CN106498393A - 微织构ZrVSiN自适应涂层刀具及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种微织构ZrVSiN自适应涂层刀具及其制备工艺。该刀具基体材料为陶瓷或硬质合金，刀具前刀面基体上加工有微织构，刀具表面涂层从上到下依次为ZrVSiN自适应涂层，Zr过渡层。ZrVSiN自适应涂层的应用可以在切削过程中V与空气中的氧气反应在刀具表面形成一层具有润滑作用的VO2、V2O3、V2O5等氧化钒生成物，且随着温度的升高大量生成V2O5玻璃相的釉质层，从而减少刀‑屑接触区的摩擦，在500℃以上时V2O5为液态相，微织构可以存储V2O5液相润滑剂，防止具有润滑作用的氧化钒生成物的流失。该刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。

Description

微织构ZrVSiN自适应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ZrVSiN自适应涂层刀具及其制备工艺。
二、背景技术
随着绿色制造技术的兴起，人们逐渐认识到干切削可以改善工人的工作环境，并且由于废弃了切削液的使用，大大降低了切削液的使用成本与废液的处理成本。在干切削加工中，刀具没有了切削液的冷却及润滑，加工条件恶劣，造成刀具磨损严重，刀具寿命降低。因此，为适应干切削加工的要求，需设计一种自适应刀具，来改善刀具加工工件过程中的工况条件。
表面织构技术是一种有效的改善摩擦副表面摩擦工况的方法，常用的织构加工技术主要有机械加工、光刻加工、离子束刻蚀加工和激光加工等。其中激光加工织构具有加工速度快、清洁无污染等特点受到广泛推广。具有凹坑或沟槽等形貌的织构可以贮存润滑剂，提高润滑剂停留时间，还可以捕捉磨粒，减少接触副间的磨粒磨损，从而改善机械部件的摩擦性能。
对刀具表面进程涂层处理可以有效提高刀具的抗磨损性能和切削加工性能，常用的涂层主要有TiN、Al2O3等二元涂层及TiAlN、AlCrN等三元涂层。通过在涂层中添加Ti和Al组元或者Al和Cr组元可以形成固溶强化，从而提高涂层的硬度。而Si元素的加入则可以形成纳米复合涂层结构，从而提高涂层的硬度和抗冲击性能。在切削加工过程中，Al、V等金属元素的氧化物，则可以在刀具表面形成一层保护膜，进一步提高涂层抗高温、减少摩擦等性能，大大扩展了涂层刀具的使用范围。
中国专利“申请号：201010124734.2”报道了微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法，由于飞秒激光能量密度低，引起了加工时间长、加工成本高的问题。中国专利“申请号：201210132248.4”报道了一种用于宽温域自适应的润滑涂层及其制备方法，在室温中通过TiAlCN/a-C层进行润滑，在高温中通过Ag/VN涂层进行润滑，该发明主要用于交变温度场环境。
三、发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微织构ZrVSiN自适应涂层刀具及其制备工艺。本发明使用PVD涂层技术沉积ZrVSiN层，通过加入V元素可以在刀具涂层表面生成氧化钒的润滑膜保护层，提高涂层的润滑性能，并在500℃以上的高温中生成V2O5液相润滑膜，进一步提高涂层的润滑性能；通过加入Si元素可以在涂层中生成非晶态的Si3N4相，从而形成纳米复合涂层结构，提高涂层的硬度和抗磨损性能；通过V元素、Zr元素的同时加入则可以形成ZrVN的间隙固溶体，从而起到固溶强化的作用，提高涂层的硬度。而微织构的加入则可以起到存贮切削过程中生成的氧化钒润滑膜保护层，防止氧化钒润滑膜保护层被切屑带走，起到延长氧化钒润滑膜保护层停留时间的作用。
本发明是通过以下方式实现的：
微织构ZrVSiN自适应涂层刀具，刀具基体材料为陶瓷或硬质合金，刀具前刀面基体上加工有微米织构，刀具表面涂层从上到下依次为ZrVSiN自适应涂层、Zr过渡层。
微织构ZrVSiN自适应涂层刀具及其制备工艺，首先采用Nd:YAG纳秒激光在刀具前刀面加工微米织构，然后采用多弧离子镀+中频磁控溅射技术在刀具表面沉积Zr过渡层、ZrVSiN自适应涂层；ZrV合金靶中V元素原子百分比在40-70at.％之间，通过调节N2流量、Si靶靶电流和ZrV合金靶靶电流使ZrVSiN涂层中Si元素原子百分比在3-10at.％之间，Zr与V元素原子百分比比值在0.5-1.5之间。
微织构ZrVSiN自适应涂层刀具的具体制备工艺步骤如下：
(一)在刀具前刀面加工微米织构
(1)前处理：将刀具基体表面研磨并抛光至镜面，去除表面污染物，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各20min，去除表面油污和其他污物并充分干燥：
(2)采用Nd:YAG固体激光在刀具前刀面刀屑接触区加工出不同形貌的微米织构，微米织构的宽度为30-60μm，深度为10-50μm；用钢丝球轻轻刮擦刀具前刀面，去除微米织构周围激光烧蚀产生的凸缘；
(二)在微织构刀具表面沉积ZrVSiN自适应涂层
(1)前处理：将微织构刀具依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各20min，去除表面污染层，充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为6.0×10-3Pa，加热至100-200℃，保温30-60min；
