CN106893998A - 一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法，包括以下步骤：（1）对刀片进行表面的清洗预处理；（2）在刀片表面获得微织构形貌；（3）对刀片进行酸碱预处理；（4）通过CVD沉积装置对刀片表面进行金刚石涂层，得到所需的微织构化金刚石薄膜涂层。本发明通过对刀片的表面的微织构化处理，达到提高刀片表面的抗粘结性能的目的，使刀片在切削时不仅具有金刚石涂层的高硬度,高耐磨性的优良切削加工性能还具备有微织构的自润滑效果,能够很好的解决刀片在切削时的摩擦润滑状态,减小摩擦,防止粘结,有效降低切削力和切削温度,减小刀片磨损。采用本发明制备出来的金刚石涂层刀片可广泛用于难加工材料的切削加工。

Description

一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，尤其涉及一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法。
背景技术
金属切削加工过程中，刀片与工件，切屑之间的剧烈摩擦及其与切削热的共同作用将引起刀片磨损并降低加工质量.特别是难加工材料，如钛合金、超高强度钢等.研究表明，刀片表面织构对于刀片-工件接触面摩擦、磨损及润滑和加工表面质量有着十分重要的影响.
刀片表面织构化是一种有效的处理手段，常见的表面织构可以用激光，电化学刻蚀，机械加工等方法在表面得到织构槽，条纹，波纹等织构形状.织构化的表面可以起到产生流体动压效应以增加承载能力，形成储油单元给接触表面提供润滑剂防止咬合、粘连，存储润滑剂而减少犁沟形成的多方面作用，从而显著提高耐磨寿命和润滑效果.激光表面微织构的形貌处理技术及其加工效率高，无污染以及优良的对微细孔的形状和尺寸的精准控制能力被认为是表面织构领域较好的方法.
申请号为CN201010299372的中国申请发明专利公开了一种具有优异纳米摩擦学表现的规则微、纳织构表金面的加工方法，该方法包括利用等离子体刻蚀复制模塑法和表面化学修饰法相结合，实现在金表面上构筑多种类型的规则微、纳织构。该专利未涉及金属切削刀片材料表面的涂层涂覆。申请号为CN200910117691的中国申请发明专利公开了一种多尺度仿生织构表面的加工方法。该方法结合表面复型法和电沉积方法，在金属表面上微加工出具有生物表面高精度仿生织构电镀层。但考虑到电镀层的硬度及其与基体的结合强度原因，该方法形成的织构表面不能适应金属切削加工的要求，特别是难加工材料的加工要求.申请号为CN201210118555的中国申请发明专利公开了一种激光光刻辅助电化学沉积制备微织构方法及其装置。但考虑到电镀层的硬度及其与基体的结合强度较低的原因，该方法形成的表面毛化凸体难以适应金属切削加工的要求.申请号CN200810189022的中国授权发明专利公开了一种用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法。该方法采用激光表面微造形技术，能够在工件表面获得微织构形貌造形，然后通过磁控溅射沉积技术在工件表面获得类金刚石薄膜。薄膜大大提高了常规类金刚石薄膜在水润滑条件下的稳定性和减摩抗磨性能，摩擦系数降低高达40%，耐磨性提高1-3倍。适用用水环境下的机械密封环、推力轴承以及其他机械传动摩擦副的表面防护与强化，该专利未涉及在一般条件的下的金属切削加工用金刚石涂层刀具，特别是不能满足难加工材料的加工要求。
因此.将刀片表面织构化处理与CVD金刚石薄膜涂层技术结合形成织构化复合薄膜，可以弥补两类方法的局限性，实现技术方法的优化，更好的适应于金属切削加工，特别是难加工材料的加工需要。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法；其可降低刀片切削力和切削温度，减小刀片磨损，增加刀片耐用度，寿命和润滑效果，减小摩擦，提高切削效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法，包括以下步骤：
（1）对刀片进行表面的清洗预处理；
（2）在刀片表面获得微织构形貌；
（3）对刀片进行酸碱预处理；
（4）通过CVD沉积装置对刀片表面进行金刚石涂层，得到所需的微织构化金刚石薄膜涂层。
步骤（1）具体为：将刀片表面去污清理，放入丙酮溶液中超声清洗10-15分钟。
步骤（2）具体为：采用高精度光纤激光打标机对硬质合金刀片表面进行微织构造形，打标高度保持35mm，打标次数控制在5次，打标速度270mm/s，打标功率3W，在刀片表面均匀打标出来若干个织构槽，在刀片表面形成微织构形貌。
步骤（3）具体为：把织构好的刀片先放在铁氰化钾溶液中进行超声清洗30分钟，接着再把刀片放入硫酸和双氧水的混合溶液中超声清洗20秒，其中硫酸和双氧水的体积比为H2SO4:H2O2=3:7，然后放入丙酮溶液中超声清洗8分钟，再放入由金刚石研磨粉及丙酮所组成的混合液中超声振动40分钟，其中金刚石研磨粉的重量与丙酮的体积比为：金刚石研磨粉：丙酮=25mg：30ml，最后把刀片放入丙酮中清洗15分钟。
