CN110016642A - 一种微织构梯度涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微织构梯度涂层刀具及其制备方法。该刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，首先采用激光诱导等离子技术在刀具前刀面和后刀面加工出不同形貌及尺寸的微织构；采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备Zr+ZrN过渡层、ZrVCN+TiSiNbC交替纳米叠层硬涂层和WBSe软涂层。该刀具兼顾微织构、硬涂层、软涂层、纳米层及叠层结构的优点，既具有较高的硬度，又具有良好的自润滑性能。干切削时，刀具表面能够形成有效的连续润滑膜，表面微织构能够起到减小摩擦及收集磨屑作用；纳米叠层涂层增强了涂层间结合力，同时减小了涂层内应力。该刀具可广泛的应用于干切削和难加工材料的切削加工。

Description

一种微织构梯度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，涉及了一种微织构梯度涂层刀具及其制备方法。
背景技术
干切削作为一种新兴的经济环保制造技术，已成为绿色制造工艺研究的一个热点。但干切削由于缺少切削液，刀具与工件间产出剧烈摩擦，导致刀具磨损严重，寿命下降。对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，为进一步提高刀具性能，涂层刀具已由单层向多元化和复合化发展；同时，将软涂层与硬涂层结合应用于切削刀具，使得刀具表面既具有较高的硬度又具有良好的自润滑功效，从而显著提高涂层刀具性能。近年来研究发现，表面织构是一种改善接触界面摩擦状态、减小磨损的有效方法。在刀具表面置入合理的表面织构能够进一步提高刀具减摩抗磨性能，提高刀具寿命。因此，将表面织构与涂层结合为制备绿色刀具提供了新的思路。
中国发明专利“申请号：201410263779.6”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，该刀具将软涂层与微纳织构结合，从而提高陶瓷刀具切削性能。中国发明专利“申请号：201710533151.7”报道了一种AlNbN/AlNbCN叠层涂层刀具及其制备工艺，该刀具综合了AlNbN和AlNbCN涂层刀具优点，具有良好的物理机械性能，可广泛用于钛合金、不锈钢等材料的切削加工。中国发明专利“申请号：201610812045.8”报道了一种微织构ZrVSiN自适应涂层刀具及其制备工艺，该刀具切削过程中刀具表面能够生成氧化物润滑膜，同时，微织构能够存储润滑膜。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种微织构梯度涂层刀具及其制备方法。该刀具既具有较高的硬度，又具有自润滑性能；且涂层间结合力较强，内应力较小。切削过程能够显著减小刀具磨损，提高刀具寿命。
技术方案：本发明的一种微织构梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，刀具前刀面和后刀面具有微织构，微织构表面沉积ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层和WBSe软涂层，由该涂层到刀具基体材料表面依次为ZrN+Zr过渡层。
所述微织构梯度涂层刀具中的ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层至少含有两层ZrVCN和两层TiSiNbC单个层，且ZrVCN与TiSiNbC单个层的厚度小于等于100nm。
本发明的一种微织构梯度涂层刀具的制备方法，采用激光诱导液体等离子体加工技术在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出不同形貌、尺寸及阵列形式的微织构；采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备Zr+ZrN过渡层、ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层和WBSe软涂层。其具体制备步骤如下：
(1)微织构的制备
a.前处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，进行去油污处理；
b.微织构加工：选用去离子水、盐水或甲醇液体作为工作介质，将清洗后刀具置于器皿中并固定，向器皿中加入液体介质，使得液体高度高于刀具表面10-30mm；开启激光器，通过调整激光焦距，使得液体介质被击穿在聚焦区域内发生光学击穿，从而在溶液-靶材界面产生等离子体，实现材料去除；通过调整激光加工参数，在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出不同结构形式及尺寸的微织构；
c.后处理：将织构化后刀具表面进行抛光，去除织构周围熔融物。
(2)梯度涂层的制备
a.前处理：将织构刀具依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，进行去油污处理；采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10-3-8×10-3Pa，加热至200-300℃，保温时间30-50min；
