CN103436883A - 基于电火花沉积制备的自润滑涂层刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于电火花沉积制备的自润滑涂层刀具及其制备方法，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，采用软金属微细管状电极或端面带微结构的电极，在管状电极或电极的微结构中填充满固体润滑剂，然后在刀具表面采用电火花沉积制备自润滑涂层。本发明利用电火花沉积技术，使该刀具在干切削时不仅具有自润滑效应，还具有高的结合强度，这种结果，一方面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，另一方面，可以提高刀具的使用寿命。该自润滑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
技术领域
本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种基于电火花沉积制备的自润滑涂层刀具及其制备方法。
背景技术
在切削加工过程中，刀具前刀面、后刀面不断与切屑和工件接触，并发生强烈摩擦，会造成刀具钝化，工件表面质量恶化。同时，摩擦还会造成大量能量损耗。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。但是在高速切削下，由于切削高温较高，在切削高温作用下，切削液润滑存在润滑不充分、性能衰退等缺点。因此，对于高速切削和干切削等存在很高切削高温的场合，传统的方法已经不能满足润滑的要求。
另一方面，切削液的制造、使用、处理及排放需消耗大量的能源和资源，研究表明：使用切削液一项的费用约占零件制造成本的17%，甚至更高。并且切削液在各个时期均会对环境造成严重的污染，严重破坏了生态环境，危害人体健康。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切削技术。但由于干切削(尤其是高速干切削)时摩擦条件异常严酷，切削温度极高，刀具热磨损十分严重，导致刀具寿命偏低。
自润滑涂层刀具是解决这一问题的有效途径，它对阻止粘结、减小摩擦、降低磨损、提高刀具寿命、降低加工成本、减小资源消耗和防止切削液对环境的污染，实现绿色加工具有重大的理论和实际意义。因此，可以说自润滑涂层刀具是一种洁净的绿色加工刀具。
国内外学者对自润滑涂层刀具进行了许多研究，但是如何同时保证刀具自润滑涂层的结合强度、厚度、自润滑性能等方面的问题仍然未能有效解决。特别是涂层一旦发生局部损伤后，就不能修复，很容易导致整个涂层的破坏脱落。比如当涂层产生较大应力时，就会产生裂纹、剥落等，导致失效。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于电火花沉积制备的自润滑涂层刀具及其制备方法。通过电火花沉积使自润滑涂层与基体形成冶金型牢固结合，同时软金属与固体润滑剂形成的自润滑涂层，能够产生润滑的协同作用，提高自润滑性能。使该刀具在干切削时不仅具有自润滑效应，还具有高的结合强度，这种结果，一方面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，另一方面，可以提高自润滑涂层刀具的使用寿命。
本发明是通过以下方式实现的。
基于电火花沉积制备的自润滑涂层刀具，基体材料为高速钢或硬质合金，在刀具前刀面采用电火花沉积方法沉积自润滑涂层，与刀具基体形成冶金型牢固结合的自润滑涂层，自润滑涂层由软金属和固体润滑剂组成。
自润滑涂层刀具的制备方法，采用软金属微细管状电极或端面带微结构的电极，在管状电极或电极的微结构中填充满固体润滑剂，然后在刀具表面采用电火花沉积制备自润滑涂层，其制备方法为：
（一）电极的制备
（1）将数根软金属微细管捆扎在一起作为电极，并在电极中填充固体润滑剂。微细管的直径为0.5-3mm，微细管的数量为3-12。
（2）将软金属制备成电极，然后在电极端面加工出微孔或微线槽，并在其中填充固体润滑剂。微孔直径为0.5-3mm，深度为1-10mm；微线槽外观为环状或直线状沟槽，内部为条状沟槽，槽宽为0.1～1mm，深度为0.5～5mm，槽间距为0.1～1mm。
上述电极制备中，所述软金属为铜、镍、锌、锡，固体润滑剂为BN、MoS2、CaF2、WS2、BN 或石墨。
（二）刀面表面自润滑涂层的沉积
（1）先将刀具基体材料用80-200#砂纸打磨，去除基体表面的氧化膜，然后再选用600-1000#砂纸进行打磨，接着用丙酮进行超声清洗5-15min，去除表面油污，然后放入真空干燥箱内干燥后，备用。
（2）将刀具基体材料安装在沉积机的工作台上，将电极安装在沉积机的手柄上。
（3）开启脉冲电源，保持放电电压为60-90V，放电电流为1.5-10A，放电脉冲宽度为20-80μs，电极的移动速度尽量保持匀速，电极与基体表面的夹角保持在 60°-90°范围内，然后按一定的方向使电极匀速的在工件表面上左右移动，以保证沉积层的质量。
