CN104805404A - Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺 - Google Patents

Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺 Download PDF

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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Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺。该刀具基体材料为高速钢或硬质合金，采用多弧离子镀+中频磁控溅射的方法制备，刀具表面为Mo-W-S-C层，Mo-W-S-C层与刀具基体之间为Ti过渡层。该刀具涂层综合了MoS2、WS2、C三种固体润滑剂的优点，具有较高的硬度，较宽的温度适用范围，对加工环境有较好的适应性。在进行切削时，刀具表面的固体润滑剂会在工件材料表面形成转移膜，从而可减少粘结和摩擦，减小切削温度和刀具磨损，提高刀具使用寿命。该Mo-W-S-C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

Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺
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Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺。
二、背景技术
在刀具表面涂覆固体润滑剂可减小切削过程中刀具与工件间的摩擦，改善加工条件，是实现干切削加工的有效途径之一。石墨C、二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2均具有六方晶系层状结构，都是良好的固体润滑剂，但它们又各有特点。在大气条件下，石墨C在高温下的化学稳定性比二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2要好。二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2更适宜在真空条件下使用，石墨C更适宜在潮湿环境中使用。石墨C与刀具基体的附着力较弱，二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2中的S原子可以与刀具基体表面直接结合，附着力较强。因此，需要一种新的技术，综合石墨C、二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2的优良性能，使刀具涂层既具有较低的摩擦系数，又具有较宽的温度应用范围，对加工环境较好的适应性，且涂层与刀具基体间具有良好的结合性能，来满足干切削加工的要求。
中国专利“申请号：201110081807.9”报道了用MoS2粉末制成的溶胶涂覆在硬质合金刀具表面制备MoS2软涂层刀具，但这种方法制备的MoS2涂层与基体的结合强度较低；中国专利“申请号：201410263737.2”报道了TiSiN-WS2/Zr-WS2涂层刀具及其制备工艺，但这种方法制备的涂层由于使用多弧靶Zr靶制备WS2/Zr层，WS2/Zr层中Zr含量过多，降低了WS2的润滑性能。文献[Applied Surface Science 331(2015)66-71]报道了用直流磁控溅射方法制备的MoS2-C涂层，在C含量达到73.1at.％时，硬度达到最大值可达10.8GPa，但这种涂层的C含量过高，涂层的脆性增大，涂层与基体的结合强度降低，涂层易发生剥落。
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Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺。该刀具具有自润滑功能，该刀具综合了在刀具表面涂覆MoS2、WS2、C实现刀具自润滑功能的方法，Mo-W-S-C层具有较高的硬度，较低的摩擦系数，对加工环境较好的适应性，与刀具基体结合性能良好。
本发明是通过以下方式实现的。
Mo-W-S-C自润滑涂层刀具，刀具基体材料为高速钢或硬质合金，刀具表面为Mo-W-S-C层，Mo-W-S-C层与刀具基体之间为Ti过渡层。
制备所述的Mo-W-S-C自润滑涂层刀具的方法是：沉积方式为多弧离子镀沉积Ti过渡层+中频磁控溅射沉积Mo-W-S-C层，沉积时使用1个Ti靶、2个Mo-W-S-C复合靶，其制备工艺步骤为：
1.Mo-W-S-C自润滑涂层刀具，刀具基体材料为高速钢或硬质合金，其特征在于：刀具表面为Mo-W-S-C层，Mo-W-S-C层与刀具基体之间为Ti过渡层。
2.Mo-W-S-C自润滑涂层刀具制备工艺，其特征在于：沉积方式为多弧离子镀沉积Ti过渡层+中频磁控溅射沉积Mo-W-S-C层，沉积时使用1个Ti靶、2个Mo-W-S-C复合靶，其制备工艺步骤为：
(1)制备Mo-W-S-C复合靶：用数控加工方法沿直径为101.6mm，厚度为4.7mm的C靶的溅射区域内均布加工10～15个沿圆周分布的盲孔，盲孔的直径小于溅射区域的宽度，盲孔的深度为3mm，在盲孔内分别间隔放入与盲孔直径相同，厚度为5mm的C圆片、WS2圆片和MoS2圆片；
(2)安装Mo-W-S-C复合靶：在镀膜机真空室中频磁控溅射靶安装位置安装2个Mo-W-S-C复合靶；
(3)前处理：将刀具基体表面抛光至镜面，去除表面污染层，依次分别放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面油污和其他污染物，用吹风机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100～250℃，保温30～40min；
(4)离子清洗：通入Ar气，气压为1.5Pa，开启脉冲偏压电源，电压为800V，占空比为0.2，辉光清洗15min，偏压降至300～400V，气压降至0.5Pa，开启离子源，开启电弧源Ti靶，Ti靶电流为50～70A，离子清洗2～3min；
(5)沉积Ti层：偏压降至150～200V，Ti靶电流为65～75A，电弧镀Ti 3～7min；
(6)沉积Mo-W-S-C层：关闭Ti靶，开启2个Mo-W-S-C复合靶，靶电流为1～2A，偏压降至100V，每隔20～30min调整偏压依次为100V、75V、50V、75V、100V，沉积Mo-W-S-C层100～150min；
(7)后处理：关闭2个Mo-W-S-C复合靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压，沉积涂层结束。