b.离子清洗：通入Ar2，其压力为0.5-1.5Pa，开启偏压电源，电压500-1000V，占空比0.2，辉光放电清洗20-30min；偏压降低至300-800V，开启离子源离子清洗20-30min，开启电弧源Zr靶，偏压300-600V，靶电流40-70A，离子轰击Zr靶0.5-1min；
c.沉积Zr过渡层：调整工作气压为0.5-0.6Pa，偏压80-150V，Zr靶电流90-110A，沉积温度为200-300℃，沉积1-5min；
d.沉积ZrN过渡层：开启N2，调整N2流量为100-300sccm，Zr靶电流调至60-90A，电弧镀+中频磁控溅射沉积ZrN 5-10min；
e.沉积ZrVCN硬涂层：关闭Zr靶，调整工作气压为1.5-2.0Pa，偏压100-180V，开启ZrVC复合靶电弧电源，靶电流调至70-120A，沉积ZrVCN涂层5-10min；
f.沉积TiSiNbC硬涂层：关闭ZrVC复合靶，关闭N2，调整工作气压为1.5-2.0Pa，偏压100-180V，开启TiSiNbC复合靶电弧电源，靶电流调至70-120A，沉积TiSiNbC涂层5-10min；
g.沉积ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层：重复以上步骤(e)和(f)，交替沉积ZrVCN+TiSiNbC叠层硬涂层，使得叠层硬涂层总层数为4-100层；
h.沉积WBSe软涂层：关闭所有靶材，关闭N2，调整工作气压为1.0-3.0Pa，偏压150-300V；开启中频磁控溅射WBSe靶电源，电流调至50-60A，电弧镀+中频磁控溅射沉积WBSe软涂层10-30min；
i.后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温30-60min，涂层结束。
所述的微织构加工方法中采用的激光器为纳秒激光或皮秒激光。
所述的微织构，其结构为圆孔状、沟槽状、网格状中的一种或其组合；织构直径或宽度为10-100μm，深度为2-200μm。
有益效果：1.本发明的微织构梯度涂层刀具，综合了微织构、硬涂层、软涂层、叠层结构及纳米涂层的优点，具有较高的硬度、良好的自润滑性能、较强的涂层结合力及较小的涂层内应力；2.微织构采用激光诱导液体等离子技术制备，减小了制备过程中氧化反应及重铸层，提高了微织构表面质量和加工精度；3.增加了刀具适用范围，该刀具可广泛应用于不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金等金属材料的切削加工。
附图说明
图1为该发明的多元复合涂层刀具结构示意图，其中：1为刀具基体材料，2为Zr过渡层，3为ZrN过渡层，4为ZrVCN硬涂层，5为TiSiNbC硬涂层，6为ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层，7为WBSe软涂层，8为微织构。
具体实施方式
实例1：一种微织构梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速钢，刀具前刀面和后刀面具有微织构，微织构表面沉积ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层和WBSe软涂层，由该涂层到刀具基体材料表面依次为ZrN+Zr过渡层。所述微织构梯度涂层刀具中的ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层含有两层ZrVCN和两层TiSiNbC单个层，且ZrVCN与TiSiNbC单个层的厚度小于等于100nm。
一种微织构梯度涂层刀具的制备方法，采用激光诱导液体等离子体加工技术在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出圆孔状微织构；采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备Zr+ZrN过渡层、ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层和WBSe软涂层。其具体制备步骤如下：
(1)微织构的制备
a.前处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，进行去油污处理；
b.微织构加工：选用去离子水作为工作介质，将清洗后刀具置于器皿中并固定，向器皿中加入液体介质，使得液体高度高于刀具表面10mm；开启纳秒激光器，通过调整激光焦距，使得液体介质被击穿在聚焦区域内发生光学击穿，从而在溶液-靶材界面产生等离子体，实现材料去除；通过调整激光加工参数，在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出圆孔状微织构，微孔直径为10μm，深度为10μm；
c.后处理：将织构化后刀具表面进行抛光，去除织构周围熔融物。
(2)梯度涂层的制备
a.前处理：将织构刀具依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20min，进行去油污处理；采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10-3Pa，加热至200℃，保温时间30min；
