[发明专利]一种超硬纳米晶TiN-CN-DLC梯度复合涂层合金钻头及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，特别涉及一种超硬纳米晶TiN-CN-DLC梯度复合涂层合金钻头及其制备方法。

背景技术

孔加工在金属切削加工中占有重要地位，一般约占机械加工量的1/3。其中钻孔约占22%～25%，其余孔加工约占11%～13%。我国2011年孔加工刀具的产量约占刀具产品总产量的51.38%，产值约占刀具产品总产值的45.52%。由于孔加工条件苛刻的缘故，孔加工刀具的技术发展要比车、铣类刀具迟缓一些，许多机械加工部门至今仍采用高速钢麻花钻。近些年来，随着中、小批量生产越来越要求生产的高效率、自动化以及加工中心的飞跃发展与普及，也促进了孔加工刀具技术有所发展。

高速钢孔加工刀具（合金钻头）仍是孔加工刀具中的主要部分。据原民主德国85年的统计资料，高速钢钻镗削刀具的产值占所有钻镗削刀具产值的79.8%，而硬质合金钻镗削刀具占20%，陶瓷刀具和超硬材料刀具各占0.1%。高速钢麻花钻至今仍是金属切削刀具中使用量最大的刀具之一。例如，在德国机械加工中每年约消耗5000万支麻花钻，这些麻花钻的直径绝大部分为φ6～14mm。而我国的高速钢麻花钻年产量已达到3亿支，年产值约占刀具产品年总产值的36%。高速钢麻花钻在生产中已应用了几十年，其基本形状没有改变。麻花钻在钻削过程中存在的问题是：主切削刃上各点处前角值相差十分悬殊；横刃长，轴向力大；钻头各处切削速度不同；刃带后角为零与孔壁产生摩擦，加快磨损等。为此，必须针对这些问题改进，但彻底消除是困难的。

我国机械加工业正朝着高速、高效和高精密切削的方向发展。随着我国汽车、航空和模具等制造业的发展，高效数控机床（如加工中心等）迅速普及，各种高硬度、高韧性难切削加工材料不断涌现，对钻头提出了更高要求。普通钻头加工难加工材料时，很容易由于磨损失效导致加工工件损坏，大幅度提高了加工企业的制造成本。涂层是实现钻头高性能化的重要技术手段，TiN是最先被广泛使用的硬质钻头涂层材料。当今工业发达国家TiN涂层钻头已达到90%以上，由于TiN涂层性能优越，工艺过程又符合“绿色制造业”理念，可以预期在21世纪前期仍有较大的发展空间。随着技术的进步，人们对涂层的综合性能要求越来越高，并且对不同服役条件的产品，其主要失效抗力指标要求不尽相同，应该有不同性能特点的涂层与之相适应，以增加涂层多样性的选择。单一TiN涂层由于硬度低（20GPa），在加工高硬度材料和其他难加工材料时耐磨性较差，为此需要开发新型的钻头涂层材料。

纳米化是目前涂层材料领域研究的热点，将粗晶粒的TiN涂层纳米化形成纳米TiN,不但可以大幅度提高其硬度，同时其耐磨性会大幅度提高。氮化碳（CN）薄膜具有高硬度、低摩擦系数和高热稳定性的特点，是一种最新型的超硬材料，其理论硬度接近金刚石，有望在在某些场合取代金刚石材料。氮化碳材料最显著的特点就是其容易非晶化，为此可将CN作为掺杂相，让TiN材料纳米化，形成新型的超硬TiN/CN纳米复合涂层材料。此外，类金刚石膜（DLC）是一种主要是由sp²键和sp³键组成的混合无序的亚稳态的非晶碳膜，分为含氢非晶碳膜(a-C:H)和无氢非晶碳膜(a-C)。具有低摩擦系数、高硬度、高弹性模量、高耐磨性和热导率, 良好的化学稳定性和抗腐蚀能力等一系列独特的性能。80年代以来，一直是全世界研究的热点。在将TiN纳米化提高硬度的基础上，本专利在TiN/CN复合涂层之上，进一步降低其摩擦系数，构建新型的复合到TiN/CN-DLC复合涂层材料。将其制备到合金钻头表面，不但可以大幅度提高涂层的硬度，同时还可以大幅度提高其润滑性能。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的现状，提供了一种超硬纳米晶TiN-CN-DLC梯度复合涂层合金钻头及其制备方法。

本发明产品的技术方案是：在合金钻头的基体表面依次有由结合层、过渡层、耐磨层、减磨层构成的复合涂层，且：结合层为Ti层；过渡层为TiN层；耐磨层为TiN-CN层；减磨层为DLC层。

作为优选项：

所述复合涂层的厚度为3.9-7.2微米，其中结合层厚度为100-200纳米；过渡层厚度为1000-2000纳米；耐磨层厚度为2000-4000纳米；减磨层厚度为800-1000纳米。

所述耐磨层中包含有TiN纳米晶和非晶CN，其中TiN纳米晶尺寸为5-50纳米，非晶CN层厚度为0.1-2nm。

本发明的制备方法的技术方案是：由下述步骤依次形成：