CN110681882A - 一种梯度微织构刀具 - Google Patents

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颜安
陈汪林
江信榕
王成勇
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
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Abstract

本发明涉及刀具技术领域，更具体地，涉及一种梯度微织构刀具，刀具表面上设有圆坑微织构阵列单元，圆坑微织构阵列单元由依次排列的圆坑组成，圆坑的深度呈梯度增长，圆坑微织构阵列单元组成刀具表面的微织构结构。本发明梯度微织构刀具解决了单一深度微织构磨屑堆积或涂层结合力不足的问题，具有很好应用前景。

Description

一种梯度微织构刀具
技术领域
本发明涉及刀具技术领域，更具体地，涉及一种梯度微织构刀具。
背景技术
近年来，摩擦学研究领域提出了一种表面织构的概念，又称表面微织构，已被证明是提高表面摩擦学性能的有效手段。表面织构技术就是通过改变材料表面的物理结构来改善材料表面特性的方法，表面织构是具有一定尺寸和排列的凹坑/凹痕或凸包等图案的点阵。刀具刀面上雕刻微织构，并不影响刀具的力学性能，微织构可存储润滑油和磨屑，降低前刀面的摩擦系数，使得切削力降低10％～30％，显著提高刀具的耐磨性和产品的加工效率。但仅仅梯度微织构刀具还不满足加工需求，微织构涂层刀具应运而生。
研究表明微织构的深度是影响微织构涂层刀具性能的重要因素，微织构为微纳(浅)织构的时候可以提高涂层的结合力，但对摩擦磨损性能影响不大；微织构深度较深的时候，涂层结合力得不到保证，但摩擦磨损性能由于微织构可以存储润滑剂和磨屑，在刀具加工时可以在刀面与被加工表面形成一层润滑膜，提高刀具的摩擦磨损性能以及加工质量。目前，使微织构涂层刀具同时具有好的涂层结合力和良好的摩擦磨损性能依旧是个难点。
梯度结构是由一种成分、组织或相(或组元)逐渐向另一成分组织结构或相(或组元)过渡的结构。这种结构不仅能有效避免尺寸突变引起的性能突变，还能使材料具有不同特征尺寸的结构相互协调，使不同尺寸结构的性能得到整体的综合和优化，为实现微织构涂层刀具具有良好的涂层结合力和摩擦磨损性能综合性提供了重要发展方向，为改变微织构涂层刀具只能具有单一的优异性能打破了格局。
在刀具设计当中，微织构的形态是影响微织构对刀具的影响性能的重要参数。圆坑微织构由于可以降低表面应力集中，而被应用于制备梯度微织构刀具，目前报道的比较多的多是同一深度的圆坑微织构，而剃度深度圆坑微织构暂时没人报道过。剃度深度圆坑涂层微织构解决了单一深度微织构磨屑堆积或涂层结合力不足的问题，具有很好应用前景。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的单一深度微织构结构影响刀具实际使用效果的问题，提供一种梯度微织构刀具，梯度微织构刀具解决了单一深度微织构磨屑堆积或涂层结合力不足的问题，具有很好应用前景。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种梯度微织构刀具，其中，刀具表面上设有圆坑微织构阵列单元，圆坑微织构阵列单元由依次排列的圆坑组成，圆坑的深度呈梯度增长，圆坑微织构阵列单元组成刀具表面的微织构结构。
在一个实施方式中，圆坑的直径相同。
在一个实施方式中，圆坑直径为100um～150um。
优选地，圆坑深度为1um～30um，所述圆坑的边沿为圆角过渡。
在一个实施方式中，圆坑相互之间的间距为150～600um。
在一个实施方式中，微织构阵列单元上设有涂层结构。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
在刀具设计当中，微织构的形态是影响微织构对刀具的影响性能的重要参数。圆坑微织构阵列单元由于可以降低表面应力集中，应用于制备微织构刀具，而剃度深度圆坑微织解决了单一深度微织构磨屑堆积或涂层结合力不足的问题，具有很好应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例中圆坑微织构阵列单元结构示意图。