通过调整放入盲孔中的C圆片、WS2圆片和MoS2圆片的数量，可调节Mo-W-S-C自润滑涂层中C元素、W元素和Mo元素的含量，使Mo-W-S-C自润滑涂层中的C元素最佳原子百分比在15％～40％之间、W元素最佳原子百分比在7％～25％之间、Mo元素最佳原子百分比在7％～25％之间。
通过上述工艺制备的Mo-W-S-C自润滑涂层刀具，Mo-W-S-C层与刀具基体间Ti过渡层的加入可减小残余应力，增加Mo-W-S-C层与刀具基体间的结合强度。
通过上述工艺制备的Mo-W-S-C自润滑涂层刀具，Mo-W-S-C层硬度的提高主要有以下机理：(1)C元素的加入使MoS2晶格发生畸变，产生固溶强化；(2)C元素的加入使WS2晶格发生畸变，产生固溶强化；(3)C元素的加入能与WS2中的W元素生成WC硬质合金相。Mo-W-S-C层润滑性能的提高主要有以下机理：(1)C元素的加入提高了Mo-W-S-C层在高温下的化学稳定性；(2)MoS2、WS2的加入提高了涂层与刀具基体的结合强度；(3)C元素的加入能使MoS2、WS2被保护在非晶态C中，随着切削加工的进行，MoS2、WS2逐渐暴露于刀具与工件的接触区域，在刀具与工件间形成具有润滑作用的转移膜，避免了MoS2、WS2由于硬度较低过早被切屑带走，润滑性能降低。
通过上述工艺制备的Mo-W-S-C自润滑涂层刀具，对加工环境有较好的适应性，在切削加工中能减小刀具的粘结，降低刀具与工件间的摩擦，降低切削力及切削温度，减小刀具磨损，提高刀具使用寿命。Mo-W-S-C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。
四、附图说明
图1为本发明的Mo-W-S-C自润滑涂层刀具涂层结构示意图。
图中：1为Mo-W-S-C层、2为Ti层、3为刀具基体。
图2为本发明的Mo-W-S-C复合靶结构示意图。
图中：4为C圆片、5为C靶材、6为MoS2圆片、7为WS2圆片。
五、具体实施方式
下面给出本发明的最佳实施例：
实施例一：
一种Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺，刀具基体材料1为YT14硬质合金车刀；刀具表面为Mo-W-S-C层3，Mo-W-S-C层与刀具基体之间为Ti过渡层2。沉积方式为多弧离子镀沉积Ti过渡层+中频磁控溅射沉积Mo-W-S-C层，沉积时使用1个Ti靶、2个Mo-W-S-C复合靶，其制备工艺步骤为：
(1)制备Mo-W-S-C复合靶：用数控加工方法沿直径为101.6mm，厚度为4.7mm的C靶5的溅射区域内均布加工10～15个沿圆周分布的盲孔，盲孔的直径为17mm，盲孔的深度为3mm，在盲孔内分别放入一定数量，直径为17mm，厚度为5mm的C圆片4、WS2圆片7和MoS2圆片6；
(2)安装Mo-W-S-C复合靶：在镀膜机真空室中频磁控溅射靶安装位置安装2个Mo-W-S-C复合靶；
(3)前处理：将YT14硬质合金车刀基体表面抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面油污和其他污染物，用吹风机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；
(4)离子清洗：通入Ar气，气压为1.5Pa，开启脉冲偏压电源，电压为800V，占空比为0.2，辉光清洗15min，偏压降至300V，气压降至0.5Pa，开启离子源，开启电弧源Ti靶，Ti靶电流为50A，离子清洗2min；
(5)沉积Ti层：偏压降至150V，Ti靶电流为65A，电弧镀Ti 5min；
(6)沉积Mo-W-S-C层：关闭Ti靶，开启2个Mo-W-S-C复合靶，靶电流为1A，偏压降至100V，每隔20min调整偏压依次为100V、75V、50V、75V、100V，沉积Mo-W-S-C层100min；
(7)后处理：关闭2个Mo-W-S-C复合靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压，涂层结束。
通过调整放入盲孔中的C圆片、WS2圆片和MoS2圆片的数量，可调节Mo-W-S-C自润滑涂层中C元素、W元素和Mo元素的含量，使Mo-W-S-C自润滑涂层中的C元素最佳原子百分比在15％～40％之间、W元素最佳原子百分比在7％～25％之间、Mo元素最佳原子百分比在7％～25％之间。
实施例二：
一种Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺，刀具基体材料1为YW1硬质合金铣刀；刀具表面为Mo-W-S-C层3，Mo-W-S-C层与刀具基体之间为Ti过渡层2。沉积方式为多弧离子镀沉积Ti过渡层+中频磁控溅射沉积Mo-W-S-C层，沉积时使用1个Ti靶、2个Mo-W-S-C复合靶，其制备工艺步骤为：
(1)制备Mo-W-S-C复合靶：用数控加工方法沿直径为101.6mm，厚度为4.7mm的C靶5的溅射区域内均布加工10～15个沿圆周分布的盲孔，盲孔的直径为17mm，盲孔的深度为3mm，在盲孔内分别放入一定数量，直径为17mm，厚度为5mm的C圆片4、WS2圆片7和MoS2圆片6；
(2)安装Mo-W-S-C复合靶：在镀膜机真空室中频磁控溅射靶安装位置安装2个Mo-W-S-C复合靶；
(3)前处理：将YW1硬质合金铣刀基体表面抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面油污和其他污染物，用吹风机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250℃，保温40min；
(4)离子清洗：通入Ar气，气压为1.5Pa，开启脉冲偏压电源，电压为800V，占空比为0.2，辉光清洗15min，偏压降至400V，气压降至0.5Pa，开启离子源，开启电弧源Ti靶，Ti靶电流为60A，离子清洗3min；
(5)沉积Ti层：偏压降至150V，Ti靶电流为75A，电弧镀Ti 7min；
(6)沉积Mo-W-S-C层：关闭Ti靶，开启2个Mo-W-S-C复合靶，靶电流为1.5A，偏压降至100V，每隔30min调整偏压依次为100V、75V、50V、75V、100V，沉积Mo-W-S-C层150min；
(7)后处理：关闭2个Mo-W-S-C复合靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压，涂层结束。
通过调整放入盲孔中的C圆片、WS2圆片和MoS2圆片的数量，可调节Mo-W-S-C自润滑涂层中C元素、W元素和Mo元素的含量，使Mo-W-S-C自润滑涂层中的C元素最佳原子百分比在15％～40％之间、W元素最佳原子百分比在7％～25％之间、Mo元素最佳原子百分比在7％～25％之间。

