CN104532238A - 一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具的制备方法，包括将磨削后的刀具基体的表面沉积一过渡层；在有机溶剂里利用重力沉积将形核颗粒引种到过渡层上，再利用超声波振动将过渡层上的形核颗粒铺匀；最后再沉积一涂层，用于固定形核颗粒，且所述形核颗粒与形核颗粒表面覆盖的涂层组合成微凸体。本发明借鉴荷叶表面的疏水结构，能够大大降低刀具与加工材料的粘结性，提高加工效率和刀具使用寿命。

Description

一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具的制备方法
本申请是“一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具及其制备方法”的分案申请，原申请的申请日为2013年1月30日，申请号为：201310035500.4。
【技术领域】
本发明涉及一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具的制备方法。
【背景技术】
随着产品性能和使用要求的不断提高，对产品零部件的加工精度和加工效率要求越来越高，而各种新型难加工材料的不断涌现进一步增加了产品零部件的加工难度。而涂层刀具是解决加工难题的一个较好方案，刀具涂层优良的摩擦学性能和热障性能，对于提高加工效率和刀具寿命都有很大帮助。但是刀具涂层(特别是金属基刀具涂层)容易发生与被加工材料的粘结，加速涂层的磨损失效过程。传统方法主要是从改变涂层材料种类、性能这个方面来提高涂层的抗粘结性，主要是减少或替代涂层中会与被加工材料发生亲和的元素，同时提高涂层的硬度。由于被加工材料越来越多样，因此涂层材料种类的优化变得越来越困难，越来越复杂，同时涂层温度的提高是有极限的，传统方法难以更好更有效地提高涂层的抗粘结性。而从涂层表面微观结构入手来提高抗金属粘结能力和降低摩擦系数是一个新思路。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于仿生学的抗粘结刀具的制备方法，借鉴荷叶表面的疏水结构，能够大大降低刀具与加工材料的粘结性，提高加工效率和刀具使用寿命。
本发明是这样实现技术问题的：
一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤10、将磨削后的刀具基体的表面沉积一过渡层，所述过渡层为TiN过渡层，所述形核颗粒为Al2O3或SiO2形核颗粒，所述涂层为Ti-Al-N系涂层；
步骤20、在有机溶剂里利用重力沉积将形核颗粒引种到过渡层上，再利用超声波振动将过渡层上的形核颗粒铺匀；
步骤30、最后再沉积一涂层，用于固定形核颗粒，且所述形核颗粒与形核颗粒表面覆盖的涂层组合成微凸体。再对涂层表面进行清理，去掉不牢固的微凸体以及强化刀具刃口。
进一步地，所述涂层的厚度为2-4μm，所述微凸体的高度为3-5μm，所述微凸体间的间距为1-3μm，所述微凸体的密度为5万-50万个/mm2。
进一步地，所述微凸体为半球状，所述半球状的微凸体直径为3-5μm。
进一步地，所述有机溶剂为可挥发性有机溶剂。
进一步地，所述可挥发性有机溶剂为酒精。
本发明具有如下优点：
涂层表面微凸体的主要作用是防止金属材料粘结在涂层表面上；微凸体的间距太大，金属材料中的晶粒易于嵌入微凸体之间的间隙中，使微凸体失去抗粘结的作用；微凸体的间距太小，又会增加制造的难度；本发明所述微凸体间的间距为1-3μm，能够有效防止金属材料与涂层表面的粘结。微凸体外形采用半球形，此种形状可以有效减少应力集中，防止微凸体的脱落。本发明在消磨的刀具基体表面沉积一过渡层，能够降低粗糙度，提高形核颗粒引种的质量，以及提高涂层与刀具基体的结合力。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明抗粘结刀具表面在扫描电镜下的示意图。
图2为本发明抗粘结刀具与普通Ti-Al-N系涂层刀具的摩擦系数对比曲线图。
【具体实施方式】
