CN107779858B - 基于电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具及其制备方法，属于机械切削刀具制造技术领域。上述刀具表面为MoS2和WS2软涂层的组合，属于多层结构。在涂层前，首先在刀具基体表面用飞秒激光加工出纳米级织构，然后采用电射流方法在纳米级织构表面依次沉积MoS2和WS2涂层，形成具有多层结构的软涂层。由于在基体表面进行了织构化处理，增大比表面积，提高了涂层的附着力；同时，由于采用电射流方法沉积软涂层，设备简单、可控性强、沉积速率高。该软涂层刀具干切削时，可减少摩擦、降低切削力和切削温度、提高刀具寿命。
Description
技术领域
本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种基于电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具及其制备方法。
背景技术
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：MoS2、WS2、TaS2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，复合多涂层具有多种材料的综合性能，使涂层刀具的性能有了很大提高。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复合涂层刀具，刀具表面为MoS2软涂层。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，涂层方法为中频磁控沉积MoS2软涂层+电弧法镀ZrN硬涂层，这种软硬复合涂层综合了MoS2软涂层和ZrN硬涂层的优点。中国专利(申请号201110353909.1)报道了一种WS2软涂层纳织构自润滑刀具及其制备方法，该刀具采用飞秒激光在刀具表面加工出纳米织构，然后采用多弧离子镀+中频磁控溅射沉积法先后沉积Zr过渡与层WS2软涂层。中国专利(申请号201410263779.8)报道了一种WS2/Zr软涂层微纳复合织构陶瓷刀具及其制备方法。该陶瓷刀具负倒棱处具有纳米织构，前刀面上具有微纳米复合织构，织构表面沉积WS2/Zr软涂层。中国专利(专利号ZL201410263737.2)报道了采用PVD方法沉积TiSiN-WS2/Zr-WS2多涂层刀具，涂层为多层结构，将TiSiN涂层的高硬度、高耐磨性与WS2涂层的润滑性良好结合，能防粘结、降低切削力及切削温度，减小刀具磨损。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具及其制备方法。该刀具表面为MoS2和WS2软涂层的组合，属于多层结构。在涂层前，首先在刀具基体表面用飞秒激光加工出纳米级织构，然后采用电射流方法在纳米级织构表面依次沉积MoS2和WS2涂层，形成具有多层结构的软涂层。由于在基体表面进行了织构化处理，增大比表面积，提高了涂层的附着力；同时，由于采用电射流方法沉积软涂层，设备简单、可控性强、沉积速率高。该软涂层刀具干切削时，可减少摩擦、降低切削力和切削温度、提高刀具寿命。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
本发明提供一种基于电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具，该刀具基体材料为硬质合金，在涂层前，首先在刀具基体表面用飞秒激光加工出纳米级织构，然后采用电射流方法在纳米级织构表面依次沉积MoS2和WS2涂层，形成具有多层结构的软涂层。
本发明还提供一种上述电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具的制备方法，包括：
(1)将硬质合金刀具基体在酒精溶液中清洗15min，进行去油污处理；
(2)采用飞秒激光在硬质合金刀具基体表面加工出纳米级织构，织构槽宽为50-700nm，深度为40-300nm，间距为50-700nm；
(3)采用电射流方法在纳米级织构表面依次沉积MoS2和WS2涂层，金属喷针首先沿X方向运动以沉积MoS2层，然后沿Y方向运动以沉积WS2层，依次交替进行以实现MoS2和WS2涂层的层层沉积；
(4)为了除去沉积后的软涂层中的有机溶剂、释放应力，每完成一层软涂层沉积，将涂层置于300℃的电阻炉进行60s的干燥热解处理；
(5)将电射流沉积的软涂层置于真空烧结炉中进行高温烧结，温度为800-1300℃，保温时间20-60min。
进一步的,所述电射流沉积参数为：金属喷针距刀具基体表面的高度为1-5mm，金属喷针运动速度为20-60mm/s，直流电压为3.0-4.5kV，WS2悬浮液的流量为1-3×10-10m3·s-1。
本发明具有以下有益效果：
通过上述方法制备的电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具，由于涂层前在基体表面进行了织构化处理，增大比表面积，提高了涂层的附着力；同时，由于采用电射流方法沉积软涂层，具有设备简单、可控性强、沉积速率高等优点。该软涂层刀具干切削时，可减少摩擦、降低切削力和切削温度、提高刀具寿命。
附图说明
