1.本发明属于工具表面处理领域，特别涉及一种应用于工具钢材质的铝合金加工用刀具的涂层方法。
背景技术：
2.在机械加工中，铝合金材料具有硬度低、塑性小、热导率高的优点，但是熔点比较低，在加工过程中温度升高塑性形变大，高温高压下切削摩擦面之间的摩擦阻力变大，极易发生粘刀现象，导致刀具快速失效。在当前铝合金加工领域中，对工具表面做一层防粘结层可以有效解决粘刀的问题，例如涂布类金刚石薄膜。
3.在铝合金刀具加工中，主要涉及两种材质，分别是硬质合金和工具钢。硬质合金成本较高，工具钢材质则成本低廉，在特定领域内性价比突出。工具钢一般分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢，其硬度大都在600-800hv之间，硬质合金硬度一般在1500hv以上，工具钢的耐磨性不如硬质合金；同时硬度的差异也导致涂层结合力在两种材质的工具上有显著区别，例如类金刚石涂层在硬质合金上可达到80n以上，而在工具钢上则只有20n左右。因此提升工具钢材质的铝合金刀具的耐磨性以及涂层在工具钢铝合金刀具上的结合强度，会对工具钢材质的铝合金工具的使用寿命起到极大的提升效果，进一步凸显其性价比优势。
技术实现要素：
4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于工具钢材质的铝合金刀具的涂层方法，可以提升工具钢材料的表面硬度，最终实现工具钢铝合金器具耐磨性的提高和使用寿命的提升。
5.为实现上述技术效果，本发明的技术方案是：一种应用于工具钢材质的铝合金加工用刀具的涂层方法，用于在工具钢材质的铝合金加工用刀具表面涂布类金刚石薄膜，所述涂层方法包括以下步骤：1）对完成磨削和涂层前处理的工具钢材质的铝合金加工用刀具进行超声波清洗、去除表面油污、烘干；2）装入涂层炉内抽真空、加热、进行等离子体蚀刻；3）在氩气、氮气、氢气气氛下用离子源对工具钢材质的铝合金加工用刀具表面做离子氮化处理；在离子氮化过的所述工具钢材质的铝合金加工用刀具表面沉积溅射高偏压crn层，偏压为500-600v，n含量40-60%，厚度0.1-0.2 μm；在所述crn层表面沉积溅射crn梯度过渡层，偏压50-200v，n含量由高至低梯度变化，直至n含量为0，过渡层厚度0.1-0.5 μm；再在所述过渡层表面沉积厚度为0.1-0.2μm的溅射金属cr层；4）在真空状态下将所述工具钢材质的铝合金加工用刀具的温度降至300℃以内；
5）用电弧石墨靶在所述工具钢材质的铝合金加工用刀具表面沉积类金刚石薄膜。
6.其中，所述步骤2）涂层炉和步骤3）离子氮化的工艺温度不得高于工具钢材质的热处理回火温度。
7.其中，所述步骤2）等离子体蚀刻和步骤3）离子氮化处理采用的是同一离子源，且需先做等离子体蚀刻再做离子氮化处理。
8.其中，步骤3）氩气、氮气、氢气的流量按照1:1:3的比例，反应的总气压不超过5e-2mbar。
9.其中，步骤3）离子氮化处理后得到的离子氮化层深度为40-80μm。
10.其中，所述离子氮化层的表面硬度≥1000hv。
11.其中，所述步骤3）中crn层、crn过渡层、金属cr层采用非平衡闭合场磁控溅射工艺制备得到。
12.其中，步骤5）中沉积类金刚石薄膜采用电弧离子镀工艺，薄膜厚度为0.1-1.0μm，纳米硬度≥4500hv。优选的，类金刚石薄膜厚度0.3-1.0μm。
13.另外，所述工具钢材质经过热处理后硬度需达到700hv以上或满足设计要求，工具钢材质热处理均采用高温回火。这是对做为刀具的工具钢材质本身的要求。
14.所述涂层前处理包括去毛刺、抛光等工艺。涂层前处理不能使刃口钝化值超出铝合金加工设计要求。这是对涂层前处理的要求。
15.本发明所用的涂层设备需同时具有磁控溅射与电弧离子镀功能。
16.本发明对已经做过高温回火热处理的工具钢材质类的铝合金刀具，对表面先进行高温离子氮化，在工作面形成一层厚度为几十微米的硬质层-离子氮化层，可以显著增加基材本身的耐磨性和对涂层的支撑效果，进而提升刀具的整体使用寿命。
17.离子氮化层的表面硬度达到1000hv以上，为涂层提供高强度的底部支撑效果；在离子氮化层表面增加高偏压crn层与crn过渡层，设置硬度和化学梯度过渡，防止刀具在使用过程中受氧化、切削液、水分等因素导致的离子氮化层与cr层之间的界面分离。类金刚石涂层与工具钢基材的划痕结合强度值由10-30n增加到40n以上。刀具的使用寿命比无离子氮化效果提升0.5倍以上，进一步提升了工具钢材质刀具的性价比优势。同时本发明的工艺流程明显不同于常规的离子氮化和气氛氮化，本发明将离子氮化和涂层在同一工艺制程内完成，避免反复装卸和操作过程中的污染，使操作更简单快速；此外，还消除了气氛氮化容易产生白层而导致涂层结合效果不稳定的现象。
18.本发明解决的技术问题包括：1.工具钢材质本身的硬度较低，本发明可以提升基础材质的表面硬度，同时随着工具钢基材本身硬度的提升，刀具的耐磨效果也会提升；2.类金刚石薄膜涂层在工具钢上的结合强度较低，本发明提升了工具钢材质的表面硬度后，因支撑层得到强化使得涂层结合强度提升；3. 在离子氮化层表面增加高偏压crn层与crn过渡层，设置硬度和化学梯度过渡，防止刀具在使用过程中受氧化、切削液、水分等因素导致的离子氮化层与cr层之间的界面分离（在刀具的工况条件下，crn的化学稳定性和与离子氮化层的界面稳定性远大于cr层），强化界面。