步骤（4）具体为：将得到的微织构造形刀片进行清洗处理，待完全干透后，采用双层热丝CVD沉积装置在刀片表面沉积金刚石薄膜；先对热丝进行碳化处理，反应室真空度始终保持5Pa以下，保持碳源浓度60ml/min，碳源用冰块冷却至0°，并用添加冰块的保温装置保持在0°左右，并保持至沉积结束，氢气浓度保持在200ml/min，微调压力表至-95.6KPa，使两相热丝电压分别调至为8V、10V、14V，分别保持10分钟，完成碳化；开启反应室实验转动台，转动微调压力控制阀使压力表调整至-99KPa，然后开启两相稳压电源，转动稳压电源旋钮，增大热丝电压使热丝升至18V左右，并保持功率为850W，保持形核20分钟，然后调整碳源浓度至60ml/min，调整微调压力控制阀使压力调整至-97KPa，再次转动稳压电源旋钮，使热丝电压调整为22V左右，并保持功率为1850W至生长结束，生长6小时在刀片表面和织构槽的内壁形成一层金刚石薄膜。
刀片上的若干个织构槽按照矩形阵列均匀布置，织构槽的深度为10-15μm，织构槽的宽度为0.1mm，织构槽的面积占刀片表面积的12-15%。
每个织构槽均呈田径赛场跑道形状，每个织构槽均包括两个半圆槽和两个直线槽，一个直线槽的两端分别与两个半圆槽的一端连接；直线槽的长度为0.3mm，半圆槽的内圈半径为0.2mm，半圆槽的外圈半径为0.3mm，相邻两个织构槽之间的最短距离为0.5mm。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：织构槽结构的设置，在刀片进行切削时可使通过嵌入在刀片表面织构槽内的润滑剂或润滑液在切削热和挤压力的共同作用下在刀片工作表面形成连续的润滑膜，减小刀片与工件、刀片与切屑之间的摩擦；同时织构槽内对切削液的存储和对刀片切削时的冷却可以达到润滑效果和降低切削温度的作用；在刀片表面和织构槽内形成的金刚石薄膜，附着在刀片表面的金刚石颗粒可以大大的加强刀片本身的耐磨度和使用寿命。与此同时，金刚石涂层具有微孔隙、微间隙流动性，具备有一定的亲、疏液效果，提高织构化表面及边界润滑能力，增强自润滑效果改善切削加工时的润滑状态，可以减小切削加工中的刀片磨损，减小摩擦力，降低切削力的作用，提高刀片切削效率和耐用度，保证工件表面质量的目的。
本发明中在刀片表面所打标设置的呈矩形阵列布置的若干个织构槽可充分提高与金刚石薄膜的结合强度，织构槽设置为田径赛场跑道形状，不仅便于打标操作，而且可充分增加织构槽在刀片表面覆盖的范围。织构槽的深度、宽度、相邻两个织构槽之间的最短距离等参数均为在试验操作中得出的最优选的方案，可进一步提高上述有益效果的性能。
综上所述，本发通过对刀片的表面的微织构化处理，达到提高刀片表面的抗粘结性能的目的，使刀片在切削时不仅具有金刚石涂层的高硬度，高耐磨性的优良切削加工性能还具备有微织构的自润滑效果，能够很好的解决刀片在切削时的摩擦润滑状态，减小摩擦，防止粘结，有效降低切削力和切削温度，减小刀片磨损。采用本发明制备出来的金刚石涂层刀片可广泛用于难加工材料的切削加工。
附图说明
图1是微织构刀片整体织构槽分布形貌视图；
图2是图1中刀片的织构槽形貌具体尺寸的局部放大视图；
图3是图1中微织构自润滑CVD金刚石刀片的局部剖视图；
图4是带环状微织构的金刚石涂层刀片局部微观放大视图。
具体实施方式
如图1-图4所示，本发明的一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法，包括以下步骤：
（1）对刀片进行表面的清洗预处理；
（2）在刀片表面获得微织构形貌；
（3）对刀片进行酸碱预处理；
（4）通过CVD沉积装置对刀片表面进行金刚石涂层，得到所需的微织构化金刚石薄膜涂层。
步骤（1）具体为：将刀片表面去污清理，放入丙酮溶液中超声清洗10-15分钟。
步骤（2）具体为：采用高精度光纤激光打标机对硬质合金刀片表面进行微织构造形，打标高度保持35mm，打标次数控制在5次，打标速度270mm/s，打标功率3W，在刀片表面均匀打标出来若干个织构槽1，在刀片表面形成微织构形貌。
步骤（3）具体为：把织构好的刀片先放在铁氰化钾(KOH+K3(Fe(CN)6))溶液中进行超声清洗30分钟，接着再把刀片放入硫酸和双氧水的混合溶液中超声清洗20秒，其中硫酸和双氧水的体积比为H2SO4:H2O2=3:7，然后放入丙酮溶液中超声清洗8分钟，再放入由金刚石研磨粉（W0.5：W5=1:1）及丙酮所组成的混合液中超声振动40分钟，其中金刚石研磨粉的重量与丙酮的体积比为：金刚石研磨粉：丙酮=25mg：30ml，最后把刀片放入丙酮中清洗15分钟。