图1为本发明的基于电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具制备系统简图；图中：1-微量注射泵，2-计算机，3-显微相机，4-硅橡胶管，5-金属喷针，6-运动平台基板，7-带有纳织构的刀具基体，8-直流电源。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及附图进行详细描述。
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体产品的情况做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
下述实施例中所用的材料等，均可从商业途径得到。
本发明提供一种基于电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具及其制备方法，具体实施例如下。
实施例1：
一种基于电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具，该刀具基体材料为YG8硬质合金，在涂层前，在YG8刀具表面用飞秒激光加工出纳米级织构，然后采用电射流方法在纳米级织构表面依次沉积MoS2和WS2涂层，形成具有多层结构的软涂层。
电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具的制备方法，其制备方法的步骤为：
(1)将YG8刀具基体在酒精溶液中清洗15min，进行去油污处理；
(2)采用飞秒激光在硬质合金刀具基体表面加工出纳米级织构，织构槽宽为600nm，深度为200nm，间距为600nm；
(3)采用电射流方法在纳米级织构表面依次沉积MoS2和WS2涂层，见图1，金属喷针首先沿X方向运动以沉积MoS2层，然后沿Y方向运动以沉积WS2层，依次交替进行以实现MoS2和WS2涂层的层层沉积。电射流沉积参数为：金属喷针距刀具基体表面的高度为3mm，金属喷针运动速度为40mm/s，直流电压为4kV，WS2悬浮液的流量为2×10-10m3·s-1；
(4)为了除去沉积后的软涂层中的有机溶剂、释放应力，每完成一层软涂层沉积，将涂层置于300℃的电阻炉进行60s的干燥热解处理；
(5)将电射流沉积的软涂层置于真空烧结炉中进行高温烧结，温度为850℃，保温时间30min。
实施例2：
一种基于电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具，该刀具基体材料为YT15硬质合金，在涂层前，在YT15刀具表面用飞秒激光加工出纳米级织构，然后采用电射流方法在纳米级织构表面依次沉积MoS2和WS2涂层，形成具有多层结构的软涂层。
电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具的制备方法，其制备方法的步骤为：
(1)将YT15刀具基体在酒精溶液中清洗15min，进行去油污处理；
(2)采用飞秒激光在硬质合金刀具基体表面加工出纳米级织构，织构槽宽为500nm，深度为150nm，间距为500nm；
(3)采用电射流方法在纳米级织构表面依次沉积MoS2和WS2涂层，金属喷针首先沿X方向运动以沉积MoS2层，然后沿Y方向运动以沉积WS2层，依次交替进行以实现MoS2和WS2涂层的层层沉积。电射流沉积参数为：金属喷针距刀具基体表面的高度为3.5mm，金属喷针运动速度为35mm/s，直流电压为3.5kV，WS2悬浮液的流量为1.5×10-10m3·s-1；
(4)为了除去沉积后的软涂层中的有机溶剂、释放应力，每完成一层软涂层沉积，将涂层置于300℃的电阻炉进行60s的干燥热解处理；
(5)将电射流沉积的软涂层置于真空烧结炉中进行高温烧结，温度为900℃，保温时间35min。
所举的实验仅是本发明的较佳的实例，并不用于限定本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具，所述刀具基体材料为硬质合金，在涂层前，首先在刀具基体表面用飞秒激光加工出纳米级织构，其特征在于采用电射流方法在纳米级织构表面依次沉积MoS2和WS2涂层，形成具有MoS2涂层和WS2涂层交替的多层结构的软涂层；
所述纳米级织构的织构槽宽为50-700nm，深度为40-300nm，间距为50-700nm。
2.权利要求1所述的电射流沉积的多层软涂层纳织构刀具的制备方法，其特征在于，制备方法的步骤为：
(1)将硬质合金刀具基体在酒精溶液中清洗15min，进行去油污处理；
(2)采用飞秒激光在硬质合金刀具基体表面加工出纳米级织构，织构槽宽为50-700nm，深度为40-300nm，间距为50-700nm；
(3)采用电射流方法在纳米级织构表面依次沉积MoS2和WS2涂层，金属喷针首先沿X方向运动以沉积MoS2层，然后沿Y方向运动以沉积WS2层，依次交替进行以实现MoS2和WS2涂层的层层沉积；电射流沉积参数为：金属喷针距刀具基体表面的高度为1-5mm，金属喷针运动速度为20-60mm/s，直流电压为3.0-4.5kV，WS2悬浮液的流量为1-3×10-10m3·s-1；
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