19.本发明最终实现了工具钢的铝合金刀具耐磨性的提升和使用寿命的提高；并且，
相较于传统处理工艺，具有简单、高效、稳定的特点。
20.本发明对已经做过高温回火热处理的工具钢材质类的铝合金刀具，表面先进行高温离子氮化，在工作面形成一层厚度为几十微米的硬质层；另外还沉积有crn层、crn过渡层与cr层，在离子氮化层表面增加高偏压crn层与crn过渡层，设置硬度和化学梯度过渡，防止刀具在使用过程中受氧化、切削液、水分等因素导致的离子氮化层与cr层之间的界面分离，可以显著增加基材本身的耐磨性对涂层的支撑效果，进而提升刀具的整体使用寿命。
附图说明
21.图1是本发明涂层的结构示意图，其中，1-基体材料；2-离子氮化层；3-高偏压crn层；4-crn过渡层；5-cr打底层；6-电弧类金刚石层。
22.图2是本发明沉积得到的表面硬化层的显微镜度。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
24.实施例1对已经淬火和充分回火热处理过的skd61材料铝用单刃铣刀，抛光去除刃口毛刺；用工业超声波清洗线清洗铣刀表面油污，烘干，载入涂层夹具中，装入涂层炉内抽真空至5e-5mbar，温度加热至450℃。用离子源和氩气蚀刻铣刀表面60min。保持离子源为工作状态，继续通入氩气，并增加通入氮气和氢气的混合气体，其中氩气、氮气、氢气的流量为1:1:3，涂层炉内总的气压保持在2e-2mbar，偏压设置为100v，进行离子氮化。离子氮化时间120min，渗氮层深度为45μm（微米），表层硬度1050hv。在真空状态下让炉温自然冷却至260℃。在氮化过的铣刀表面沉积溅射高偏压crn层，偏压为600v，n含量50-55%，厚度0.2μm；接着在crn层表面沉积溅射crn梯度过渡层，偏压50v，n含量由高至低梯度变化，直至n含量为0，过渡层厚度0.2μm；再在过渡层表面沉积厚度为0.2μm的溅射金属cr层；启电弧石墨靶，设置石墨靶电流为120a，偏压电源150v，氩气气压1e-2mbar，沉积厚度为0.5μm的类金刚石薄膜。测量同材质随炉试片上的电弧类金刚石薄膜硬度为5500
±
500hv，划痕结合力40.5n，而未经过离子氮化工艺处理的试片划痕结合力仅为18.3n。经过切削测试对比，没有经过离子氮化工艺处理的涂层铣刀可加工80pcs铝合金工件，按照本发明工艺涂层的铣刀在加工到80pcs时仍能保持良好的表面质量，最终寿命可以达到110-120pcs，具有显著的提升效果。
25.实施例2对已经做过热处理硬度为62hrc的m2材质d3.0高速钢钻头，表面做湿喷砂处理以去除毛刺；超声波清洗、烘干后装入涂层炉内，真空抽至8e-5mbar，温度加热至500℃。用离子源和氩气蚀刻钻头表面30min。保持离子源为工作状态，继续通入氩气，并增加通入氮气和氢气的混合气体，其中氩气、氮气、氢气的流量为1:1:3，涂层炉内总的气压保持在2e-2mbar，偏压设置为100v，进行离子氮化。离子氮化时间90min，渗氮层深度为40μm，表层硬度可达1180hv；在真空状态下让炉温自然冷却至150℃。在氮化过的钻头表面沉积溅射高偏压crn层，偏压为580v，n含量45-50%，厚度0.2μm；在所述crn层表面沉积溅射crn梯度过渡层，偏压200v，n含量由高至低梯度变化，直至n含量为0，过渡层厚度0.5μm；再在过渡层表面沉
积厚度为0.1-0.2μm的溅射金属cr层；开启电弧石墨靶，设置石墨靶电流为120a，偏压电源150v，氩气气压1e-2mbar，沉积厚度为1.0μm的类金刚石薄膜。
26.测量同材质随炉试片上的电弧类金刚石薄膜硬度为5500
±
500hv，划痕结合力49.0n，而没有经过离子氮化工艺处理的试片划痕结合力仅为21.2n。经过铝合金钻孔测试对比，没有经过离子氮化工艺处理的涂层钻头加工500孔左右即发生严重的毛刺、粘屑；按照本发明工艺涂层的钻头可加工1000-1200孔，使用寿命提升1倍以上。
27.图1是本发明涂层的结构示意图，表明以本发明制备方法依次在工具钢材质表面沉积制备得到离子氮化层、高偏压crn层、crn过渡层、cr打底层、电弧类金刚石层。
28.图2表明了本发明沉积得到的表面硬化层的显微镜度，有效氮化层深度可达70μm，可见采用本发明的技术方案，可以显著提升基础材质表面硬化层的显微镜度。
29.本发明对已经做过高温回火热处理的工具钢材质类铝合金刀具，表面先进行高温离子氮化，在工作面形成一层厚度为几十微米的硬质的离子氮化层；另外还沉积有crn层、crn过渡层与cr层，在离子氮化层表面增加高偏压crn层与crn过渡层，设置硬度和化学梯度过渡，防止刀具在使用过程中受氧化、切削液、水分等因素导致的离子氮化层与cr层之间的界面分离，可以显著增加基材本身的耐磨性对涂层的支撑效果，进而提升刀具的整体使用寿命。
30.以上所述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。