CN102500778A - Ws2软涂层纳织构自润滑刀具及其制备方法 - Google Patents

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本发明提供的一种WS2软涂层纳织构自润滑刀具及其制备方法，属于机械切削刀具制造技术领域。该刀具基体材料为高速钢或硬质合金，刀具前刀面刀-屑接触区带有飞秒激光加工出的纳织构，在纳织构刀具表面采用中频磁控溅射沉积+多弧离子镀法沉积WS2软涂层，WS2软涂层与纳织构表面之间含有一层Zr过渡层。该刀具在干切削时不仅具有软涂层自润滑效应，还具有纳织构自润滑效应，这种双重自润滑效应能极大地改善刀具干切削时的摩擦润滑状态，可减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损。该WS2软涂层纳织构自润滑刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。

Description

WS2软涂层纳织构自润滑刀具及其制备方法
一、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WS2软涂层纳织构自润滑刀具及其制备方法。
二、背景技术
自润滑刀具是指刀具材料本身具有减摩、抗磨和润滑功能，可在无外加润滑液或润滑剂的条件下实现自润滑切削加工。由于自润滑刀具的应用可减小摩擦与磨损，省去冷却润滑系统，减少设备投资，避免切削液造成的环境污染，实现清洁化生产，因此，自润滑刀具是一种洁净的干切削刀具。软涂层自润滑刀具是指将固体润滑剂通过涂层的办法直接涂覆于刀具表面，从而实现刀具的自润滑功能。软涂层的主要成分为具有低摩擦因数的固体润滑剂，这些具有层状结构的固体润滑剂剪切强度较低且易附着于摩擦表面，从而可在切削过程中起到减摩作用。纳织构自润滑刀具是指在刀具前刀面刀—屑接触区域加工出纳米级别的织构，在纳织构中添加固体润滑剂，切削时由于高温的作用使纳织构中的固体润滑剂软化而拖敷于刀具表面，在刀—屑接触区形成连续的固态润滑膜，从而实现刀具本身的自润滑。
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，该刀具表面为MoS2层，MoS2层与刀具基体之间具有Ti、MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr过度层。中国专利“申请号：200710017168.3”报道了一种微池自润滑刀具及其制备方法，它是采用微细电火花技术或激光加工技术在刀具前刀面刀—屑接触区加工出多个微孔，将固体润滑剂填充到微孔中，在切削时润滑剂析出形成润滑膜从而起到润滑作用。中国专利“申请号：201110089826.6”报道了一种微织构自润滑钻头及其制备方法，它是采用飞秒激光加工技术在钻头前刀面刀—屑接触区加工出不同形貌的槽或孔微织构，然后在槽和孔中填充固体润滑剂，从而实现钻头的自润滑。
三、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WS2软涂层纳织构自润滑刀具及其制备方法。该刀具在干切削时不仅具有软涂层自润滑效应，还具有纳织构自润滑效应，这种双重自润滑效应能极大地改善刀具干切削时的摩擦润滑状态，可减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损。
本发明是通过以下方式实现的。
WS2软涂层纳织构自润滑刀具，基体材料为高速钢或硬质合金，刀具前刀面刀—屑接触区带有纳织构，纳织构表面沉积有WS2软涂层，WS2软涂层与纳织构表面之间含有一层Zr过渡层。
WS2软涂层纳织构自润滑刀具制备方法，采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面刀—屑接触区域加工出纳米级织构；然后用中频磁控溅射沉积+多弧离子镀法在纳织构刀具表面沉积一层Zr过渡层和WS2软涂层，其制备方法为：
(一)在刀具表面加工纳米级织构
先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，然后采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面刀—屑接触区域加工出外观为月牙洼形状，内部为条状沟槽的纳米级织构，槽宽为10～50nm，深度为5～20nm，槽间距为50～100nm。
(二)在纳织构刀具表面沉积软涂层
(1)前处理：将纳织构的刀具依次放入酒精、丙酮中超声清洗各15-20min，干燥充分后迅速放入真空室，真空室本底真空1.0×10-2Pa，加热至150-200℃，开启旋转工件台，保温20-30min；
(2)离子清洗：通Ar气，其压力为1.5Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗20min；偏压降低至200V，开启电弧源Zr靶，靶电流60A，溅射清洗2-4min；
(3)沉积Zr：调整Ar气压为0.5Pa，偏压降低至150V，Zr靶电流调为70A，多弧离子镀Zr 2-3min；