(2)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15-20min，偏压降至300-400V，气压降至0.5Pa，开启离子源，开启电弧源Zr靶，电流调至60-65A，离子清洗2-3min；
(3)沉积Zr过渡层：降低偏压至150-200V，Zr靶电流调至70-75A，电弧镀Zr 5-7min；
(4)沉积ZrVSiN自适应层：调整工作气压为0.4-0.5Pa，偏压为50-100V，关闭Zr靶，开启ZrV合金靶，靶电流为65-75A，开启N2，调整Ar流量为39sccm，调整N2流量为26-65sccm，使N2分压RN2在40-65％之间，开启Si中频靶，调节Si靶电流在2-5A之间，电弧镀ZrVSiN层150-180min；
(5)后处理：关闭ZrV合金靶，关闭Si靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压，沉积涂层结束。
本发明的微织构ZrVSiN自适应涂层刀具主要在以下四方面提高刀具的自适应性能：(1)Si元素的加入可以在涂层中生成非晶态的Si3N4相，从而形成纳米复合涂层结构，提高涂层的硬度和抗磨损性能；(2)V元素、Zr元素的同时加入可以形成ZrVN间隙固溶体，从而起到固溶强化、提高涂层硬度的作用；(3)V元素可以在刀具涂层表面生成氧化钒的润滑膜保护层，提高涂层的润滑性能，并在500℃以上的高温中生成V2O5液相润滑膜，进一步提高涂层的润滑性能，从而适应干切削加工中刀-屑接触区加工温度高，摩擦系数大、磨损严重等工况条件；(4)微织构的加入则可以起到存贮切削过程中生成的氧化钒润滑膜保护层，防止氧化钒润滑膜保护层被切屑带走，起到延长氧化钒润滑膜保护层停留时间的作用。
本发明的微织构ZrVSiN自适应涂层刀具结合了微织构贮存润滑剂和ZrVSiN自适应涂层硬度高、耐磨性好、高温氧化产物具有润滑性能等优点，使刀具表面在干切削加工中具有较高的硬度和较低的摩擦系数，从而减小摩擦，减小刀具磨损，提高刀具使用寿命，可广泛应用于难加工材料的干切削加工及高速加工等。
四、附图说明
图1是本发明的微织构ZrVSiN自适应涂层刀具结构示意图。图中：1为后刀面，2为前刀面，3为Zr过渡层+ZrVSiN自适应层，4为微米织构。
图2是本发明的微织构ZrVSiN自适应涂层刀具前刀面示意图。图中：5为主切削刃，6为沟槽型微米织构，7为前刀面。
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：
微织构ZrVSiN自适应涂层刀具，刀具基体材料为Al2O3基陶瓷车刀，刀具前刀面基体上加工有微米织构，刀具表面涂层从上到下依次为ZrVSiN自适应涂层、Zr过渡层。
微织构ZrVSiN自适应涂层刀具及其制备工艺，首先采用Nd:YAG纳秒激光在刀具前刀面加工微米织构，然后采用多弧离子镀+中频磁控溅射技术在刀具表面沉积Zr过渡层、ZrVSiN自适应涂层；ZrV合金靶中V元素原子百分比在40at.％之间，通过调节N2流量、Si靶靶电流和ZrV合金靶靶电流使ZrVSiN涂层中Si元素原子百分比在3-10at.％之间，Zr与V元素原子百分比比值在0.5-1.5之间。
微织构ZrVSiN自适应涂层刀具的具体制备工艺步骤如下：
(一)在刀具前刀面加工微米织构
(1)前处理：将Al2O3基陶瓷车刀基体表面研磨并抛光至镜面，去除表面污染物，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各20min，去除表面油污和其他污物并充分干燥；
(2)采用Nd:YAG固体激光在刀具前刀面刀屑接触区加工出不同形貌的微米织构，微米织构的宽度为30μm，深度为10μm；用钢丝球轻轻刮擦刀具前刀面，去除微米织构周围激光烧蚀产生的凸缘。
(二)在微织构刀具表面沉积ZrVSiN自适应涂层
(1)前处理：将微织构Al2O3基陶瓷车刀依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各20min，去除表面污染层，充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为6.0×10-3Pa，加热至150℃，保温30min；
(2)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Zr靶，电流调至60A，离子清洗2min；
(3)沉积Zr过渡层：降低偏压至150V，Zr靶电流调至70A，电弧镀Zr 6min；
(4)沉积ZrVSiN自适应层：调整工作气压为0.5Pa，偏压为70V，关闭Zr靶，开启ZrV合金靶，靶电流为75A，开启N2，调整Ar流量为39sccm，调整N2流量为26sccm，使N2分压RN2为40％，开启Si中频靶，调节Si靶电流为3.5A，电弧镀ZrVSiN层150min；
(5)后处理：关闭ZrV合金靶，关闭Si靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压，沉积涂层结束。
实施例二：
微织构ZrVSiN自适应涂层刀具，刀具基体材料YS8硬质合金车刀，刀具前刀面基体上加工有微米织构，刀具表面涂层从上到下依次为ZrVSiN自适应涂层、Zr过渡层。
