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多元復(fù)合涂層的制備系統(tǒng)及其方法

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多元復(fù)合涂層的制備系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及復(fù)合涂層制備的技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及多元復(fù)合涂層的制備系統(tǒng)及其方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 據(jù)統(tǒng)計(jì),現(xiàn)代機(jī)加工中,主要刀具材料是高速鋼和硬質(zhì)合金,占刀具總量的97%~ 98 %,其中,涂層高速鋼和涂層硬質(zhì)合金的刀具所占比例逐年增加,未涂層刀具所占比例逐 年下降,所以涂層刀具是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外機(jī)加工主要發(fā)展的刀具之一,具有很大的發(fā)展前景。
[0003] TiN、TiC和A1203是使用最早的硬涂層材料,后來(lái)結(jié)合TiC和TiN兩種材料優(yōu)點(diǎn), 發(fā)展成TiCN涂層;然后又引入Al、Cr等金屬元素,開(kāi)發(fā)出AlTiN、AlCrN等二元合金涂層, 并成功在市場(chǎng)上大批量使用;但隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展,對(duì)涂層的要求也越高,一元或者 二元合金涂層已經(jīng)不能滿足刀具要求,需要獲得強(qiáng)度硬度更高、紅硬性更好、耐氧化性更強(qiáng) 的涂層。因此,在二元合金涂層的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步添加金屬元素或者非金屬元素,制備三元 或者四元的復(fù)合涂層,可以顯著提升涂層的性能。
[0004] 涂層行業(yè)采用純金屬靶材、鑲嵌靶材和合金靶材制備涂層。其中,合金靶材的制造 成本很高,鑲嵌靶材成本較高,而純金屬靶材的制造成本最低。而多元復(fù)合涂層一般采用合 金靶材或者鑲嵌靶材制備。合金靶材采用熔煉法或者粉末冶金的辦法制備,這兩種辦法均 有不足之處,冶金法在熔煉的過(guò)程中容易產(chǎn)生成分偏析、氣泡等缺陷,使得這類合金靶材的 成分不均勻,且有雜質(zhì),而粉末冶金法制備的靶材是先將不同元素的金屬粉末進(jìn)行配比,然 后采用球磨機(jī)這些粉末混合均勻,并經(jīng)過(guò)壓制燒結(jié),形成合金靶材,靶材內(nèi)部容易存在粉末 偏聚、分布不均以及孔洞、不致密等缺陷。
[0005] 合金靶材采用多種元素組成,不同元素的熔點(diǎn)不一致,當(dāng)合金靶材起弧后,熔點(diǎn)低 的靶材容易熔化,形成液滴,不僅很難制備出與靶材成分比例一致的涂層產(chǎn)品,也因?yàn)橐旱?的產(chǎn)生而降低刀具的表面光潔度;另外合金靶材的制造成本高,特別是三元或者四元合金 靶材,靶材成本顯著增加,涂層企業(yè)難以承受。
[0006] 鑲嵌靶材是將塊狀的純金屬靶材鑲嵌在另一純金屬靶材中,通過(guò)控制鑲嵌比例來(lái) 控制涂層成分,雖然該辦法的制造成本相對(duì)較低,但是由于各種元素沒(méi)有均勻混合,制備的 涂層成分不均勻,也困擾著該技術(shù)的運(yùn)用。由于鑲嵌靶材激發(fā)后,等離子體中各元素的含量 與弧斑的運(yùn)動(dòng)位置相關(guān),而弧斑運(yùn)動(dòng)位置與靶材的成分、形貌以及磁場(chǎng)相關(guān),受多種因素的 影響,弧斑的運(yùn)動(dòng)軌跡很難控制,因而采用鑲嵌靶材制備的涂層,其成分存在波動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供多元復(fù)合涂層的制備系統(tǒng)及其方法,旨在解決現(xiàn)有技術(shù) 中,采用合金靶材和鑲嵌靶材制備多元復(fù)合涂層存在成分不均勻、性能不穩(wěn)定,且生產(chǎn)成本 較高的問(wèn)題。
[0008] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的,一種多元復(fù)合涂層的制備系統(tǒng),包括:多個(gè)弧源,用于對(duì)多 種靶材分別起弧對(duì)應(yīng)產(chǎn)生多種等離子體,并使多種所述等離子體運(yùn)動(dòng);磁場(chǎng)管道,用于通過(guò) 磁場(chǎng)約束并均勻混合多種所述等離子體,并使其同時(shí)到達(dá)待加工基體的表面,該磁場(chǎng)管道 的一端與對(duì)應(yīng)的弧源連通;真空腔室,與磁場(chǎng)管道另一端連通,且所述待加工基體設(shè)置于所 述真空腔室內(nèi),多種所述等離子體進(jìn)入所述真空腔室內(nèi)在偏壓作用下撞擊所述待加工基體 表面形成多元涂層。
[0009] 在一個(gè)實(shí)施例中,所述真空腔室為球形的腔體結(jié)構(gòu),多個(gè)所述弧源分布于所述真 空腔室外壁上并與其連通。