b.离子清洗：通入Ar2，其压力为0.5-1.5Pa，开启偏压电源，电压600V，占空比0.2，辉光放电清洗2min；偏压降低至300V，开启离子源离子清洗20min，开启电弧源Zr靶，偏压300V，靶电流50A，离子轰击Zr靶0.5min；
c.沉积Zr过渡层：调整工作气压为0.5Pa，偏压100V，Zr靶电流90A，沉积温度为200℃，沉积1min；
d.沉积ZrN过渡层：开启N2，调整N2流量为100sccm，Zr靶电流调至60A，电弧镀+中频磁控溅射沉积ZrN 5min；
e.沉积ZrVCN硬涂层：关闭Zr靶，调整工作气压为1.5Pa，偏压100V，开启ZrVC复合靶电弧电源，靶电流调至80A，沉积ZrVCN涂层5min；
f.沉积TiSiNbC硬涂层：关闭ZrVC复合靶，关闭N2，调整工作气压为1.5Pa，偏压100V，开启TiSiNbC复合靶电弧电源，靶电流调至80A，沉积TiSiNbC涂层5min；
g.沉积ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层：重复以上步骤(e)和(f)，交替沉积ZrVCN+TiSiNbC叠层硬涂层，使得叠层硬涂层总层数为4层；
h.沉积WBSe软涂层：关闭所有靶材，关闭N2，调整工作气压为2.0Pa，偏压150V；开启中频磁控溅射WBSe靶电源，电流调至50A，电弧镀+中频磁控溅射沉积WBSe软涂层10min；
i.后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温30min，涂层结束。
实例2：一种微织构梯度涂层刀具，刀具基体材料为硬质合金，刀具前刀面和后刀面具有微织构，微织构表面沉积ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层和WBSe软涂层，由该涂层到刀具基体材料表面依次为ZrN+Zr过渡层。所述微织构梯度涂层刀具中的ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层含有20层ZrVCN和20层TiSiNbC单个层，且ZrVCN与TiSiNbC单个层的厚度小于等于100nm。
一种微织构梯度涂层刀具的制备方法，采用激光诱导液体等离子体加工技术在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出网格状微织构；采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备Zr+ZrN过渡层、ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层和WBSe软涂层。其具体制备步骤如下：
(1)微织构的制备
a.前处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入酒精和丙酮中超声清洗各30min，进行去油污处理；
b.微织构加工：选用盐水作为工作介质，将清洗后刀具置于器皿中并固定，向器皿中加入液体介质，使得液体高度高于刀具表面30mm；开启皮秒激光器，通过调整激光焦距，使得液体介质被击穿在聚焦区域内发生光学击穿，从而在溶液-靶材界面产生等离子体，实现材料去除；通过调整激光加工参数，在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出网格状微织构，织构宽度为50μm，深度为50μm；
c.后处理：将织构化后刀具表面进行抛光，去除织构周围熔融物。
(2)梯度涂层的制备
a.前处理：将织构刀具依次放入酒精和丙酮中超声清洗各30min，进行去油污处理；采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为8×10-3Pa，加热至300℃，保温时间50min；
b.离子清洗：通入Ar2，其压力为1.5Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗30min；偏压降低至800V，开启离子源离子清洗30min，开启电弧源Zr靶，偏压600V，靶电流60A，离子轰击Zr靶1min；
c.沉积Zr过渡层：调整工作气压为0.6Pa，偏压120V，Zr靶电流110A，沉积温度为300℃，沉积3min；
d.沉积ZrN过渡层：开启N2，调整N2流量为300sccm，Zr靶电流调至90A，电弧镀+中频磁控溅射沉积ZrN 3min；
e.沉积ZrVCN硬涂层：关闭Zr靶，调整工作气压为2.0Pa，偏压160V，开启ZrVC复合靶电弧电源，靶电流调至100A，沉积ZrVCN涂层8min；
f.沉积TiSiNbC硬涂层：关闭ZrVC复合靶，关闭N2，调整工作气压为2.0Pa，偏压160V，开启TiSiNbC复合靶电弧电源，靶电流调至100A，沉积TiSiNbC涂层8min；
g.沉积ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层：重复以上步骤(e)和(f)，交替沉积ZrVCN+TiSiNbC叠层硬涂层，使得叠层硬涂层总层数为40层；
h.沉积WBSe软涂层：关闭所有靶材，关闭N2，调整工作气压为3.0Pa，偏压200V；开启中频磁控溅射WBSe靶电源，电流调至60A，电弧镀+中频磁控溅射沉积WBSe软涂层20min；
i.后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温60min，涂层结束。

