CN106191765A - 织构化软硬复合涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种织构化软硬复合涂层刀具及其制备方法。该刀具表面的涂层为WS2软涂层和ZrN硬涂层的复合，属于多层结构，其特征在于涂层前，首先在硬质合金刀具基体表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，然后依次沉积Ti过渡层和ZrN硬涂层，再在ZrN硬涂层表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，最后在织构化ZrN硬涂层表面沉积WS2软涂层。由于在基体表面和硬涂层表面进行了织构化处理，改变了表面的微观结构，增大比表面积和表面能，提高了涂层的附着力，增强了涂层刀具的抗剥落能力和抗破损能力，从而提高涂层刀具的寿命。该刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。

Description

织构化软硬复合涂层刀具及其制备方法
技术领域
本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种织构化软硬复合涂层刀具及其制备方法。
背景技术
对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即：“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。“硬”涂层刀具的主要优点是硬度高、耐磨性能好，典型的硬涂层物质有TiC、TiN、A12O3、TiCN和TiAlN等。“软”涂层刀具追求的目标是低摩擦系数，典型的软涂层物质是具有低摩擦系数的固体润滑材料(如：WS2、MoS2等)。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，使涂层刀具的性能有了很大提高。
中国专利(专利号ZL200910256536.9)报道了“软硬复合涂层刀具及其制备方法”，该刀具表面的涂层为MoS2软涂层和ZrN硬涂层的复合，属于多层结构。这种软硬复合涂层综合了MoS2软涂层和ZrN硬涂层的优点，既具有较低的摩擦系数，又具有较高的硬度，使涂层刀具的性能有了较大提高。中国专利(专利号ZL200610068975.3)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。该刀具进行干切削时，刀具表面能形成具有润滑作用的连续固态润滑层，从而实现刀具的自润滑功能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种织构化软硬复合涂层刀具及其制备方法。该刀具表面的涂层为WS2软涂层和ZrN硬涂层的复合，属于多层结构，其特征在于涂层前，首先在硬质合金刀具基体表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，然后依次沉积Ti过渡层和ZrN硬涂层，再在ZrN硬涂层表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，最后在织构化ZrN硬涂层表面沉积WS2软涂层。由于在基体表面和硬涂层表面进行了织构化处理，改变了表面的微观结构，增大比表面积和表面能，提高了涂层的附着力，增强了涂层刀具的抗剥落能力，从而提高涂层刀具的寿命。
本发明是通过以下方式实现的。
1.织构化软硬复合涂层刀具及其制备方法，其特征在于涂层前，首先在硬质合金刀具基体表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，然后依次沉积Ti过渡层和ZrN硬涂层，再在ZrN硬涂层表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，最后在织构化ZrN硬涂层表面沉积WS2软涂层。
2.所述织构化软硬复合涂层刀具及其制备方法，其具体制备的步骤为：
(1)前处理：将硬质合金刀具基体表面抛光至镜面，放入酒精中超声清洗15min，去除表面污染层；
(2)硬质合金刀具基体表面织构化：采用飞秒激光在硬质合金刀具表面加工出均匀分布的纳米级织构，飞秒激光加工参数为：单脉冲能量为1.75-2.75μJ，扫描速度为125-2000μm/s，扫描间距为1-10μm、扫描遍数为1-6遍；
(3)离子清洗：将飞秒激光加工后的硬质合金刀具在酒精中超声清洗15min，干燥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30-40min；通Ar气，其压力为0.6-1.5Pa，开启偏压电源，电压800-900V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；偏压降低至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶0.5min；
(4)沉积Ti过渡层：调整Ar气压至0.4-0.5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 2-6min；
(5)沉积ZrN硬涂层：调整工作气压为0.4-0.5Pa，偏压150V，Zr靶的靶电流80-100A；开启N2，调整N2与Ar气的分压为1:1，沉积温度220-260℃，电弧镀ZrN 60-80min；
(6)ZrN硬涂层表面织构化：采用飞秒激光在ZrN硬涂层表面加工出均匀分布的纳米级织构，飞秒激光加工参数为：单脉冲能量为1.75-2.75μJ，扫描速度为125-2000μm/s，扫描间距为1-10μm、扫描遍数为1-6遍；
(7)织构化ZrN硬涂层表面沉积WS2软涂层：开启WS2靶，关闭Ti靶，偏压调至100V，沉积温度150-220℃，沉积时间100min；
(8)后处理：关闭WS2靶，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。
通过上述方法制备的织构化软硬复合涂层刀具，由于在基体表面和硬涂层表面进行了织构化处理，改变了表面的微观结构，增大比表面积和表面能，提高了涂层的附着力，增强了涂层刀具的抗剥落能力和抗破损能力，从而提高涂层刀具的寿命。该软硬复合涂层刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。
附图说明
图1为本发明的织构化软硬复合涂层刀具的结构示意图。图中：1为WS2软涂层、2为ZrN硬涂层、3为Ti过渡层、4为刀具基体表面的纳米级织构、5为ZrN硬涂层表面的纳米级织构、6为硬质合金刀具基体
具体实施方式：
下面给出本发明的二个最佳实施例：
实施例一：一种织构化软硬复合涂层刀具及其制备方法，其特征在于涂层前，首先在YG6硬质合金刀具基体表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，然后依次沉积Ti过渡层和ZrN硬涂层，再在ZrN硬涂层表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，最后在织构化ZrN硬涂层表面沉积WS2软涂层。其具体制备的步骤为：
(1)前处理：将YG6硬质合金刀具基体表面抛光至镜面，放入酒精中超声清洗15min，去除表面污染层；
(2)硬质合金刀具基体表面织构化：采用飞秒激光在YG6硬质合金刀具表面加工出均匀分布的纳米级织构，飞秒激光加工参数为：单脉冲能量为2μJ，扫描速度为800μm/s，扫描间距为4μm、扫描遍数为2遍；
(3)离子清洗：将飞秒激光加工后的YG6硬质合金刀具在酒精中超声清洗15min，干燥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30-40min；通Ar气，其压力为0.8Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；偏压降低至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶0.5min；
(4)沉积Ti过渡层：调整Ar气压至0.4～0.5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 3min；
(5)沉积ZrN硬涂层：调整工作气压为0.4～0.5Pa，偏压150V，Zr靶的靶电流80A；开启N2，调整N2与Ar气的分压为1:1，沉积温度220℃，电弧镀ZrN 65min；
(6)ZrN硬涂层表面织构化：采用飞秒激光在ZrN硬涂层表面加工出均匀分布的纳米级织构，飞秒激光加工参数为：单脉冲能量为2.25μJ，扫描速度为1000μm/s，扫描间距为4μm、扫描遍数为1遍；
(7)织构化ZrN硬涂层表面沉积WS2软涂层：开启WS2靶，关闭Ti靶，偏压调至100V，沉积温度180℃，沉积时间100min；
(8)后处理：关闭WS2靶，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。
实施例二：一种织构化软硬复合涂层刀具及其制备方法，其特征在于涂层前，首先在YS8硬质合金刀具基体表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，然后依次沉积Ti过渡层和ZrN硬涂层，再在ZrN硬涂层表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，最后在织构化ZrN硬涂层表面沉积WS2软涂层。其具体制备的步骤为：
(1)前处理：将YS8硬质合金刀具基体表面抛光至镜面，放入酒精中超声清洗15min，去除表面污染层；
(2)硬质合金刀具基体表面织构化：采用飞秒激光在YS8硬质合金刀具表面加工出均匀分布的纳米级织构，飞秒激光加工参数为：单脉冲能量为2μJ，扫描速度为1000μm/s，扫描间距为5μm、扫描遍数为1遍；
(3)离子清洗：将飞秒激光加工后的YS8硬质合金刀具在酒精中超声清洗15min，干燥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30-40min；通Ar气，其压力为0.8Pa，开启偏压电源，电压850V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；偏压降低至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶0.5min；
(4)沉积Ti过渡层：调整Ar气压至0.4～0.5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 4min；
(5)沉积ZrN硬涂层：调整工作气压为0.4～0.5Pa，偏压150V，Zr靶的靶电流80A；开启N2，调整N2与Ar气的分压为1:1，沉积温度220℃，电弧镀ZrN 65min；
(6)ZrN硬涂层表面织构化：采用飞秒激光在ZrN硬涂层表面加工出均匀分布的纳米级织构，飞秒激光加工参数为：单脉冲能量为2μJ，扫描速度为1200μm/s，扫描间距为6μm、扫描遍数为1遍；
(7)织构化ZrN硬涂层表面沉积WS2软涂层：开启WS2靶，关闭Ti靶，偏压调至100V，沉积温度200℃，沉积时间100min；
(8)后处理：关闭WS2靶，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。

