CN108950537A - 立方氮化硼自润滑涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立方氮化硼自润滑涂层刀具及其制备方法。该刀具基体材料为高速钢或硬质合金，基体表面为含有CsF、Mo和ZrO2的立方氮化硼涂层。所述涂层采用电子束熔覆方法制备，制备步骤包括：(1)前处理；(2)预置氮化硼层；(3)熔覆氮化硼层；(4)后处理。该刀具整体具有良好的韧性，表面涂层具有较高的硬度和耐磨性能；切削过程中，CsF、Mo和ZrO2在高温作用下会发生原位反应，生成Cs2MoO4，从而能够在较高的切削温度下起到润滑作用。同时，采用电子束方法制备，涂层与基体间具有较强的结合强度，制备效率高，制备过程避免发生氧化。该刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。

Description

立方氮化硼自润滑涂层刀具及其制备方法
技术领域
本发明涉及机械切削刀具制造技术领域，特别涉及了一种立方氮化硼自润滑涂层刀具及其制备方法。
背景技术
干切削加工技术是一种对环境污染源头进行控制的清洁环保制造工艺，作为一种新型绿色制造技术，不仅环境污染小，而且降低了产品成本，减少了对身体健康造成的危害。干切削作为一种新兴的经济环保制造技术，工已成为绿色加工的一个研究热点。然而，干切削时，前刀面上刀-屑之间的摩擦异常剧烈，产生了大量的热，导致了刀具的磨损加剧，寿命降低。因此，迫切需要研究开发新型刀具。自润滑刀具是指刀具材料本身具有润滑、减摩功能，可在无润滑液的条件下实现自润滑切削加工，从而减小刀具表面摩擦与磨损。
立方氮化硼具有极高的硬度和耐高温性能，特别适用于淬硬钢、冷硬钢等难加工材料的切削加工。目前立方氮化硼刀具以高温高压烧结制备工艺为主，刀具整体韧性不足，且很难制备复杂形状的刀具。相对于烧结的整体式立方氮化硼刀具，立方氮化硼涂层刀具大大节约了切削刀具的成本，同时能够适用于任何复杂形状的刀具基体，实现具有高性价比的高性能刀具。因此立方氮化硼作为刀具涂层具有广阔的应用前景。
中国专利“申请号：201710709832.4”报道了一种聚晶立方氮化硼刀具材料及其制备方法，通过将立方氮化硼与结合剂混合粉体采用热压烧结和放电等离子体快速烧结方式进行制备，该方法制备刀具硬度较高，高温性能优良；但该刀具韧性有待于提高，且制备方法较为复杂、制备成本较高。中国专利“申请号：20120020397.1”报道了一种具有立方氮化硼硬质涂层的切削刀具，该刀具采用磁控溅射的方法在高速钢基体表面制备涂层，刀具整体具有良好的韧性，且表面硬度较高；但该刀具表面涂层厚度受到限制，涂层与基体结合强度不足，且涂层不具有自润滑功效。中国专利“申请号：02139629.9”报道了一种氮化硼复合涂层切削刀具及其制备方法，通过采用等离子脉冲激光沉积或电热丝辅助射频等离子体CVD方法等方法制备，该刀具表面涂层与基体具有较强的结合力，但其不具备自润滑能力。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种立方氮化硼自润滑涂层刀具及其制备方法。该刀具既具有良好的韧性，又具有极高的硬度和耐磨性能；切削过程中，CsF、Mo和ZrO2在高温作用下会发生原位反应，生成Cs2MoO4，从而能够在较高的切削温度下起到良好的润滑作用。同时，该方法制备效率高，制备过程避免发生氧化，涂层与基体间具有较强的结合力。
技术方案：本发明的立方氮化硼自润滑涂层刀具，刀具基体材料为高速钢或硬质合金，基体表面具有立方氮化硼自润滑涂层，其中，所述涂层含有CsF、Mo和ZrO2。其中，CsF、Mo和ZrO2在高温作用下会发生原位反应，生成Cs2MoO4，从而使得该刀具能够在较高的切削温度下具有良好的自润滑作用。
上述立方氮化硼自润滑涂层刀具的制备方法采用电子束将立方氮化硼混合粉料熔覆在刀具基体前刀面，从而制备出立方氮化硼自润滑涂层刀具。
制备方法的具体步骤包括：
(1)前处理：将刀具基体表面研磨后依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20-30min，进行去油污处理。
(2)预置氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，将聚乙烯醇水溶液加入混合粉料中配置成稠状并预置于刀具基体前刀面，采用压强为1-5MPa冷等静压的方法保持5-10分钟，将配置的稠状混合粉体压实，其厚度为100-500μm，得到预置氮化硼层。
(3)熔覆氮化硼层：将步骤(2)中得到的预置氮化硼层试样放在电子束加工设备中，抽真空至真空度为6×10-3Pa；启动电子束，调整电子束加工参数为：电子束电压为5-20kV，电子束流为1.5-5A，束斑直径为1-5mm，速度为2-30mm/s，搭接率Φ＝20-60％；采用电子束对预置氮化硼层进行熔覆，得到氮化硼涂层。
(4)后处理：将步骤(3)得到的氮化硼涂层表面进行修整，得到所述刀具。
其中，步骤(2)中所述的立方氮化硼混合粉料中各成分重量百分比为：55-65％CBN、15-20％Ni、5-8％CsF、5-8％Mo和5-10％ZrO2。
可对刀具表面进行至少一次预置氮化硼层和熔覆，熔覆后的氮化硼涂层总厚度为100-1500μm。
有益效果：1、本发明的刀具整体韧性较好，表面硬度较高、耐磨性好；2、切削过程中，CsF、Mo和ZrO2在高温作用下会发生原位反应，生成Cs2MoO4，从而使得该刀具能够在较高的切削温度下具有良好的自润滑作用；3、本发明涂层采用电子束熔覆方法制备，该方法制备效率高，制备过程避免氧化，涂层与基体间具有较强的结合强度；同时，涂层可以达到很大的厚度；4、该刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的梯度涂层刀具结构示意图，其中：1为刀具基体材料，2为立方氮化硼自润滑涂层。
具体实施方式
实施例1
一种立方氮化硼自润滑涂层刀具，刀具基体1材料为硬质合金，基体1表面具有立方氮化硼自润滑涂层2，其中，所述涂层含有CsF、Mo和ZrO2。
一种立方氮化硼自润滑涂层刀具的制备方法，所述立方氮化硼自润滑涂层采用电子束熔覆技术在刀具基体前刀面制备，其具体制备步骤为：
(1)前处理：将刀具基体表面研磨后依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20min，进行去油污处理。
(2)预置氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，各成分重量百分比为：55％CBN、20％Ni、8％CsF、8％Mo和9％ZrO2；将聚乙烯醇水溶液加入混合粉料中配置成稠状并预置于刀具基体前刀面，采用压强为2MPa冷等静压的方法保持10分钟，将配置的稠状混合粉体压实，其厚度为300μm，得到预置氮化硼层。
(3)熔覆氮化硼层：将步骤(2)中得到的预置氮化硼层试样放在电子束加工设备中，抽真空至真空度为6×10-3Pa；启动电子束，调整电子束加工参数为：电子束电压为6kV，电子束流为1.5A，束斑直径为2mm，速度为5mm/s，搭接率Φ＝20％；采用电子束对预置氮化硼层进行熔覆，得到氮化硼涂层厚度为200μm。
(4)后处理：将步骤(3)得到的氮化硼涂层表面进行修整，得到目标刀具。
实施例2
一种立方氮化硼自润滑涂层刀具，刀具基体1材料为高速钢，基体1表面具有立方氮化硼自润滑涂层2，其中，所述涂层含有CsF、Mo和ZrO2。
一种立方氮化硼自润滑涂层刀具的制备方法，所述立方氮化硼自润滑涂层采用电子束熔覆技术在刀具基体前刀面制备，其具体制备步骤为：
(1)前处理：将刀具基体表面研磨后依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各30min，进行去油污处理。
(2)预置氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，各成分重量百分比为：65％CBN、18％Ni、6％CsF、6％Mo和5％ZrO2；将聚乙烯醇水溶液加入混合粉料中配置成稠状并预置于刀具基体前刀面，采用压强为5MPa冷等静压的方法保持5分钟，将配置的稠状混合粉体压实，其厚度为400μm，得到预置氮化硼层。
(3)熔覆氮化硼层：将步骤(2)中得到的预置氮化硼层试样放在电子束加工设备中，抽真空至真空度为6×10-3Pa；启动电子束，调整电子束加工参数为：电子束电压为15kV，电子束流为3A，束斑直径为5mm，速度为20mm/s，搭接率Φ＝50％；采用电子束对预置氮化硼层进行熔覆，得到氮化硼涂层厚度为300μm。
(4)预置氮化硼层：将步骤(2)中配置的稠状混合粉料预置于步骤(3)得到的刀具前刀面，采用压强为5MPa冷等静压的方法保持5分钟，将配置的稠状混合粉体压实，其厚度为400μm，得到预置氮化硼层。
(5)熔覆氮化硼层：将步骤(4)中得到的预置氮化硼层试样放在电子束加工设备中，抽真空至真空度为6×10-3Pa；启动电子束，调整电子束加工参数为：电子束电压为15kV，电子束流为3A，束斑直径为5mm，速度为20mm/s，搭接率Φ＝50％；采用电子束对预置氮化硼层进行熔覆，得到氮化硼涂层总厚度为600μm。
(6)后处理：将步骤(5)得到的氮化硼涂层表面进行修整，得到目标刀具。