(4)沉积WS2：停电弧源Zr靶，停止工件台的转动，并使刀具停留在WS2靶的正前方，把偏压降至100V，开启离子源，再开中频磁控WS2靶，把WS2靶电流调为0.5A，然后每隔2min升高0.1A WS2靶电流，直至WS2靶电流升为1A；从溅射沉积WS2开始每隔30min，调整一次偏压，先降低后升高，依次为100V，75V，50V，75V，100V；中频磁控溅射沉积WS2 120-150min；
(5)后处理：关闭WS2靶，关闭偏压电源、离子源及气体源，保温30-40min，然后涂层结束。
通过上述工艺制备的WS2软涂层纳织构自润滑刀具，在干切削时不仅具有软涂层自润滑效应，还具有纳织构自润滑效应，这种双重自润滑效应能极大地改善刀具干切削时的摩擦润滑状态，可减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损。
四、附图说明
图1为本发明的WS2软涂层纳织构自润滑刀具的结构示意图。图中：1为刀具基体、2为刀具前刀面刀—屑接触区域内的纳米级织构、3为WS2软涂层。
五、具体实施方式：
下面给出本发明的两个最佳实施例：
实施例一：一种WS2软涂层纳织构自润滑刀具及其制备方法，该刀具的基体材料为YT15硬质合金；其特征是刀具前刀面刀—屑接触区带有纳织构，纳织构表面沉积有WS2软涂层，WS2软涂层与纳织构表面之间含有一层Zr过渡层。WS2软涂层纳织构自润滑刀具的制备过程分为两步，首先采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面刀—屑接触区域加工出纳米级别的织构；然后采用中频磁控溅射沉积+多弧离子镀法在纳织构刀具表面沉积WS2软涂层。其制备方法的具体步骤为：
步骤一、在刀具表面加工纳米级织构
先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，然后采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面刀—屑接触区域加工出外观为月牙洼形状，内部为条状沟槽的纳米级别的织构，槽宽为20，深度为10nm左右，槽间距为60。
步骤二、在纳织构刀具表面沉积软涂层
(1)前处理：将纳织构的刀具依次放入酒精、丙酮中超声清洗各15min，干燥充分后迅速放入真空室，真空室本底真空1.0×10-2Pa，加热至200℃，开启旋转工件台，保温30min；
(2)离子清洗：通Ar气，其压力为1.5Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗20min；偏压降低至200V，开启电弧源Zr靶，靶电流60A，溅射清洗2min；
(3)沉积Zr：调整Ar气压为0.5Pa，偏压降低至150V，Zr靶电流调为70A，多弧离子镀Zr 2min；
(4)沉积WS2：停电弧源Zr靶，停止工件台的转动，并使刀具停留在WS2靶的正前方，把偏压降至100V，开启离子源，再开中频磁控WS2靶，把WS2靶电流调为0.5A，然后每隔2min升高0.1A WS2靶电流，直至WS2靶电流升为1A。从溅射沉积WS2开始每隔30min，调整一次偏压，先降低后升高，依次为100V，75V，50V，75V，100V。中频磁控溅射沉积WS2 150min；
(5)后处理：关闭WS2靶，关闭偏压电源、离子源及气体源，保温40min，然后涂层结束。
实施例二：一种WS2软涂层纳织构自润滑刀具及其制备方法，该刀具的基体材料为W6Mo5Cr4V2高速钢；其特征是刀具前刀面刀—屑接触区带有纳织构，纳织构表面沉积有WS2软涂层，WS2软涂层与纳织构表面之间含有一层Zr过渡层。WS2软涂层纳织构自润滑刀具的制备过程分为两步，首先采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面刀—屑接触区域加工出纳米级别的织构；然后采用中频磁控溅射沉积+多弧离子镀法在纳织构刀具表面沉积WS2软涂层。其制备方法的具体步骤为：
步骤一、在刀具表面加工纳米级织构
先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，然后采用钛宝石飞秒激光器系统在刀具前刀面刀—屑接触区域加工出外观为月牙洼形状，内部为条状沟槽的纳米级别的织构，槽宽为40，深度为15nm左右，槽间距为80。
二、在纳织构刀具表面沉积软涂层
(1)前处理：将纳织构的刀具依次放入酒精、丙酮中超声清洗各20min，干燥充分后迅速放入真空室，真空室本底真空1.0×10-2Pa，加热至150℃，开启旋转工件台，保温20min；
(2)离子清洗：通Ar气，其压力为1.5Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗20min；偏压降低至200V，开启电弧源Zr靶，靶电流60A，溅射清洗4min；
(3)沉积Zr：调整Ar气压为0.5Pa，偏压降低至150V，Zr靶电流调为70A，多弧离子镀Zr 3min；
(4)沉积WS2：停电弧源Zr靶，停止工件台的转动，并使刀具停留在WS2靶的正前方，把偏压降至100V，开启离子源，再开中频磁控WS2靶，把WS2靶电流调为0.5A，然后每隔2min升高0.1A WS2靶电流，直至WS2靶电流升为1A。从溅射沉积WS2开始每隔30min，调整一次偏压，先降低后升高，依次为100V，75V，50V，75V，100V。中频磁控溅射沉积WS2 120min；
(5)后处理：关闭WS2靶，关闭偏压电源、离子源及气体源，保温30min，然后涂层结束。

