CN102161106A - Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti双刀面涂层刀具及其制备工艺 - Google Patents

Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti双刀面涂层刀具及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

一种Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti双刀面涂层刀具及其制备工艺,刀具前刀面表面为MoS2/Ti润滑涂层,MoS2/Ti润滑涂层与刀具基体之间有Ti前刀面过渡层;刀具后刀面表面为TiN高硬度涂层,TiN高硬度涂层与刀具基体之间有Ti后刀面过渡层。制备工艺包括前处理、离子清洗、沉积前刀面Ti过渡层、沉积前刀面MoS2/Ti层、取样、重装炉、离子清洗、沉积后刀面Ti过渡层、沉积后刀面TiN层、后处理的步骤。本发明的双刀面涂层刀具综合了Ti-TiN高硬度涂层刀具和Ti-MoS2/Ti润滑涂层刀具的优点,既具有较高的硬度,又具有较低的摩擦系数,使涂层刀具的性能有了显著地提高;制备工艺能方便地生产出Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti组合涂层刀具,工艺容易掌握,生产过程稳定可靠。

Description

Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti双刀面涂层刀具及其制备工艺
技术领域
本发明属于机械制造金属切削刀具领域,涉及一种Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti双刀面涂层刀具及其制备工艺。
背景技术
根据涂层材料的性质,涂层刀具可分为两大类,即:“高硬度”涂层刀具和“润滑”涂层刀具。“高硬度”涂层刀具主要优点是硬度高、耐磨性能好,典型的“高硬度”涂层材料有TiN、TiCN、TiAlN和类金刚石等。“润滑”涂层刀具追求的目标是低摩擦系数,典型的“润滑”涂层材料为具有低摩擦系数的固体润滑材料,如:MoS2、WS2、TaS2等硫化物。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,既可提高涂层与基体的结合强度,又兼顾多种单涂层的综合性能,使涂层刀具的性能显著提高。
中国专利(专利号ZL 2006 1 0068975.3)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。该刀具在无切削液冷却、润滑的切削过程中,能够在刀具表面能形成具有润滑作用的润滑膜,从而实现刀具自身的润滑功能,但是这种润滑涂层硬度较低而导致刀具涂层尤其是后刀面涂层的耐磨性较差。文献[Acta Materials. 2011, 59(1): 68-74]报道了TiN硬涂层刀具切削加工时的作用机理,但是这种硬涂层由于较高的摩擦系数,限制了其广泛使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti双刀面涂层刀具及其制备工艺,该刀具克服了现有涂层刀具硬涂层和润滑涂层不能兼具的不足,综合了Ti-MoS2/Ti润滑涂层和Ti-TiN高硬度涂层的优点,前刀面具有自润滑作用,后刀面具有较高的硬度,显著提高了涂层刀具的切削性能;制备工艺能方便地生产出Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti组合涂层刀具。
本发明的目的是以如下方式实现的:Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti双刀面涂层刀具,刀具基体材料为高速钢或硬质合金,刀具前、后刀面具有不同的涂层,刀具前刀面表面为MoS2/Ti润滑涂层,MoS2/Ti润滑涂层与刀具基体之间有Ti前刀面过渡层;刀具后刀面表面为TiN高硬度涂层,TiN高硬度涂层与刀具基体之间有Ti后刀面过渡层。