图2是本发明实施例中梯度微织构刀具剖视示意图。
图3是刀具摩擦系数随时间的变化图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1：
如图1和如图2所示，本发明提供一种梯度微织构刀具，刀具20表面上设有圆坑微织构阵列单元，圆坑微织构阵列单元在刀具20表面上周期性排列设置，圆坑微织构阵列单元由依次排列的圆坑10组成，圆坑10的直径相同，圆坑10直径在100um～150um之间，圆坑10的深度呈梯度增长，圆坑微织构阵列单元组成刀具20表面的微织构结构。
如图1所示，本实施例中，圆坑10的深度为1um～30um，圆坑10的边沿为圆角过渡，不会破坏刀具基体材料，同时提高基体与涂层材料结合的容错性，可以降低前刀面磨损，提到刀具20的抗磨损性，圆坑10与圆坑10之间的间距在150～600um之间，圆坑微织构阵列与易粘附的钛合金小球对磨时摩擦系数降低了将近一半，这对于直接与切屑接触的前刀面非常有益。
为了提高刀具20的耐磨性能，微织构阵列单元上设有涂层结构，微织构阵列单元具有好的涂层结合力的同时也具有了好的摩擦磨损性能和冷却润滑的能力。
本实施例中，提供梯度微织构刀具的加工方法：
将待加工刀具20在丙酮和酒精中各超声清洗15分钟，吹干，加工梯度深度为2、4、6、8、10、12、20、30um的圆坑10，圆坑10的直径在100～150mm，圆坑10整体边界距离刀具20切削刃距离为400～600um；
打开PVD镀膜机，调整PVD沉积工艺参数，在梯度深度的圆坑10微织构刀粒上镀合适的硬质涂层。
本实施例中，圆坑10深度的梯度增长范围在1～30um，圆坑10的作用范围在2～4mm。
本实施例中，梯度微织构加工的位置是刀具20的前刀面，梯度微织构刀具20进行工作时，切屑与刀具20的前刀面接触，圆坑微织构阵列由于可以降低表面应力集中和存储磨屑、降低摩擦系数，梯度的结构可以有效减少尺寸突变引起的性能突变，还能使材料具有不同特征尺寸的结构相互协调，使不同尺寸结构的性能得到整体的综合和优化。
如图3所示，带有梯度微织构的刀具的摩擦系数及普通涂层的刀具的摩擦系数随使用时间的变化图，带有梯度微织构的刀具的摩擦系数与普通涂层的刀具的摩擦系数相比明显降低。
实施例2：
本实施例中，梯度微织构刀具20上，圆坑微织构阵列单元是分布于刀具20的前刀面上，圆坑微织构阵列单元的第一排圆坑10深度为1.5～3um，距离刀尖距离为400～1000um，第二排圆坑10深度为3～6um，第二排圆坑10与第一排圆坑10的间距为150～300um，每一排圆坑10微织构间距为150～300um，150～300um的微织构结构摩擦系数最小，每排两端的圆坑10距离刀具20切削刃300～400um，第三排第四排微织构按之前所述规律排列圆坑10微织构，一直到圆坑10微织构深度达到27um，第一个周期最后一排深度为25.5um～27um，一个周期有8个深度梯度，前刀面上有2到3个周期，刀角为90°时，微织构总的分布面积为2.4mm*4.8mm的等腰直角三角形，从而达到深度梯度周期循环变化。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种梯度微织构刀具，其特征在于，所述刀具表面上设有圆坑微织构阵列单元，所述圆坑微织构阵列单元由依次排列的圆坑组成，所述圆坑的深度呈梯度增长，所述圆坑微织构阵列单元组成刀具表面的微织构结构。
2.根据权利要求1所述的梯度微织构刀具，其特征在于，所述圆坑的直径相同。
3.根据权利要求1所述的梯度微织构刀具，其特征在于，所述圆坑直径为100um～150um。
4.根据权利要求3所述的梯度微织构刀具，其特征在于，所述圆坑深度为1um～30um，所述圆坑的边沿为圆角过渡。
5.根据权利要求1所述的梯度微织构刀具，其特征在于，所述圆坑相互之间的间距为150～600um。
6.根据权利要求1所述的梯度微织构刀具，其特征在于，所述微织构阵列单元上设有涂层结构。
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