CN100417519C - 自润滑复合软涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

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本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种自润滑复合软涂层刀具及其制备方法。该刀具为采用中频磁控+多弧法镀膜方法制备的MoS2/Zr/Ti复合涂层刀具，刀具表面为MoS2层，MoS2层与刀具基体之间具有Ti、MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr过渡层。该刀具进行干切削时，刀具表面能形成具有润滑作用的连续固态润滑层，从而实现刀具的自润滑功能，切削过程中可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。该自润滑复合软涂层刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。

Description

自润滑复合软涂层刀具及其制备方法
技术领域
本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种自润滑复合软涂层刀具及其制备方法。
背景技术
目前，国内外减小刀具切削加工时的摩擦磨损的主要办法是使用具有一定润滑作用的切削液。切削液的主要作用是改善加工过程的摩擦润滑状态，降低切削温度，从而提高刀具寿命。但在高速切削过程中，采用切削液润滑存在以下不足：(1)在高温作用下切削液中的添加剂很难与刀具表面发生作用而形成能充分接触的边界膜。(2)切削液随温度升高，其粘性呈指数下降；(3)高温环境下液态润滑性能的衰退。因此，对于高速干切削等存在很高切削高温的场合，传统的方法已经不能很好的满足润滑的要求。另一方面，切削液的制造、使用及排放需消耗大量的能源和资源，并且切削液在各个时期均会对环境造成严重污染。解决这一问题的最有效途径是采用少、无切削液的对环境友好的绿色干加工技术。但高速干切削时，由于缺少切削液的润滑和冷却作用，刀具工件和刀具切屑之间的摩擦条件异常严酷，摩擦力增加，切削温度急剧上升，刀具的磨损非常严重。为此，急需寻求一种新的技术，来降低高速干切削时刀具与工件之间的摩擦系数。
中国专利“专利号ZL 2004100242261”报道了Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷刀具材料，它是将CaF2固体润滑剂添加到Al2O3/TiC陶瓷刀具材料中制成自润滑陶瓷复合刀具材料。中国专利“申请号：200510012957.9”报道了高速钢刀具固体润滑软涂层及制备方法，它是采用煮涂法，将预处理好的刀具放入配制好的煮涂液中，在刀具表面吸附一层固体润滑剂，然后采用浸涂法，将刀具放入浸涂液中固化，制成刀具软涂层。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种自润滑复合软涂层刀具及其制备方法。该刀具具有自润滑功能，其涂层为多层结构，刀具表面为MoS2层，MoS2层与刀具基体之间有Ti、MoS2/Zr/和MoS2/Zr过渡层，可减小残余应力，增加涂层与刀具基体间的结合强度。该自润滑复合软涂层刀具进行干切削时，刀具表面能形成具有润滑作用的连续固态润滑层，可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。
本发明是通过以下方式实现的。
自润滑复合软涂层刀具，基体材料为高速钢或硬质合金，涂层材料为：Ti、Zr和MoS2；刀具表面为MoS2层，MoS2层与刀具基体之间有Ti、MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr过渡层。
自润滑复合软涂层刀具的制备方法，其特征在于沉积方式为：中频磁控沉积MoS2+多弧法镀Zr和Ti，其制备方法的步骤为：
(1)前处理：将刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精、丙酮中超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入真空室，真空室本底真空7.0×10-3Pa，加热至160℃，保温30～40min；
(2)离子清洗：通Ar气，其压力为0.6～1.5Pa，开启偏压电源，电压800～900V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；偏压降低至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压300V，靶电流45～50A，离子轰击Ti靶0.5min；
(3)沉积Ti：调整Ar气压为0.4～0.5Pa，偏压降低至200V，电弧镀Ti3～5min；
(4)沉积MoS2/Ti/Zr：开启MoS2靶和Zr靶，复合沉积MoS2/Ti/Zr8～12min，其中Ti靶电流50～60A；Zr靶电流60～70A；MoS2靶电流1.3～1.6A；
(5)沉积MoS2/Zr：关闭Ti靶，将偏压从200V逐步降低至50V，然后再将偏压逐步升高至200V，这一过程持续时间为60～80min，交替开启和关闭离子源；
(6)沉积MoS2：偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr靶，沉积MoS2 10～15min；
(7)后处理：关闭MoS2靶，开离子源轰击5～8min，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。
通过上述工艺制备的MoS2/Zr/Ti自润滑复合软涂层刀具，刀具表面为MoS2层，MoS2层与刀具基体间具有Ti、MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr过渡层，可减小残余应力，增加涂层与刀具基体间的结合强度。该刀具进行干切削时，刀具表面能形成具有润滑作用的连续固态润滑层，从而实现刀具的自润滑功能。由于固体润滑剂具有较低的剪切强度，存在于刀具表面的固态润滑层会转移到工件材料表面，形成转移膜，切削过程中摩擦发生在固态润滑层内部，从而可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。该自润滑复合软涂层刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工，利用自润滑复合软涂层刀具进行干切削是一种环境效益和经济效益俱佳的工艺选择，具有广阔应用前景。
附图说明
图1为本发明的自润滑复合软涂层刀具的涂层结构示意图。图中：1为刀具基体、2为Ti层、3为MoS2/Zr/Ti层、4为MoS2/Zr层、5为MoS2层。
具体实施方式：
下面给出本发明的二个最佳实施例：
实施例一：一种自润滑复合软涂层刀具及其制备方法，该刀具的基体材料为：W18Cr4V高速钢；涂层材料为：Ti、Zr和MoS2；沉积方式为：中频磁控沉积MoS2+多弧法镀Zr和Ti。其制备工艺步骤如下：
(1)前处理：将W18Cr4V高速钢刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精、丙酮中超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入真空室，真空室本底真空7.0×10-3Pa，加热至160℃，保温30min；
(2)离子清洗：通Ar气0.8Pa，开启偏压电源，电压：800V，占空比：0.2，辉光放电清洗15min；降低偏压至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压300V，靶电流45A，离子轰击Ti靶0.5min；
(3)沉积Ti：调整Ar气压为0.4Pa，降低偏压至200V，电弧镀Ti3min；
(4)沉积MoS2/Ti/Zr：开启MoS2靶、Zr靶，复合沉积MoS2/Ti/Zr 8min。其中Ti靶电流：50A；Zr靶电流：60A；MoS2靶电流：1.3A；
(5)沉积MoS2/Zr：关闭Ti靶，将偏压从200V逐步降低至50V，然后再将偏压逐步升高至200V，这一过程持续时间为60min，交替开启和关闭离子源；
(6)沉积MoS2：偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr靶，沉积MoS210min；
(7)后处理：关闭MoS2靶，开离子源轰击5min，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。
实施例二：一种自润滑复合软涂层刀具及其制备方法，该刀具的基体材料为：YT14硬质合金；涂层材料为：Ti、Zr和MoS2；沉积方式为：中频磁控沉积MoS2+多弧法镀Zr和Ti。其制备工艺步骤如下：
(1)前处理：将YT14硬质合金刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精、丙酮中超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入真空室，真空室本底真空7.0×10-3Pa，加热至160℃，保温40min；
(2)离子清洗：通Ar气1.0Pa，开启偏压电源，电压：900V，占空比：0.2，辉光放电清洗15min；降低偏压至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压300V，靶电流50A，离子轰击Ti靶0.5min；
(3)沉积Ti：调整Ar气压为0.5Pa，降低偏压至200V，电弧镀Ti5min；
(4)沉积MoS2/Ti/Zr：开启MoS2靶、Zr靶，复合沉积MoS2/Ti/Zr 12min，其中Ti靶电流：60A；Zr靶电流：70A；MoS2靶电流：1.6A；
(5)沉积MoS2/Zr：关闭Ti靶，将偏压从200V逐步降低至50V，然后再将偏压逐步升高至200V，这一过程持续时间为80min，交替开启和关闭离子源；
(6)沉积MoS2：偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr靶，沉积MoS2 15min；
(7)后处理：关闭MoS2靶，开离子源轰击6min，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