Claims (3)

1.Mo-W-S-C自润滑涂层刀具，刀具基体材料为高速钢或硬质合金，其特征在于：刀具表面为Mo-W-S-C层，Mo-W-S-C层与刀具基体之间为Ti过渡层。
2.Mo-W-S-C自润滑涂层刀具制备工艺，其特征在于：沉积方式为多弧离子镀沉积Ti过渡层+中频磁控溅射沉积Mo-W-S-C层，沉积时使用1个Ti靶、2个Mo-W-S-C复合靶，其制备工艺步骤为：
(1)制备Mo-W-S-C复合靶：用数控加工方法沿直径为101.6mm，厚度为4.7mm的C靶的溅射区域内均布加工10～15个沿圆周分布的盲孔，盲孔的直径小于溅射区域的宽度，盲孔的深度为3mm，在盲孔内分别间隔放入与盲孔直径相同，厚度为5mm的C圆片、WS2圆片和MoS2圆片；
(2)安装Mo-W-S-C复合靶：在镀膜机真空室中频磁控溅射靶安装位置安装2个Mo-W-S-C复合靶；
(3)前处理：将刀具基体表面抛光至镜面，去除表面污染层，依次分别放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面油污和其他污染物，用吹风机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100～250℃，保温30～40min；
(4)离子清洗：通入Ar气，气压为1.5Pa，开启脉冲偏压电源，电压为800V，占空比为0.2，辉光清洗15min，偏压降至300～400V，气压降至0.5Pa，开启离子源，开启电弧源Ti靶，Ti靶电流为50～70A，离子清洗2～3min；
(5)沉积Ti层：偏压降至150～200V，Ti靶电流为65～75A，电弧镀Ti 3～7min；
(6)沉积Mo-W-S-C层：关闭Ti靶，开启2个Mo-W-S-C复合靶，靶电流为1～2A，偏压降至100V，每隔20～30min调整偏压依次为100V、75V、50V、75V、100V，沉积Mo-W-S-C层100～150min；
(7)后处理：关闭2个Mo-W-S-C复合靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压，沉积涂层结束。
3.根据权利要求2所述的Mo-W-S-C自润滑涂层刀具制备工艺，其特征在于：通过调整放入盲孔中的C圆片、WS2圆片和MoS2圆片的数量，可调节Mo-W-S-C自润滑涂层中C元素、W元素和Mo元素的含量，使Mo-W-S-C自润滑涂层中的C元素最佳原子百分比在15％～40％之间、W元素最佳原子百分比在7％～25％之间、Mo元素最佳原子百分比在7％～25％之间。
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