微织构ZrVSiN自适应涂层刀具及其制备工艺，首先采用Nd:YAG纳秒激光在刀具前刀面加工微米织构，然后采用多弧离子镀+中频磁控溅射技术在刀具表面沉积Zr过渡层、ZrVSiN自适应涂层；ZrV合金靶中V元素原子百分比在60at.％之间，通过调节N2流量、Si靶靶电流和ZrV合金靶靶电流使ZrVSiN涂层中Si元素原子百分比在3-10at.％之间，Zr与V元素原子百分比比值在0.5-1.5之间。
微织构ZrVSiN自适应涂层刀具的具体制备工艺步骤如下：
(一)在刀具前刀面加工微米织构
(1)前处理：将YS8硬质合金车刀基体表面研磨并抛光至镜面，去除表面污染物，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各20min，去除表面油污和其他污物并充分干燥；
(2)采用Nd:YAG固体激光在刀具前刀面刀屑接触区加工出不同形貌的微米织构，微米织构的宽度为40μm，深度为15μm；用钢丝球轻轻刮擦刀具前刀面，去除微米织构周围激光烧蚀产生的凸缘。
(二)在微织构刀具表面沉积ZrVSiN自适应涂层
(1)前处理：将微织构YS8硬质合金车刀依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各20min，去除表面污染层，充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为6.0×10- 3Pa，加热至200℃，保温60min；
(2)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20min，偏压降至300V，气压降至0.5Pa，开启离子源，开启电弧源Zr靶，电流调至65A，离子清洗3min；
(3)沉积Zr过渡层：降低偏压至200V，Zr靶电流调至75A，电弧镀Zr 7min；
(4)沉积ZrVSiN自适应层：调整工作气压为0.45Pa，偏压为80V，关闭Zr靶，开启ZrV合金靶，靶电流为75A，开启N2，调整Ar流量为39sccm，调整N2流量为39sccm，使N2分压RN2为50％，开启Si中频靶，调节Si靶电流为4A，电弧镀ZrVSiN层180min；
(5)后处理：关闭ZrV合金靶，关闭Si靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压，沉积涂层结束。

Claims (2)

1.一种微织构ZrVSiN自适应涂层刀具，刀具基体材料为陶瓷或硬质合金，其特征在于：刀具前刀面基体上加工有微米织构，刀具表面涂层从上到下依次为ZrVSiN自适应涂层、Zr过渡层。
2.权利要求1所述的微织构ZrVSiN自适应涂层刀具，其特征在于：首先采用Nd:YAG纳秒激光在刀具前刀面加工微米织构，然后采用多弧离子镀+中频磁控溅射技术在刀具表面沉积Zr过渡层、ZrVSiN自适应涂层；ZrV合金靶中V元素原子百分比在40-70at.％之间，通过调节N2流量、Si靶靶电流和ZrV合金靶靶电流使ZrVSiN涂层中Si元素原子百分比在3-10at.％之间，Zr与V元素原子百分比比值在0.5-1.5之间。
微织构ZrVSiN自适应涂层刀具的具体制备工艺步骤如下：
(一)在刀具前刀面加工微米织构
(1)前处理：将刀具基体表面研磨并抛光至镜面，去除表面污染物，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各20min，去除表面油污和其他污物并充分干燥；
(2)采用Nd:YAG固体激光在刀具前刀面刀屑接触区加工出不同形貌的微米织构，微米织构的宽度为30-60μm，深度为10-50μm；用钢丝球轻轻刮擦刀具前刀面，去除微米织构周围激光烧蚀产生的凸缘；
(二)在微织构刀具表面沉积ZrVSiN自适应涂层
(1)前处理：将微织构刀具依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各20min，去除表面污染层，充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为6.0×10-3Pa，加热至100-200℃，保温30-60min；
(2)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15-20min，偏压降至300-400V，气压降至0.5Pa，开启离子源，开启电弧源Zr靶，电流调至60-65A，离子清洗2-3min；
(3)沉积Zr过渡层：降低偏压至150-200V，Zr靶电流调至70-75A，电弧镀Zr 5-7min；
(4)沉积ZrVSiN自适应层：调整工作气压为0.4-0.5Pa，偏压为50-100V，关闭Zr靶，开启ZrV合金靶，靶电流为65-75A，开启N2，调整Ar流量为39sccm，调整N2流量为26-65sccm，使N2分压RN2在40-65％之间，开启Si中频靶，调节Si靶电流在2-5A之间，电弧镀ZrVSiN层150-180min；
(5)后处理：关闭ZrV合金靶，关闭Si靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压，沉积涂层结束。
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