Claims (2)

1. 自润滑复合软涂层刀具，基体材料为高速钢或硬质合金，其特征是涂层材料为：Ti、Zr和MoS2；刀具表面为MoS2层，MoS2层与刀具基体之间有Ti、MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr过渡层。
2. 自润滑复合软涂层刀具的制备方法，其特征在于沉积方式为：中频磁控沉积MoS2+多弧法镀Zr和Ti，其制备方法的步骤为：
(1)前处理：将刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精、丙酮中超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入真空，真空室本底真空7.0×10-3Pa，加热至160℃，保温30～40min；
(2)离子清洗：通Ar气，其压力为0.6～1.5Pa，开启偏压电源，电压800～900V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；偏压降低至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压300V，靶电流45～50A，离子轰击Ti靶0.5min；
(3)沉积Ti：调整Ar气压为0.4～0.5Pa，偏压降低至200V，电弧镀Ti3～5min；
(4)沉积MoS2/Ti/Zr：开启MoS2靶和Zr靶，复合沉积MoS2/Ti/Zr8～12min，其中Ti靶电流50～60A；Zr靶电流60～70A；MoS2靶电流1.3～1.6A；
(5)沉积MoS2/Zr：关闭Ti靶，将偏压从200V逐步降低至50V，然后再将偏压逐步升高至200V，这一过程持续时间为60～80min，交替开启和关闭离子源；
(6)沉积MoS2：偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr靶，沉积MoS210～15min；
(7)后处理：关闭MoS2靶，开离子源轰击5～8min，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。
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