[0010] 優(yōu)選地,多個(gè)所述弧源的中心線相交形成有夾角,且相鄰的兩個(gè)所述弧源的中心 線所形成的夾角大于0°且小于90°。
[0011] 優(yōu)選地,所述靶材為純金屬靶材,且各個(gè)所述弧源上對(duì)應(yīng)安裝有不同元素的純金 屬靶材。
[0012] 進(jìn)一步地,所述磁場(chǎng)管道的外壁纏繞有磁感應(yīng)線圈,磁感應(yīng)線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng),所 述磁場(chǎng)約束并均勻混合所述等離子體并使其同時(shí)到達(dá)待加工基體表面。
[0013] 優(yōu)選地,所述待加工基體為刀具。
[0014] 本發(fā)明提出的多元復(fù)合涂層的制備系統(tǒng),通過(guò)采用磁場(chǎng)混合技術(shù),將多個(gè)純金屬 靶材產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行均勻混合,并將這些等離子體加速撞擊待加工基體表面形成多元 合金涂層,實(shí)現(xiàn)了在低成本下制備性能穩(wěn)定、成分均勻的涂層的目的。
[0015] 本發(fā)明還提出了一種多元復(fù)合涂層的制備方法,包括步驟:
[0016] S100,將刀具基體進(jìn)行超聲波清洗,去除刀具基體表面的污染物;
[0017] S200,采用上述權(quán)利要求1~6任一項(xiàng)所述多元復(fù)合涂層的制備系統(tǒng)對(duì)刀具基體 進(jìn)行濺射清洗,去除吸附在刀具基體表面的微量雜質(zhì);
[0018] S300,采用多元復(fù)合涂層的制備系統(tǒng)對(duì)刀具基體進(jìn)行多元復(fù)合涂層的制備。
[0019] 在一實(shí)施例中,所述步驟S100包括:
[0020] S101,在超聲波的作用下,采用金屬清洗劑去除刀具基體上粉塵和油脂等;
[0021] S102,在超聲波的作用下,采用有機(jī)溶劑去除刀具基體上殘留油脂等雜質(zhì);
[0022] S103,采用熱風(fēng)對(duì)刀具基體進(jìn)行吹干。
[0023] 在一實(shí)施例中,所述步驟S200包括:
[0024] S201,在第一弧源上安裝純鈦靶;
[0025] S202,對(duì)真空腔室進(jìn)行抽真空;
[0026] S203,當(dāng)真空腔室內(nèi)的氣壓小于1.0X10_3Pa,且溫度達(dá)到300°C時(shí),單獨(dú)啟動(dòng)第 一弧源,并調(diào)節(jié)偏壓為-1000V,將鈦等離子體加速撞擊刀具基體,實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具基體的濺射清 洗。
[0027] 在一實(shí)施例中,所述步驟S300包括:
[0028] S301,對(duì)真空腔室上三個(gè)相鄰的弧源分別安裝不同的純金屬靶材,具體為,在第一 弧源、第二弧源和第三弧源上分別安裝第一靶材、第二靶材和第三靶材;
[0029] S302,對(duì)真空腔室進(jìn)行抽真空;
[0030] S303,當(dāng)真空腔室內(nèi)的氣壓小于1.0X10-3Pa,且溫度達(dá)到300°C時(shí),打開(kāi)設(shè)置在 真空腔室上的氣體流量計(jì),控制通入真空腔室內(nèi)的第一氣體的流量,并將真空腔室內(nèi)的氣 壓控制在2~7Pa ;
[0031] S304,同時(shí)啟動(dòng)第一弧源、第二弧源和第三弧源,對(duì)應(yīng)產(chǎn)生第一等離子體、第二等 離子體和第三等離子體,這些等離子體在磁場(chǎng)的約束下運(yùn)動(dòng)到真空腔室,同時(shí)這些等離子 體中高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊第一氣體,使其離化形成第一氣體的等離子體,這四種等離子體 同時(shí)沉積在刀具基體表面形成多元涂層。
[0032] 本發(fā)明提出的多元復(fù)合涂層的制備方法,采用了上述多元復(fù)合涂層的制備系統(tǒng), 該系統(tǒng)通過(guò)采用磁場(chǎng)混合技術(shù),將多個(gè)純金屬靶材產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行均勻混合,并將這 些等離子體加速撞擊待加工基體表面形成多元合金涂層,實(shí)現(xiàn)了在低成本下制備性能穩(wěn) 定、成分均勻的涂層的目的。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中多元復(fù)合涂層的制備系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0034] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中多元復(fù)合涂層的制備方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并 不用于限定本發(fā)明。
[0036] 以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0037]
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