本发明的有益效果是：本发明利用电火花沉积技术，使自润滑涂层与基体具有冶金结合的特点，结合力强，利用软金属（本身也是良好的固体润滑剂）与固体润滑剂的协同作用提高自润滑性能，从根本上解决了 自润滑涂层刀具的自润滑涂层结合力小、涂层较薄的问题。该刀具在干切削时不仅具有自润滑效应，还具有高的结合强度，这种结果，一方面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，另一方面，可以提高刀具的使用寿命。
附图说明
附图为微孔在铜电极端面的排列方式。图中，1为填充固体润滑剂的微孔，2为铜电极。
具体实施方式
下面给出本发明的三个最佳实施例：
实施例1：
一种基于电火花沉积制备的自润滑涂层刀具及其制备方法，该刀具的基体材料为YT15 硬质合金，电极采用铜微管捆扎而成。具体制备步骤如下：
（一）电极的制备
将6根直径1mm的铜管填充BN粉末，颗粒平均直径为2微米。然后将6根铜管用细铜丝紧紧捆扎成一体，将整个捆好的铜管作为电极。
（二）刀面表面自润滑涂层的沉积
（1）先将刀具基体材料用80#砂纸打磨，去除基体表面的氧化膜，然后再选用600#砂纸进行打磨，接着用丙酮进行超声清洗15min，去除表面油污，然后放入真空干燥箱内干燥后，备用。
（2）将刀具基体材料安装在沉积机的工作台上，将电极安装在沉积机的手柄上。
（3）开启脉冲电源，保持放电电压为90V，放电电流为2A，放电脉冲宽度为30μs，电极的移动速度尽量保持匀速，电极与基体表面的夹角保持在 60°-90°范围内，然后按一定的方向使电极匀速的在工件表面上左右移动，以保证沉积层的质量。
实施例2：
一种基于电火花沉积制备的自润滑涂层刀具及其制备方法，该刀具的基体材料为W6Mo5Cr4V2高速钢，采用铜制备成圆柱电极，端面加工微孔。具体制备步骤如下：
（一）电极的制备
将纯铜制备成直径为6mm的电极，在其端面钻削出微孔，微孔直径为1mm，深度为5mm，在其中填充MoS2固体润滑剂，颗粒平均直径为2um。微孔的排列方式如图所示。
二）刀面表面自润滑涂层的沉积
（1）先将刀具基体材料用80#砂纸打磨，去除基体表面的氧化膜，然后再选用600#砂纸进行打磨，接着用丙酮进行超声清洗15min，去除表面油污，然后放入真空干燥箱内干燥后，备用。
（2）将刀具基体材料安装在沉积机的工作台上，将电极安装在沉积机的手柄上。
（3）开启脉冲电源，保持放电电压为90V，放电电流为1.5A，放电脉冲宽度为20μs，电极的移动速度尽量保持匀速，电极与基体表面的夹角保持在 60°-90°范围内，然后按一定的方向使电极匀速的在工件表面上左右移动，以保证沉积层的质量。
实施例3：
一种基于电火花沉积制备的自润滑涂层刀具及其制备方法，该刀具的基体材料为YT15 硬质合金，电极采用镍微管捆扎而成。具体制备步骤如下：
（一）电极的制备
将5根直径2mm的镍管填充BN粉末，颗粒平均直径为2微米。然后将5根镍管用细铜丝紧紧捆扎成一体，将整个捆好的镍管作为电极。
（二）刀面表面自润滑涂层的沉积
（1）先将刀具基体材料用80#砂纸打磨，去除基体表面的氧化膜，然后再选用600#砂纸进行打磨，接着用丙酮进行超声清洗15min，去除表面油污，然后放入真空干燥箱内干燥后，备用。
（2）将刀具基体材料安装在沉积机的工作台上，将电极安装在沉积机的手柄上。
（3）开启脉冲电源，保持放电电压为90V，放电电流为2A，放电脉冲宽度为30μs，电极的移动速度尽量保持匀速，电极与基体表面的夹角保持在 60°-90°范围内，然后按一定的方向使电极匀速的在工件表面上左右移动，以保证沉积层的质量。
Claims (3)
1.基于电火花沉积制备的自润滑涂层刀具，基体刀具材料采用硬质合金或高速钢，其特征在于：利用电极在基体表面进行电火花沉积，与刀具基体形成冶金型牢固结合的自润滑涂层，自润滑涂层由软金属和固体润滑剂组成。
2.基于电火花沉积制备的自润滑涂层刀具的制备方法，其特征在于电极材料采用软金属微细管状电极或端面带微结构的电极，在管状电极或电极的微结构中填充满固体润滑剂，然后在刀具表面采用电火花沉积制备自润滑涂层，其制备方法为：
（一）电极的制备
（1）将数根软金属微细管捆扎在一起作为电极，并在电极中填充固体润滑剂，微细管的直径为0.5-3mm，微细管的数量为3-12；
（2）将软金属制备成电极，然后在电极端面加工出微孔或微线槽，并在其中填充固体润滑剂，微孔直径为0.5-3mm，深度为1-10mm；微线槽外观为环状或直线状沟槽，内部为条状沟槽，槽宽为0.1～1mm，深度为0.5～5mm，槽间距为0.1～1mm；
（二）刀面表面自润滑涂层的沉积
（1）先将刀具基体材料用80-200#砂纸打磨，去除基体表面的氧化膜，然后再选用600-1000#砂纸进行打磨，接着用丙酮进行超声清洗5-15min，去除表面油污，然后放入真空干燥箱内干燥后，备用；
（2）将刀具基体材料安装在电火花沉积机的工作台上，将电极安装在电火花沉积机的手柄上；
开启脉冲电源，保持放电电压为60-90V，放电电流为1.5-10A，放电脉冲宽度为20-80μs，电极的移动速度尽量保持匀速，电极与基体表面的夹角保持在 60°-90°范围内，然后按一定的方向使电极匀速的在工件表面上左右移动，以保证沉积层的质量。
3.根据权利要求1或2所述的软金属为铜、镍、锌、锡，固体润滑剂为BN、MoS2、CaF2、WS2、BN 或石墨。
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