所述的Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti双刀面涂层刀具的制备方法是:沉积方式为刀具后刀面电弧离子镀沉积Ti过渡层和TiN高硬度涂层;刀具前刀面电弧离子镀沉积Ti过渡层,中频磁控溅射MoS2及电弧离子镀Ti复合沉积MoS2/Ti润滑涂层,沉积时使用两个Ti电弧靶、两个MoS2中频溅射靶,具体步骤为:
a.前处理:将刀具基体表面抛光,去除表面油污、锈迹,然后依次放入酒精和丙酮中,超声清洗各25min,去除刀具表面油污和其它附着物,电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机,刀片后刀面贴后刀面紧密水平排列在工作台上,避免后刀面沉积涂层,抽真空至5.0×10-3 Pa,加热至300℃,保温30~40min;
b.离子清洗:通Ar气,其压力为1.5Pa,开启偏压电源,电压600V,占空比0.2,辉光放电清洗15min;降低偏压至200V,占空比0.2,开启离子源离子清洗20min,开启Ti靶的电弧源,偏压400V,靶电流50A,离子轰击Ti靶2min;
c.沉积前刀面Ti过渡层:调整Ar气压0.5~0.6 Pa,偏压降至250V,Ti靶电流80A,电弧镀Ti过渡层8~10min;
d.沉积前刀面MoS2/Ti层:Ti靶电流70A,偏压调至180V,沉积温度220~240 ℃,开启MoS2靶中频磁控溅射电源,电流1.5 A,复合沉积沉MoS2/Ti 层120min;
e.取样、重装炉:关闭各电源以及气体流量阀,待炉内温度降到50℃时,取出试样,电吹风吹掉刀具表面杂质,迅速放入镀膜机,两刀片前刀面对前刀面叠放在一起,避免前刀面沉积涂层,抽真空至5.0×10-3Pa,加热至250℃,保温30~40min;
f.离子清洗:通Ar气,其压力为1.5Pa,开启偏压电源,电压600V,占空比0.2,辉光放电清洗15min;降低偏压至200V,占空比0.2,开启离子源离子清洗20min,开启Ti靶的电弧源,偏压400V,靶电流50A,离子轰击Ti靶1min;
g.沉积后刀面Ti过渡层:调整Ar气压0.5~0.6Pa,偏压降至250V,Ti靶电流80 A,电弧镀Ti过渡层5~6 min;
h.沉积后刀面TiN层:Ar气压0.5Pa,偏压200V,Ti靶的靶电流80A;开启N2,N2气压为1.0Pa,沉积温度200~220℃,电弧镀TiN 70~80min;
i.后处理: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Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti双刀面涂层刀具,刀具前刀面表面为MoS2/Ti润滑涂层,MoS2/Ti涂层与基体间有Ti过渡层;刀具后刀面表面为TiN高硬度涂层,TiN涂层和刀具基体间有Ti过渡层。Ti过渡层主要是提高涂层与刀具基体间的结合性能。
本发明的双刀面涂层刀具综合了Ti-TiN高硬度涂层刀具和Ti-MoS2/Ti润滑涂层刀具的优点,既具有较高的硬度,又具有较低的摩擦系数,使涂层刀具的性能有了显著地提高。用这种双刀面涂层刀具进行干切削时,由于刀具前刀面Ti-MoS2/Ti涂层本身具有润滑作用,可以减小刀具与切屑之间的摩擦,从而降低前刀面的切削力和切削温度,减小刀具前刀面月牙洼磨损;同时,Ti-TiN高硬度涂层可提高刀具后刀面的耐磨性,弥补Ti-MoS2/Ti涂层刀具后刀面耐磨性较差的缺点,该双面涂层刀具可广泛应用于各种材料的干切削加工。涂层刀具制备工艺能方便地生产出Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti组合涂层刀具,工艺容易掌握,生产过程稳定可靠。
附图说明
附图是本发明双刀面涂层刀具的涂层结构示意图。
具体实施方式
实施例1
