜层中含有铬元素，为了实现与功能膜层的匹配，本申请所述结合层为铬金属结合层，所述过渡层为碳化铬过渡层。

本申请所述功能膜层由交替叠加设置的A层和B层组成，A层的层数≥1，B层的层数≥1，即功能膜层的层结构可以为A层-B层，还可以为A层-B层-A层-B层······，还可以为B层-A层，还可以为B层-A层-B层-A层······，换言之A层与B层作为一个整体，可以重复1次，也可以重复多次，对此，可根据实际需要进行选择。

在本申请中，所述功能膜层具体包括以下四种形式：

a)所述A层复合于所述过渡层表面，所述B层复合于所述A层表面，所述A层复合于所述B层表面，所述B层复合于所述A层表面，按照此种方式循环多次，且最后一层为B层；

b)所述A层复合于所述过渡层表面，所述B层复合于所述A层表面，所述A层复合于所述B层表面，所述B层复合于所述A层表面，按照此种方式循环多次，且最后一层为A层；

c)所述B层复合于所述过渡层表面，所述A层复合于所述B层表面，所述B层复合于所述A层表面，所述A层复合于所述B层表面，按照此种方式循环多次，且最后一层为A层；

d)所述B层复合于所述过渡层表面，所述A层复合于所述B层表面，所述B层复合于所述A层表面，所述A层复合于所述B层表面，按照此种方式循环多次，且最后一层为B层。

上述功能膜层中的a)方式具体如图1所示，该种方式可表示为A层-B层-A层-B层·······A层-B层-A层-B层；b)方式具体如图2所示，该种方式可表示为A层-B层-A层-B层······A层-B层-A层-B层-A层；c)方式具体如图3所示，该种方式可表示为B层-A层-B层-A层······B层-A层-B层-A层；d)方式具体如图4所示，该种方式表示为B层-A层-B层-A层······B层-A层-B层-A层-B层。

本申请所述A层具体为非晶碳化铬-非晶碳子膜层(a-CrC/a-C层)，其中非晶碳化铬(a-CrC)颗粒均匀弥散分布于非晶碳(a-C)基底中；所述B层为类金刚石子膜层(DLC层)。上述a-CrC/a-C子膜层中Cr与C的原子百分比小于1，所述DLC子膜层中的sp3含量高于a-CrC/a-C子膜层中非晶碳(a-C)中的sp3含量。

按照本发明，所述刀具涂层中的结合层的厚度为0.05～0.3μm，所述过渡层的厚度为0.1～0.3μm，所述非晶刀具涂层的厚度为1～3μm。

为了得到本申请所述铝合金干式加工用非晶刀具涂层，本申请还提供了所述铝合金干式加工用非晶刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：

采用磁控溅射的方法在预处理后的待镀工件表面沉积结合层；

采用磁控溅射的方法在反应气相沉积条件下，在所述结合层表面沉积过渡层；

在所述过渡层表面沉积功能膜层，所述功能膜层由交替叠加设置的A层与B层组成，所述A层的层数≥1，所述B层的层数≥1，所述A层采用磁控溅射的方法获得，所述B层采用对碳离子或碳-氢离子施加偏压的方法获得。

在上述制备刀具涂层的过程中，本申请首先将待镀工件进行初步清洁，以去除待镀工件表面的锈迹或者污渍等污迹。所述初步清洁的方式可为碱液脱脂、可为纯水漂洗，还可为脱水，或上述方式的组合，再将经过上述处理后的待镀工件进行烘干。本发明再将经过上述处理的待镀工件进行辉光清洗，具体为：

将经过上述处理的待镀工件置于真空腔室中；

将真空腔室抽真空，同时加热真空腔室至120～150℃，当真空腔室真空度大于5×10^-4Pa时，调节真空腔室温度并稳定至80～120℃；

在真空腔室通入氩气，使阳极层离子源在高电压低电流的放电模式下运行，产生氩离子；同时，开启偏压电源，对待镀工件进行等离子体辉光清洗；所述偏压电源的偏压值为-1200～-3000V，所述偏压电源为直流电源或脉冲电源，所述等离子体辉光清洗的时间为30～60min。