Claims (5)

1.一种立方氮化硼自润滑涂层刀具，其特征在于：刀具基体材料为高速钢或硬质合金，基体表面具有立方氮化硼自润滑涂层，其中，所述涂层含有CsF、Mo和ZrO2。
2.如权利要求1所述的立方氮化硼自润滑涂层刀具的制备方法，其特征在于：采用电子束将立方氮化硼混合粉料熔覆在刀具基体前刀面，从而制备出立方氮化硼自润滑涂层刀具。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)前处理：将刀具基体表面研磨后依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20-30min，进行去油污处理；
(2)预置氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，将聚乙烯醇水溶液加入混合粉料中配置成稠状并预置于刀具基体前刀面，采用压强为1-5MPa冷等静压的方法保持5-10分钟，将配置的稠状混合粉体压实，其厚度为100-500μm，得到预置氮化硼层；
(3)熔覆氮化硼层：将步骤(2)中得到的预置氮化硼层试样放在电子束加工设备中，抽真空至真空度为6×10-3Pa；启动电子束，调整电子束加工参数为：电子束电压为5-20kV，电子束流为1.5-5A，束斑直径为1-5mm，速度为2-30mm/s，搭接率Φ＝20-60％；采用电子束对预置氮化硼层进行熔覆，得到氮化硼涂层；
(4)后处理：将步骤(3)得到的氮化硼涂层表面进行修整，得到所述刀具。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的立方氮化硼混合粉料中各成分重量百分比为：55-65％CBN、15-20％Ni、5-8％CsF、5-8％Mo和5-10％ZrO2。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：对刀具表面进行至少一次预置氮化硼层和熔覆，熔覆后的氮化硼涂层总厚度为100-1500μm。
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