参照附图,刀具为普通的铣刀片,刀具基体1材料为硬质合金YT15;涂层材料为:Ti-TiN和Ti-MoS2/Ti,刀具前刀面表面为MoS2/Ti润滑涂层3,MoS2/Ti润滑涂层3与刀具基体1之间有Ti前刀面过渡层2;刀具后刀面表面为TiN高硬度涂层5,TiN高硬度涂层5与刀具基体1之间有Ti后刀面过渡层4。
沉积方式为:前刀面为弧离子镀沉积Ti过渡层和中频磁控溅射MoS2及电弧离子镀Ti复合沉积MoS2/Ti润滑涂层;后刀面为电弧离子镀沉积Ti过渡层和TiN高硬度涂层,其制备工艺步骤如下:
前处理:将硬质合金YT15刀具基体表面抛光,去除表面油污、锈迹等杂质,然后依次放入酒精和丙酮中,超声清洗各25min,去除刀具表面油污和其它附着物,电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机,刀片后刀面贴后刀面紧密水平排列在工作台上,抽真空至5.0×10-3 Pa,加热至300℃,保温30~40min;
离子清洗:通Ar气,其压力为1.5Pa,开启偏压电源,电压600V,占空比0.2,辉光放电清洗15min;降低偏压至200V,占空比0.2,开启离子源离子清洗20min,开启Ti靶的电弧源,偏压400V,靶电流50A,离子轰击Ti靶2min;
沉积前刀面Ti过渡层:调整Ar气压0.5~0.6 Pa,偏压降至250V,Ti靶电流80A,电弧镀Ti过渡层8~10min;
沉积前刀面MoS2/Ti层:Ti靶电流70A,偏压调至180V,沉积温度220~240℃,开启MoS2靶中频磁控溅射电源,电流1.5A,复合沉积沉MoS2/Ti层120min;
取样、重装炉:关闭各电源以及气体流量阀,待炉内温度降到50℃时,取出试样,电吹风吹掉刀具表面杂质,迅速放入镀膜机,两刀片前刀面对前刀面叠放在一起,抽真空至5.0×10-3 Pa,加热至250℃,保温30~40min;
离子清洗:通Ar气,其压力为1.5Pa,开启偏压电源,电压600V,占空比0.2,辉光放电清洗15min;降低偏压至200V,占空比0.2,开启离子源离子清洗20min,开启Ti靶的电弧源,偏压400V,靶电流50A,离子轰击Ti靶1min;
沉积后刀面Ti过渡层:调整Ar气压0.5~0.6 Pa,偏压降至250V,Ti靶电流80A,电弧镀Ti过渡层5~6 min;
沉积后刀面TiN层:Ar气压0.5Pa,偏压200V,Ti靶的靶电流80A;开启N2,N2气压为1.0 Pa,沉积温度200~220℃,电弧镀TiN70~80 min;
后处理:关闭各电源、离子源及气体源,涂层结束。
实施例2
参照附图,该刀具为普通焊接车刀,刀具基体材料为高速钢W18Cr4V,涂层材料为Ti-TiN和Ti-MoS2/Ti;刀具前刀面表面为MoS2/Ti润滑涂层3,MoS2/Ti润滑涂层3与刀具基体1之间有Ti前刀面过渡层2;刀具后刀面表面为TiN高硬度涂层5,TiN高硬度涂层5与刀具基体1之间有Ti后刀面过渡层4。
沉积方式为:前刀面为弧离子镀沉积Ti过渡层和中频磁控溅射MoS2及电弧离子镀Ti复合沉积MoS2/Ti润滑涂层;后刀面为电弧离子镀沉积Ti过渡层和TiN高硬度涂层,其制备工艺步骤如下:
前处理:将高速钢W18Cr4V车刀基体表面抛光,去除表面油污、锈迹等杂质,然后依次放入酒精和丙酮中,超声清洗各25min,去除刀具表面油污和其它附着物,电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机,刀片后刀面贴后刀面紧密水平排列在工作台上,抽真空至5.0×10-3 Pa,加热至300℃,保温30~40min;
离子清洗:通Ar气,其压力为1.5Pa,开启偏压电源,电压600V,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20min,开启Ti靶的电弧源,偏压400V,靶电流50A,离子轰击Ti靶2min;
沉积前刀面Ti过渡层:调整Ar气压0.5~0.6Pa,偏压降至250V,Ti靶电流80 A,电弧镀Ti过渡层8~10min;
沉积前刀面MoS2/Ti层: Ti靶电流70A,偏压调至180V,沉积温度220~240℃,开启MoS2靶中频磁控溅射电源,电流1.5 A,复合沉积沉MoS2/Ti层120min;