按照本发明，然后在预处理后的待镀工件表面采用磁控溅射的方法沉积结合层，在反应气相沉积条件下采用磁控溅射的方法沉积过渡层。所述沉积结合层与沉积过渡层的方法均为磁控溅射的方法，该方法为本领域技术人员熟知的技术手段，对此本申请对磁控溅射的技术手段不进行特别的限制。示例的，所述结合层的制备过程具体为：

采用磁控溅射的方法在预处理后的待镀工件表面沉积结合层，使结合层的厚度为0.05～0.3μm，在沉积过程中，偏压电源为-20～-200V，偏压电源为直流电源或脉冲电源。

所述过渡层的制备过程具体为：

在反应气相沉积条件下，采用磁控溅射的方法在所述结合层表面沉积过渡层，使过渡层的厚度为0.1～0.3μm，沉积过程中偏压电源为-20～-150V，偏压电源为直流电源或脉冲电源。

本申请然后在过渡层表面沉积功能膜层，由于功能膜层包括交替叠加设置的A层与B层，且A层的层数≥1，B层的层数≥1，则，可在所述过渡层表面沉积A层，再在A层表面沉积B层，沉积B层后结束，或再在B层表面沉积A层，再在A层表面沉积B层，重复上述过程；

或，在所述过渡层表面沉积B层，在B层表面沉积A层，沉积A层后结束，或再在A层表面沉积B层，再在B层表面沉积A层，重复上述过程。

本申请所述A层采用磁控溅射的方法获得，所述B层采用对碳离子或碳-氢离子施加偏压的方式获得。所述磁控溅射与所述对碳离子或碳-氢离子施加偏压的技术手段均为本领域常规的技术手段，本申请对于上述两种技术手段不进行特别的说明。

具体的，根据溅射靶材的不同，所述A层的制备方法可以为：

调节真空腔室温度为80～120℃，在氩气气氛下，同时磁控溅射铬靶材和石墨靶材，对表面沉积有过渡层或B层的工件施加偏压-20～-200V，得到A层，所述偏压的电源为直流电源或脉冲电源。

所述A层的制备方法还可以为：

调节真空腔室温度为80～120℃，在氩气和乙炔气体流量比为1:5的气氛下磁控溅射铬靶材，对表面沉积有过渡层或B层的工件施加偏压-20～-200V，得到A层，所述偏压的电源为直流电源或脉冲电源。

本申请所述B层的制备采用对碳离子或碳-氢离子团施加偏压的方式获得，具体的，所述B的制备方法可以为：

在磁控溅射石墨靶材的方式下，对表面沉积有过渡层或A层的工件施加偏压-20～-200V，得到B层，所述偏压的电源为直流电源或脉冲电源。

所述B层的制备方法还可以为：

在真空腔室内通入氩气与含碳氢元素气体的混合气体，阳极层离子源在高电压低电流放电模式下运行，再开启偏压电源，设置偏压值为-1200～-3000V，得到B层，所述偏压的电源为直流电源或脉冲电源。

上述沉积A层与B层的过程中，可通过调整沉积时间来控制A层与B层的厚度。

本申请还提供了一种涂层刀具，包括刀具和复合在所述刀具表面的上述方案所述的或上述方案所述的制备方法所制备的非晶刀具涂层。

本申请提供的铝合金干式加工用非晶刀具涂层由于设置有功能膜层，且功能膜层由交替叠加设置的A层与B层组成，所述A层的层数≥1，所述B层的层数≥1，所述A层为非晶碳化铬-非晶碳复合结构，所述非晶碳化铬弥散分布于非晶碳基底中，所述B层为类金刚石层；因此，本申请提供的非晶涂层具有高温耐磨性，具体表现为硬度高、摩擦系数低、热稳定性好；同时还具有不粘铝的特点，具体表现为刀具加工铝合金后刀具涂层表面光滑、化学性能稳定，不与铝工件材料发生化学反应。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铝合金干式加工用非晶刀具涂层进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1待镀工件前处理、结合层与过渡层的制备

(1)将待镀工件-普通刀具经过碱液脱脂、纯水漂洗、脱水和热风(120℃)烘干，去除工件上的锈迹、油渍等污迹；

(2)把经过工序(1)处理的待镀工件放入真空腔室内；

(3)真空腔室抽真空，并同时加热真空腔室，保持加热温度在150℃；当真空腔室的真空度优于5×10^-4Pa后，调节真空腔室温度并稳定在120℃；

(4)真空腔室通入氩气，在高电压低电流放电模式下运行阳极层离子源，产生氩离子；同时，开启偏压电源，设置偏压值为-1500V，对待镀工件进行等离子体辉光清洗45分钟，其中偏压电源可以为直流电源或者脉冲电源；