Claims (2)

1.WS2软涂层纳织构自润滑刀具，基体材料为高速钢或硬质合金，其特征是刀具前刀面刀—屑接触区带有纳织构，纳织构表面沉积有WS2软涂层，WS2软涂层与纳织构表面之间含有一层Zr过渡层。
2.WS2软涂层纳织构自润滑刀具制备方法，其特征在于采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面刀—屑接触区域加工出纳米级织构；然后用中频磁控溅射沉积+多弧离子镀法在纳织构刀具表面沉积一层Zr过渡层和WS2软涂层，其制备方法为：
(一)在刀具表面加工纳米级织构
先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，然后采用飞秒激光加工技术在刀具前刀面刀—屑接触区域加工出外观为月牙洼形状，内部为条状沟槽的纳米级织构，槽宽为10～50nm，深度为5～20nm，槽间距为50～100nm；
(二)在纳织构刀具表面沉积软涂层
(1)前处理：将纳织构的刀具依次放入酒精、丙酮中超声清洗各15-20min，干燥充分后迅速放入真空室，真空室本底真空1.0×10-2Pa，加热至150-200℃，开启旋转工件台，保温20-30min；
(2)离子清洗：通Ar气，其压力为1.5Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗20min；偏压降低至200V，开启电弧源Zr靶，靶电流60A，溅射清洗2-4min；
(3)沉积Zr：调整Ar气压为0.5Pa，偏压降低至150V，Zr靶电流调为70A，多弧离子镀Zr 2-3min；
(4)沉积WS2：停电弧源Zr靶，停止工件台的转动，并使刀具停留在WS2靶的正前方，把偏压降至100V，开启离子源，再开中频磁控WS2靶，把WS2靶电流调为0.5A，然后每隔2min升高0.1AWS2靶电流，直至WS2靶电流升为1A；从溅射沉积WS2开始每隔30min，调整一次偏压，先降低后升高，依次为100V，75V，50V，75V，100V；中频磁控溅射沉积WS2 120-150min；
(5)后处理：关闭WS2靶，关闭偏压电源、离子源及气体源，保温30-40min，然后涂层结束。
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