專利名稱：一種鍍制超硬涂層的管道加工用螺紋梳刀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種螺紋梳刀，特別是涉及一種表面涂制TiN/TiAIN納米復合多層硬質涂層的硬質合金管道加工用螺紋梳刀。
背景技術：
石油行業(yè)需要的大量管材幾乎都采用管螺紋連接。由于管具材料有較高的機械強 度以及對管螺紋連接的高密封性要求，須采用高精度的硬質合金螺紋刀片來加工石油管螺 紋。90年代以來開發(fā)了多種含硬質合金的螺紋梳刀工具，提高了螺紋加工效率和加工精度。 新型螺紋梳刀研究開發(fā)的一個主流趨勢是盡可能提高硬質合金基材的利用率、提高管道加 工效率。中國實用新型專利02223076.9(公開號為0擬548748)開發(fā)的鑲嵌硬質合金炭素 螺紋梳刀，刀片和刀體所用材質不同。該螺紋梳刀刀體為碳素合金鋼，僅切削部位采用單刃 硬質合金刀片，刀體與刀片采用鑲嵌焊接連接，這樣減少了硬質合金的用量。中國實用新型 專利99240436. 3 (公開號為CN 2399139Y)公開的斜軸對稱雙刃螺紋梳刀則在一個刀體上 設計了兩個切削刃來提高硬質合金基基材的使用效率。上述結構設計雖然一定程度上降低 硬質合金用量或者提高硬質合金基材使用效率，但螺紋梳刀的壽命或者加工效率依然受到 硬質合金材料本身硬度、耐熱性能等的限制。螺紋梳刀工具壽命及加工效率的進一步提高 有待于在硬質合金基材上涂制硬度高、涂層_基體結合力高的先進涂層。中國實用新型專利02279793. 9 (公開號為CN 2575112Y)公開了一種硬質合金表 面的超硬涂層。這種涂層的結構為TiN作為過渡層，表層為CNX。雖然表層CNx可以較大幅 度提高硬質合金基體的表面硬度，但是CNxW熱穩(wěn)定性有待進一步提高。研究表明退火溫 度超過600°C時，將導致CNx膜中大多數(shù)C、N間的鍵合分離，造成N大量損失，膜的熱穩(wěn)定 性下降；退火還促使膜內Sp3型鍵向Sp2型鍵轉變，在膜中形成大量的Sp2型C鍵，導致CNx 膜的石墨化(李俊杰，金曾孫，吳漢華等.磁控濺射非晶CNx薄膜的熱穩(wěn)定性研究[J].材 料科學與工藝，12(1) (2004) :71-74)。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供加工效率高及使用壽命長的鍍 制超硬涂層的管道加工用螺紋梳刀。本實用新型基于目前國內螺紋梳刀的發(fā)展現(xiàn)狀，采用物理氣相沉積技術，在基體 表面先沉積TiN納米多層作為過渡層，然后再沉積納米多層TiAlN涂層，形成復合涂層，提 高了硬質合金螺紋梳刀的加工效率及使用壽命。本實用新型的目的通過如下技術方案實現(xiàn)—種鍍制超硬涂層的管道加工用螺紋梳刀，包括管道加工用螺紋梳刀基體，過渡 層TiN納米多層及外層TiAlN納米多層，形成表面涂制了 TiN/TiAIN納米復合多層硬質涂 層的硬質合金螺紋梳刀，所述TiN納米多層厚度為200-1000nm ；所述TiAlN納米多層厚度 為1-4 μ m ；過渡層TiN同基體管道加工用螺紋梳刀基體緊密結合。[0008]TiN納米多層和TiAlN納米多層厚度之和優(yōu)選為1. 2-5 μ m。過渡層TiN納米多層及外層TiAlN納米多層放入維氏硬度HV > 3200 ；過渡層TiN納米多層與基體結合力>55N。本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果本實用新型的TiN過渡層厚度為200-1000nm，為納米多層結構；TiAlN層厚度為 1-4 μ m,為納米多層結構，涂層同基體結合力超過55N，維氏硬度超過HV3200。本實用新 型以TiN作為涂層與基體合金的過渡層，發(fā)揮了改成分與硬質合金結合力高、韌性好的優(yōu) 勢，采用HCD電子槍與陰極多弧濺射結合，強化了該涂層同基體的結合力。外層采用富鋁 TiAIN，發(fā)揮其較佳高溫穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定溫度超過800°C )和硬度。通常硬質合金基體的維 氏硬度為HV1300-1700，通過涂制TiAlN涂層，其表面硬度具有很大程度的提高，從而提高 了梳刀的耐磨性及其使用壽命。本實用新型的螺紋梳刀適用于加工高強度管道材料。

圖1為本實用新型螺紋梳刀涂層結構剖面示意圖，其中2為硬質合金基體；1-2為 TiN納米鍍層過渡區(qū)；1-1為TiAlN納米多層涂層。
具體實施方式
為了更好地理解本實用新型，