(5)结合层及过渡层采用磁控溅射方法制备：首先，采用磁控溅射方法沉积一层金属结合层，该结合层厚度为0.1微米，该金属为铬元素；沉积过程中偏压电源设置为-120V，偏压电源可以为直流电源或者脉冲电源；采用磁控溅射方法沉积一层金属碳化物过渡层，该过渡层厚度0.1微米，该金属碳化物中的金属为铬元素；沉积过程中偏压电源设置为-60V，偏压电源为脉冲电源。

实施例2采用磁控溅射沉积方法制备高强铝合金干式加工用非晶刀具涂层

(1)～(5)待镀工件预处理、结合层的制备与过渡层的制备与实施例1相同；

(6)在氩气气氛下，同时磁控溅射铬靶材和石墨靶材，溅射靶电源为直流电源，溅射靶功率密度小于8W/cm²；镀膜过程中真空度为0.5Pa，调节真空腔室温度并稳定在120℃；对工件施加偏压-100V进行a-CrC/a-C非晶子膜层沉积涂敷，偏压电源为直流电源；

(7)重复本实施方案步骤(6)，其中，只进行磁控溅射石墨靶材，对工件进行沉积涂敷，获得高sp3键含量的DLC子膜层，对工件施加偏压-100V，偏压电源为直流电源；

(8)重复步骤(6)-继续沉积a-CrC/a-C非晶子膜层(A层)；然后重复步骤(7)-沉积DLC子膜层(B层)，如此重复，……，从而获得非晶涂层(标记为AB……AB)，厚度为2微米；

(9)该新型非晶涂层的最外一层，可以根据实际应用需要，选择为a-CrC/a-C非晶子膜层A层，也可以为DLC子膜层B层；如附图1与附图2所示；

(10)镀膜工艺结束后，待真空腔室温度低于80℃，关闭真空阀门，工件出炉。

实施例3采用磁控溅射与阳极层离子源沉积相结合方法制备高强铝合金干式加工用新型非晶刀具涂层

(1)～(5)待镀工件预处理、结合层的制备与过渡层的制备与实施例1相同；

(6)参见实施例2的相应步骤；

(7)真空腔室内通入氩气与乙炔的混合气体，在氩气和乙炔气体流量比1:5的气氛下，阳极层离子源在高电压低电流放电模式下运行，产生氩离子或者碳-氢离子团等；然后，开启偏压电源，设置偏压值在-1200～-3000V之间，获得高sp3键含量DLC子膜层；偏压电源为脉冲电源；

(8)～(10)参见实施例2的相应步骤。

实施例4采用磁控溅射与阳极层离子源沉积相结合方法制备高强铝合金干式加工用新型非晶刀具涂层

(1)～(5)待镀工件预处理、结合层的制备与过渡层的制备与实施例1相同；

(6)真空腔室内通入氩气与乙炔气体的混合气体，在氩气和乙炔气体流量比1:5的气氛下进行磁控溅射铬靶材，溅射靶电源为脉冲电源，溅射靶功率密度小于8W/cm²；镀膜过程中真空度为0.5Pa，调节真空腔室温度并稳定在120℃；对工件施加偏压-100V进行a-CrC/a-C非晶子膜层沉积涂敷，偏压电源为脉冲电源；

(7)参见实施例3的相应步骤；

(8)～(10)参见实施例2的相应步骤。

实施例5采用磁控溅射方法制备高强铝合金干式加工用新型非晶刀具涂层

(6)参见实施例4的相应步骤；

(7)在氩气气氛下，磁控溅射石墨靶材，溅射靶电源是脉冲电源，溅射靶功率密度小于8W/cm²；镀膜过程中真空度为0.5Pa，调节真空腔室温度并稳定在120℃；对工件施加偏压-100V进行高sp3含量DLC子膜层沉积涂敷，偏压电源为脉冲电源；

(8)～(10)参见实施例2的相应步骤。

采用实施例1制备的刀具干式加工铝合金，实验结果表明，铝合金表面光滑，不与刀具表面发生反应。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。