步骤（4）具体为：将得到的微织构造形刀片进行清洗处理，待完全干透后，采用双层热丝CVD沉积装置在刀片表面沉积金刚石薄膜；先对热丝进行碳化处理，反应室真空度始终保持5Pa以下，保持碳源浓度60ml/min，碳源用冰块冷却至0°，并用添加冰块的保温装置保持在0°左右，并保持至沉积结束，氢气浓度保持在200ml/min，微调压力表至-95.6KPa，使两相热丝电压分别调至为8V、10V、14V，分别保持10分钟，完成碳化；开启反应室实验转动台，转动微调压力控制阀使压力表调整至-99KPa，然后开启两相稳压电源，转动稳压电源旋钮，增大热丝电压使热丝升至18V左右，并保持功率为850W，保持形核20分钟，然后调整碳源浓度至60ml/min，调整微调压力控制阀使压力调整至-97KPa，再次转动稳压电源旋钮，使热丝电压调整为22V左右，并保持功率为1850W至生长结束，生长6小时在刀片表面和织构槽1的内壁形成一层金刚石薄膜3。
刀片2上的若干个织构槽1按照矩形阵列均匀布置，织构槽1的深度为10-15μm，织构槽1的宽度为0.1mm，织构槽1的面积占刀片2表面积的12-15%。
每个织构槽1均呈田径赛场跑道形状，每个织构槽1均包括两个半圆槽和两个直线槽，一个直线槽的两端分别与两个半圆槽的一端连接；直线槽的长度为0.3mm，半圆槽的内圈半径为0.2mm，半圆槽的外圈半径为0.3mm，相邻两个织构槽1之间的最短距离为0.5mm。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）对刀片进行表面的清洗预处理；
（2）在刀片表面获得微织构形貌；
（3）对刀片进行酸碱预处理；
（4）通过CVD沉积装置对刀片表面进行金刚石涂层，得到所需的微织构化金刚石薄膜涂层。
2.根据权利要求1所述的一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法，其特征在于：步骤（1）具体为：将刀片表面去污清理，放入丙酮溶液中超声清洗10-15分钟。
3.根据权利要求2所述的一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法，其特征在于：步骤（2）具体为：采用高精度光纤激光打标机对硬质合金刀片表面进行微织构造形，打标高度保持35mm，打标次数控制在5次，打标速度270mm/s，打标功率3W，在刀片表面均匀打标出来若干个织构槽，在刀片表面形成微织构形貌。
4.根据权利要求3所述的一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法，其特征在于：步骤（3）具体为：把织构好的刀片先放在铁氰化钾溶液中进行超声清洗30分钟，接着再把刀片放入硫酸和双氧水的混合溶液中超声清洗20秒，其中硫酸和双氧水的体积比为H2SO4:H2O2=3:7，然后放入丙酮溶液中超声清洗8分钟，再放入由金刚石研磨粉及丙酮所组成的混合液中超声振动40分钟，其中金刚石研磨粉的重量与丙酮的体积比为：金刚石研磨粉：丙酮=25mg：30ml，最后把刀片放入丙酮中清洗15分钟。
5.根据权利要求4所述的一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法，其特征在于：步骤（4）具体为：将得到的微织构造形刀片进行清洗处理，待完全干透后，采用双层热丝CVD沉积装置在刀片表面沉积金刚石薄膜；先对热丝进行碳化处理，反应室真空度始终保持5Pa以下，保持碳源浓度60ml/min，碳源用冰块冷却至0°，并用添加冰块的保温装置保持在0°左右，并保持至沉积结束，氢气浓度保持在200ml/min，微调压力表至-95.6KPa，使两相热丝电压分别调至为8V、10V、14V，分别保持10分钟，完成碳化；开启反应室实验转动台，转动微调压力控制阀使压力表调整至-99KPa，然后开启两相稳压电源，转动稳压电源旋钮，增大热丝电压使热丝升至18V左右，并保持功率为850W，保持形核20分钟，然后调整碳源浓度至60ml/min，调整微调压力控制阀使压力调整至-97KPa，再次转动稳压电源旋钮，使热丝电压调整为22V左右，并保持功率为1850W至生长结束，生长6小时在刀片表面和织构槽的内壁形成一层金刚石薄膜。
6.根据权利要求3所述的一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法，其特征在于：刀片上的若干个织构槽按照矩形阵列均匀布置，织构槽的深度为10-15μm，织构槽的宽度为0.1mm，织构槽的面积占刀片表面积的12-15%。
7.根据权利要求6所述的一种环状微织构金刚石涂层刀片的制备方法，其特征在于：每个织构槽均呈田径赛场跑道形状，每个织构槽均包括两个半圆槽和两个直线槽，一个直线槽的两端分别与两个半圆槽的一端连接；直线槽的长度为0.3mm，半圆槽的内圈半径为0.2mm，半圆槽的外圈半径为0.3mm，相邻两个织构槽之间的最短距离为0.5mm。
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