请参阅图1和图2所示，对本发明的实施例进行详细的说明。
本发明涉及一种基于仿生学的抗粘结刀具，包括一刀具基体，所述刀具基体外覆有一过渡层，所述过渡层上引种有形核颗粒，所述形核颗粒外包覆有一涂层，且所述形核颗粒与形核颗粒表面覆盖的涂层组合成微凸体。
本发明还涉及一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤10、将磨削后的刀具基体的表面沉积一过渡层，
步骤20、在有机溶剂里利用重力沉积将形核颗粒引种到过渡层上，再利用超声波振动将过渡层上的形核颗粒铺匀；
步骤30、最后再沉积一涂层，用于固定形核颗粒，且所述形核颗粒与形核颗粒表面覆盖的涂层组合成微凸体。
所述有机溶剂为可挥发性有机溶剂。
较优的，所述可挥发性有机溶剂为酒精。
所述过渡层为TiN过渡层，所述形核颗粒为Al2O3或SiO2形核颗粒，所述涂层为Ti-Al-N系涂层；所述涂层的厚度为2-4μm，所述微凸体的高度为3-5μm，所述微凸体间的间距为1-3μm，所述微凸体的密度为5万-50万个/mm2；所述微凸体为半球状，所述半球状的微凸体直径为3-5μm。
重点参阅图2，图2为本发明抗粘结刀具与普通Ti-Al-N系涂层刀具的摩擦系数对比曲线图，利用型号为UMT-2的球-盘高速摩擦实验机进行摩擦实验，其中，横轴为摩擦时间，单位为秒；纵轴为摩擦系数值。由图2可知，本发明的抗粘结刀具的平均摩擦系数为0.56，普通Ti-Al-N系涂层刀具(即没有微凸体的Ti-Al-N系涂层刀具)的平均摩擦系数为0.74，且摩擦系数越高，表面刀具与加工材料之间的表面粘结力就越高，因此图2表明本发明抗粘结刀具的抗粘结性能强。
本发明借鉴荷叶表面的疏水结构，能够大大降低刀具与加工材料的粘结性，提高加工效率和刀具使用寿命。
涂层表面微凸体的主要作用是防止金属材料粘结在涂层表面上。微凸体的间距太大，金属材料中的晶粒易于嵌入微凸体之间的间隙中，使微凸体失去抗粘结的作用；微凸体的间距太小，又会增加制造的难度；本发明所述微凸体间的间距为1-3μm，能够有效防止金属材料与涂层表面的粘结。微凸体外形采用半球形，此种形状可以有效减少应力集中，防止微凸体的脱落。本发明在消磨的刀具基体表面沉积一过渡层，能够降低粗糙度，提高形核颗粒引种的质量，以及提高涂层与刀具基体的结合力。
值得一提的是，金属粘结过程的实质是金属内部晶粒的变形，晶界的滑移过程及晶粒嵌入对磨表面的过程。最优的微凸体形状和间距取决于金属材料的晶粒大小，因此不同材料的最优微凸体形状和间距有所不同。典型金属材料的晶粒大小为10～100μm，因此微凸体间距相应选择为1-3μm，即可有效防止金属材料的粘结。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
步骤10、将磨削后的刀具基体的表面沉积一过渡层，所述过渡层为TiN过渡层，所述形核颗粒为Al2O3或SiO2形核颗粒，所述涂层为Ti-Al-N系涂层；
步骤20、在有机溶剂里利用重力沉积将形核颗粒引种到过渡层上，再利用超声波振动将过渡层上的形核颗粒铺匀；
步骤30、最后再沉积一涂层，用于固定形核颗粒，且所述形核颗粒与形核颗粒表面覆盖的涂层组合成微凸体。
2.根据权利要求1所述的一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具，其特征在于：所述涂层的厚度为2-4μm，所述微凸体的高度为3-5μm，所述微凸体间的间距为1-3μm，所述微凸体的密度为5万-50万个/mm2。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具，其特征在于：所述微凸体为半球状，所述半球状的微凸体直径为3-5μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具，其特征在于：所述有机溶剂为可挥发性有机溶剂。
5.根据权利要求4所述的一种基于荷叶表面仿生学的抗粘结刀具，其特征在于：所述可挥发性有机溶剂为酒精。
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