CN101746101A - 软硬复合涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种软硬复合涂层刀具及其制备方法。该刀具为基体材料为高速钢或硬质合金，其特征是涂层材料为：ZrN和MoS₂；刀具表面为MoS₂软涂层，MoS₂软层与刀具基体之间有Ti过渡层和ZrN硬涂层。属于多层结构，这种软硬复合涂层综合了MoS₂软涂层和ZrN硬涂层的优点，既具有较低的摩擦系数，又具有较高的硬度，使涂层刀具的性能有了较大提高。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。该软硬复合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

软硬复合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，特别是涉及一种软硬复合涂层刀具及其制备方法。

背景技术

根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即：“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。“硬”涂层刀具追求的主要目标是高的硬度和耐磨性，其主要优点是硬度高、耐磨性能好，典型的“硬”涂层物质有TiC、TiN、TiCN、Al₂O₃和TiAlN等。“软”涂层刀具追求的目标是低摩擦系数，也称为自润滑刀具，典型的“软”涂层物质是具有低摩擦系数的固体润滑材料(如：MoS₂、WS₂、BN、TaS₂等)。当前刀具涂层的发展趋势是：涂层成分趋于多元化和复合化。复合涂层可综合单涂层的优点，复合多涂层及其相关技术的出现，使涂层既可提高与基体的结合强度又具有多种材料的综合性能，使涂层刀具的性能有了很大提高。

中国专利(专利号ZL 200610068975.3)报道了“自润滑复合软涂层刀具及其制备方法”，它是采用中频磁控+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。文献(International Journal of Refractory Metals&Hard Materials.2008，26(3)：164-172)报道了ZrN硬涂层刀具。

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MoS₂/ZrN软硬复合涂层刀具及其制备方法。该刀具表面的涂层为MoS₂软涂层和ZrN硬涂层的复合，属于多层结构。这种软硬复合涂层综合了MoS₂软涂层和ZrN硬涂层的优点，既具有较低的摩擦系数，又具有较高的硬度，使涂层刀具的性能有了较大提高。

本发明是通过以下方式实现的。

软硬复合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软涂层+电弧法镀Ti过渡层和ZrN硬涂层，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，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空7.0×10^-3Pa，加热至200℃，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400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶0.5min；

(3)沉积Ti：调整Ar气压至0.4～0.5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 2～6min；

(4)沉积ZrN：调整工作气压为0.4～0.5Pa，偏压150V，Zr靶的靶电流80～100A；开启N₂，调整N₂与Ar气的分压为1∶1，沉积温度220～260℃，电弧镀ZrN60～80min；

(5)沉积MoS₂：开启MoS₂靶，偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr靶，沉积温度150～220℃，中频磁控沉积MoS₂80～150min。

(6)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。

通过上述方法制备的软硬复合涂层刀具，刀具表面为MoS₂软涂层，MoS₂层与刀具基体间有Ti过渡层和ZrN硬涂层。Ti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。这种软硬复合涂层综合了MoS₂软涂层和ZrN硬涂层的优点，既具有较低的摩擦系数，又具有较高的硬度，使涂层刀具的性能有了较大提高。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。该软硬复合涂层刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。

附图说明

图1为本发明的软硬复合涂层刀具的涂层结构示意图。图中：1为刀具基体、2为Ti过渡层、3为ZrN硬涂层、4为MoS₂软涂层。

具体实施方式：

下面给出本发明的二个最佳实施例：

实施例一：一种软硬复合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：ZrN和MoS₂；沉积方式为：中频磁控MoS₂软涂层+电弧法镀膜Ti过渡层和ZrN硬涂层。其制备方法的步骤如下：

(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，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空7.0×10^-3Pa，加热至200℃，保温30min；

(2)离子清洗：通Ar气，其压力为0.8Pa，开启偏压电源，电压800V，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400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶0.5min；

(3)沉积Ti：调整Ar气压至0.4～0.5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 3min；

(4)沉积ZrN：调整工作气压为0.4～0.5Pa，偏压150V，Zr靶的靶电流80A；开启N₂，调整N₂与Ar气的分压为1∶1，沉积温度220℃，电弧镀ZrN 65min；

(5)沉积MoS₂：开启MoS₂靶，偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr靶，沉积温度160℃，中频磁控沉积MoS₂ 80min。

(6)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。

实施例二：一种软硬复合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：ZrN和MoS₂；沉积方式为：中频磁控MoS₂软涂层+电弧法镀膜Ti过渡层和ZrN硬涂层。其制备工艺步骤如下：

(1)前处理：将YT14硬质合金基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空7.0×10^-3Pa，加热至200℃，保温40min；

(2)离子清洗：通Ar气，其压力为1.0Pa，开启偏压电源，电压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400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶0.5min；

(3)沉积Ti：调整Ar气压至0.4～0.5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 5min；

(4)沉积ZrN：调整工作气压为0.4～0.5Pa，偏压150V，Zr靶的靶电流90A；开启N₂，调整N₂与Ar气的分压为1∶1，沉积温度250℃，电弧镀ZrN 80min；

(5)沉积MoS₂：开启MoS₂靶，偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr靶，沉积温度160℃，中频磁控沉积MoS₂ 120min。

(6)后处理：关闭MoS₂靶，开离子源轰击8min。关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

Claims (2)

1.软硬复合涂层刀具，基体材料为高速钢或硬质合金，其特征是涂层材料为：ZrN和MoS₂；刀具表面为MoS₂软涂层，MoS₂软层与刀具基体之间有Ti过渡层和ZrN硬涂层。

2.软硬复合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软涂层+电弧法镀Ti过渡层和ZrN硬涂层，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，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空7.0×10^-3Pa，加热至200℃，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400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶0.5min；

(3)沉积Ti：调整Ar气压至0.4～0.5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 2～6min；

(4)沉积ZrN：调整工作气压为0.4～0.5Pa，偏压150V，Zr靶的靶电流80～100A；开启N₂，调整N₂与Ar气的分压为1∶1，沉积温度220～260℃，电弧镀ZrN 60～80min；

(5)沉积MoS₂：开启MoS₂靶，偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr靶，沉积温度150～220℃，中频磁控沉积MoS₂ 80～150min；

(6)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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