以下結合附圖和實施例作進一步地描述。如圖1所示，一種鍍制超硬涂層的管道加工用螺紋梳刀，包括管道加工用螺紋梳 刀基體2、過渡層TiN納米多層1-2及外層TiAlN納米多層1_1，形成了表面涂制了 TiN/ TiAlN納米復合多層硬質涂層的硬質合金螺紋梳刀，該TiN納米多層厚度為200-1000nm ； TiAlN納米多層厚度為1-4 μ m;過渡層TiN同基體管道加工用螺紋梳刀基體緊密結合。納 米復合多層硬質涂層同管道加工用螺紋梳刀基體2結合力超過55N，納米復合多層硬質涂 層的維氏硬度超過HV3200。制備時，包括如下步驟和工藝條件(1)梳刀預處理將梳刀置于“強力”牌堿性金屬清洗液煮沸120分鐘表面除油； 室溫下將梳刀置于盛有堿性金屬清洗液的超聲清洗機(頻率40kHz)中超聲處理15分鐘； 將清洗后的梳刀放入純乙醇溶液脫水處理后置于120°C的烘箱中干燥60分鐘；(2)梳刀預加熱將經過預處理的梳刀裝入Balzers公司生產的BD 802 088BE真 空鍍膜爐中，調整工件臺公轉轉速為6轉/分鐘。抽真空達到5xlO_3Pa后，通入Ar氣，維持 真空度為2. 5x10^3，啟動HCD電子槍及爐體內加熱裝置；控制HCD電子槍電流在150A ；HCD 源的直流等離子體電弧直接照射銑刀表面，30分鐘后真空室溫度197°C。(3)梳刀表面清洗刻蝕繼續(xù)保持鍍膜爐真空室內壓力為2. SxlO-1Pa, HCD電子槍 電流為150A。按照以下順序依次開動一定數(shù)量陰極多弧鈦靶，靶電流85A，并對工件施加偏 壓先啟動2個陰極多弧鈦靶，對工件施加800V脈沖偏壓，施加8分鐘后關閉；其后啟動2 個陰極多弧鈦靶，對工件施加600V脈沖偏壓，施加12分鐘后關閉；再啟動3個陰極多弧鈦 靶，對工件施加400V脈沖偏壓，施加30分鐘后關閉。清洗結束真空室內溫度267°C。(4)過渡層TiN納米多層1-2制備關閉步驟(3)開動的陰極多弧鈦靶，保持步驟 (3)中Ar氣通入量，調節(jié)N2氣通入量使鍍膜爐真空室壓力增加到3. SxlO-1Pa ；聚焦HCD電子槍直流電弧于坩堝，蒸發(fā)坩鍋中純鈦5分鐘后關閉HCD電子槍、Ar氣源；調節(jié)N2流量，保 持真空壓力為l.OPa，按照以下順序依次啟動陰極多弧鈦靶，靶電流為90A，并對工件施加 偏壓先啟動2個陰極多弧鈦靶，對工件施加400V脈沖偏壓，施加5分鐘后關閉；隨后啟動 3個陰極多弧鈦靶，對工件施加300V脈沖偏壓，施加5分鐘后關閉；再啟動3個陰極多弧鈦 靶，對工件施加150V脈沖偏壓，施加15分鐘后關閉。(5)外層TiAlN納米多層1-1制備本步驟使用陰極多弧TiAl合金靶的成分為 Ti4QAl6Q。調節(jié)N2的流量保持真空室內總壓力為3. δχΙ ^Ρ 。首先啟動2個陰極多弧TiAl 合金靶，對工件施加200V脈沖偏壓，施加20分鐘后關閉；然后啟動3個陰極多弧TiAl合金 靶，對工件施加150V脈沖偏壓，施加20分鐘后關閉；再啟動3個陰極多弧TiAl合金靶，對 工件施加IOOV脈沖偏壓，施加30分鐘后關閉。陰極多弧TiAl合金靶電流為85Α，涂層結束 時鍍膜爐真空室溫度為389°C。制備的TiN/TiAIN納米復合多層硬質涂層為黑色，球磨痕跡測試涂層的總厚度為 3. 9 μ m。梳刀片涂層硬度經顯微硬度儀測試為HV3443 ；聲發(fā)射劃痕儀測試涂層結合力70N。
權利要求一種鍍制超硬涂層的管道加工用螺紋梳刀，其特征在于包括管道加工用螺紋梳刀基體，過渡層TiN納米多層及外層TiAlN納米多層，形成表面涂制了TiN/TiAlN納米復合多層硬質涂層的硬質合金螺紋梳刀，所述TiN納米多層厚度為200-1000nm；所述TiAlN納米多層厚度為1-4μm；過渡層TiN同基體管道加工用螺紋梳刀基體緊密結合。
2.根據(jù)權利要求1所述的鍍制超硬涂層的管道加工用螺紋梳刀，其特征在于TiN納米 多層和TiAlN納米多層厚度之和為1. 2-5 μ m。
專利摘要本實用新型公開了一種鍍制超硬涂層的管道加工用螺紋梳刀，包括管道加工用螺紋梳刀基體，過渡層TiN納米多層及外層TiAlN納米多層，形成表面涂制了TiN/TiAlN納米復合多層硬質涂層的硬質合金螺紋梳刀。所述TiN納米多層厚度為200-1000nm；所述TiAlN納米多層厚度為1-4μm；過渡層TiN同基體管道加工用螺紋梳刀基體緊密結合。涂層制備方法采用空心陰極直流等離子弧同空心陰極多弧離子鍍結合。本實用新型采用TiN作為過渡層，提高了整個涂層同基體的結合強度，有利于充分發(fā)揮TiAlN層的高硬度和高溫穩(wěn)定性。
文檔編號B23P15/48GK201552349SQ200920238219
公開日2010年8月18日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權日2009年10月30日
發(fā)明者彭繼華 申請人:華南理工大學