取样、重装炉:关闭各电源以及气体流量阀,待炉内温度降到50℃时,取出试样,电吹风吹掉刀具表面杂质,迅速放入镀膜机,两刀片前刀面对前刀面叠放在一起,抽真空至5.0×10-3 Pa,加热至250℃,保温30~40min;
离子清洗:通Ar气,其压力为1.5Pa,开启偏压电源,电压600V,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20min,开启Ti靶的电弧源,偏压400V,靶电流50A,离子轰击Ti靶1min;
沉积后刀面Ti过渡层:调整Ar气压0.5~0.6Pa,偏压降至250V,Ti靶电流80A,电弧镀Ti过渡层5~6min;
沉积后刀面TiN层:Ar气压0.5 Pa,偏压200V,Ti靶的靶电流80A;开启N2,N2气压为1.0 Pa,沉积温度200~220℃,电弧镀TiN 70~80min;
后处理:关闭各电源、离子源及气体源,涂层结束。

Claims (2)

1. 一种Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti双刀面涂层刀具,刀具基体材料为高速钢或硬质合金,其特征在于:刀具前刀面表面为MoS2/Ti润滑涂层(3),MoS2/Ti润滑涂层(3)与刀具基体(1)之间有Ti前刀面过渡层(2);刀具后刀面表面为TiN高硬度涂层(5),TiN高硬度涂层(5)与刀具基体(1)之间有Ti后刀面过渡层(4)。
2.一种如权利要求1所述的Ti-TiN&Ti-MoS2/Ti双刀面涂层刀具的制备方法,其特征在于:沉积方式为刀具后刀面电弧离子镀沉积Ti过渡层和TiN高硬度涂层;刀具前刀面电弧离子镀沉积Ti过渡层,中频磁控溅射MoS2及电弧离子镀Ti复合沉积MoS2/Ti润滑涂层,沉积时使用两个Ti电弧靶、两个MoS2中频溅射靶,具体步骤为:
a.前处理:将刀具基体表面抛光,去除表面油污、锈迹,然后依次放入酒精和丙酮中,超声清洗各25min,去除刀具表面油污和其它附着物,电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机,刀片后刀面贴后刀面紧密水平排列在工作台上,抽真空至5.0×10-3 Pa,加热至300℃,保温30~40min;
b.离子清洗:通Ar气,其压力为1.5 Pa,开启偏压电源,电压600V,占空比0.2,辉光放电清洗15min;降低偏压至200V,占空比0.2,开启离子源离子清洗20min,开启Ti靶的电弧源,偏压400V,靶电流50A,离子轰击Ti靶2min;
c.沉积前刀面Ti过渡层:调整Ar气压0.5~0.6Pa,偏压降至250V,Ti靶电流80A,电弧镀Ti过渡层8~10min;
d.沉积前刀面MoS2/Ti层:Ti靶电流70A,偏压调至180V,沉积温度220~240℃,开启MoS2靶中频磁控溅射电源,电流1.5A,复合沉积沉MoS2/Ti 层120 min;
e.取样、重装炉:关闭各电源以及气体流量阀,待炉内温度降到50℃时,取出试样,电吹风吹掉刀具表面杂质,迅速放入镀膜机,两刀片前刀面对前刀面叠放在一起,抽真空至5.0×10-3Pa,加热至250℃,保温30~40min;
f.离子清洗:通Ar气,其压力为1.5 Pa,开启偏压电源,电压600V,占空比0.2,辉光放电清洗15min;降低偏压至200V,占空比0.2,开启离子源离子清洗20min,开启Ti靶的电弧源,偏压400V,靶电流50A,离子轰击Ti靶1min;
g.沉积后刀面Ti过渡层:调整Ar气压0.5~0.6Pa,偏压降至250V,Ti靶电流80A,电弧镀Ti过渡层5~6min;
h.沉积后刀面TiN层:Ar气压0.5Pa,偏压200V,Ti靶的靶电流80A;开启N2,N2气压为1.0 Pa,沉积温度200~220℃,电弧镀TiN 70~80 min;
i.后处理:关闭各电源、离子源及气体源,涂层结束。
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