Claims (7)

1.一种微织构梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，其特征在于：刀具前刀面和后刀面具有微织构，微织构表面沉积ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层和WBSe软涂层，由该涂层到刀具基体材料表面依次为ZrN+Zr过渡层。
2.根据权利要求1所述的微织构梯度涂层刀具，其特征在于：所述刀具中的ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层至少含有两层ZrVCN和两层TiSiNbC单个层，且ZrVCN与TiSiNbC单个层的厚度小于等于100nm。
3.一种微织构梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：采用激光诱导液体等离子体加工技术在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出不同形貌、尺寸及阵列形式的微织构；采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备Zr+ZrN过渡层、ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层和WBSe软涂层。
4.如权利要求3所述的微织构梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于，其具体制备步骤如下：
(1)微织构的制备
a.前处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，进行去油污处理；
b.微织构加工：选用去离子水、盐水或甲醇液体作为工作介质，将清洗后刀具置于器皿中并固定，向器皿中加入液体介质，使得液体高度高于刀具表面10-30mm；开启激光器，通过调整激光焦距，使得液体介质被击穿在聚焦区域内发生光学击穿，从而在溶液-靶材界面产生等离子体，实现材料去除；通过调整激光加工参数，在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出不同结构形式及尺寸的微织构；
c.后处理：将织构化后刀具表面进行抛光，去除织构周围熔融物；
(2)梯度涂层的制备
a.前处理：将织构刀具依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，进行去油污处理；采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10-3-8×10- 3Pa，加热至200-300℃，保温时间30-50min；
b.离子清洗：通入Ar2，其压力为0.5-1.5Pa，开启偏压电源，电压500-1000V，占空比0.2，辉光放电清洗20-30min；偏压降低至300-800V，开启离子源离子清洗20-30min，开启电弧源Zr靶，偏压300-600V，靶电流40-70A，离子轰击Zr靶0.5-1min；
c.沉积Zr过渡层：调整工作气压为0.5-0.6Pa，偏压80-150V，Zr靶电流90-110A，沉积温度为200-300℃，沉积1-5min；
d.沉积ZrN过渡层：开启N2，调整N2流量为100-300sccm，Zr靶电流调至60-90A，电弧镀+中频磁控溅射沉积ZrN 5-10min；
e.沉积ZrVCN硬涂层：关闭Zr靶，调整工作气压为1.5-2.0Pa，偏压100-180V，开启ZrVC复合靶电弧电源，靶电流调至70-120A，沉积ZrVCN涂层5-10min；
f.沉积TiSiNbC硬涂层：关闭ZrVC复合靶，关闭N2，调整工作气压为1.5-2.0Pa，偏压100-180V，开启TiSiNbC复合靶电弧电源，靶电流调至70-120A，沉积TiSiNbC涂层5-10min；
g.沉积ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层：重复以上步骤(e)和(f)，交替沉积ZrVCN+TiSiNbC叠层硬涂层；
h.沉积WBSe软涂层：关闭所有靶材，关闭N2，调整工作气压为1.0-3.0Pa，偏压150-300V；开启中频磁控溅射WBSe靶电源，电流调至50-60A，电弧镀+中频磁控溅射沉积WBSe软涂层10-30min；
i.后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温30-60min，涂层结束。
5.根据权利要求3或4中所述的微织构梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：微织构加工方法中采用的激光器为纳秒激光或皮秒激光。
6.根据权利要求1、3或4所述中的微织构梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：微织构其结构为圆孔状、沟槽状、网格状中的一种或其组合；织构直径或宽度为10-100μm，深度为2-200μm。
7.根据权利要求4所述的微织构梯度涂层刀具的制备方法，其特征在于：步骤(2)-g中，ZrVCN+TiSiNbC交替叠层硬涂层总层数为4-100层。
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