Claims (2)

1.织构化软硬复合涂层刀具及其制备方法，其特征在于涂层前，首先在硬质合金刀具基体表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，然后依次沉积Ti过渡层和ZrN硬涂层，再在ZrN硬涂层表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，最后在织构化ZrN硬涂层表面沉积WS2软涂层。
2.所述织构化软硬复合涂层刀具及其制备方法，其具体制备的步骤为：
(1)前处理：将硬质合金刀具基体表面抛光至镜面，放入酒精中超声清洗15min，去除表面污染层；
(2)硬质合金刀具基体表面织构化：采用飞秒激光在硬质合金刀具表面加工出均匀分布的纳米级织构，飞秒激光加工参数为：单脉冲能量为1.75-2.75μJ，扫描速度为125-2000μm/s，扫描间距为1-10μm、扫描遍数为1-6遍；
(3)离子清洗：将飞秒激光加工后的硬质合金刀具在酒精中超声清洗15min，干燥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30-40min；通Ar气，其压力为0.6～1.5Pa，开启偏压电源，电压800～900V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；偏压降低至200V/0.2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶0.5min；
(4)沉积Ti过渡层：调整Ar气压至0.4～0.5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 2～6min；
(5)沉积ZrN硬涂层：调整工作气压为0.4～0.5Pa，偏压150V，Zr靶的靶电流80～100A；开启N2，调整N2与Ar气的分压为1:1，沉积温度220～260℃，电弧镀ZrN 60～80min；
(6)ZrN硬涂层表面织构化：采用飞秒激光在ZrN硬涂层表面加工出均匀分布的纳米级织构，飞秒激光加工参数为：单脉冲能量为1.75-2.75μJ，扫描速度为125-2000μm/s，扫描间距为1-10μm、扫描遍数为1-6遍；
(7)织构化ZrN硬涂层表面沉积WS2软涂层：开启WS2靶，关闭Ti靶，偏压调至100V，沉积温度150～220℃，沉积时间100min；
(8)后处理：关闭WS2靶，关闭各电源、离子源及气体源，涂层结束。
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