CN110735111B - 一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及刀具技术领域，公开了一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层，从内到外依次包括底层、缓冲层、加强层和润滑层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强层为TiAlN单层和TiCrN单层交替设置形成的复合层，润滑层为TiAlN单层和TiCr/WS2‑TiB2单层交替设置形成的复合层，TiCr/WS2‑TiB2单层包括位于两侧的过渡层及位于两侧过渡层之间的稳定层，过渡层中从与TiAlN单层贴靠一侧到稳定层一侧，TiCr的质量分数逐渐减小。本发明采用TiAlN单层和TiCr/WS2‑TiB2单层交替沉积的方式制得润滑层，使得复合涂层既具有高硬度又兼具自润滑性能，且各层之间的结合力强。

Description

一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及刀具技术领域，尤其是涉及一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层及其制备方法。
背景技术
圆锯片是一种用于石材、木材、金属、塑料等材料坯料加工的切割刀具，随着汽摩制造、重工机械及精密仪表等制造业对金属材料的强度、韧性等的要求越来越高，切削加工的难度也越来越大，对切割刀具的硬度、耐高温性能等都提出了更高的要求。
现有技术中为了提高刀具的硬度、耐磨性能等，一般会在刀具表面设置TiN层、TiAlN层等硬涂层，以保证适宜的切削速度。例如，一种在中国专利文献上公开的“高韧性和高硬度的厚Ti/TiAlN多层涂层及其制备方法”，其公告号CN110004415A，采用通用的弧光离子镀设备进行沉积，选用Ti靶和TiAl靶作为阴极靶材，该Ti/TiAlN多层涂层沉积于硬质合金基体表面；所述Ti/TiAlN多层涂层为层状结构，包括TiN过渡层、多个TiAlN子层和Ti子层，沉积于基体的第一层为TiN过渡层，第二层为TiAlN子层，之后为Ti子层，TiAlN子层和Ti子层相互交替叠加沉积，最外层为TiAlN子层。该发明Ti/TiAlN多层涂层具备高厚度、良好的膜基结合强度、高硬度、高韧性等特点，并具备良好的抗氧化性能。
但使用传统的硬涂层制作出的刀具，在切削加工中，刀具与工件、刀具与切屑的界面存在很大的摩擦，使切削力、切削热和工件的变形增加，导致了刀具磨损、降低了加工质量。所以使用传统的硬涂层制作出的刀具在加工过程中需使用切削液，以减小金属切削过程中的界面摩擦，保证加工质量，提高刀具使用寿命。但切削液中往往含有有害的化学物质，会造成严重的环境污染，同时，切削液还需一整套循环系统维持，增加了加工成本。因此需要对切削刀具的涂层进行改进，使涂层具有自润滑功能，从而使切削刀具可以在切削过程中无需使用切削液，实现干切削。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中使用传统的硬涂层制作出的刀具在加工过程中需使用切削液，以减小金属切削过程中的界面摩擦，保证加工质量，提高刀具使用寿命，但切削液中往往含有有害的化学物质，会造成严重的环境污染，同时，切削液还需一整套循环系统维持，增加了加工成本的问题，提供一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层及其制备方法，制备出的复合涂层既具有高硬度，以保证适宜的切削速度和工件表面的光洁度，又具有良好的自润滑性，降低涂层圆锯片的刀-屑摩擦系数，从而保证加工质量，提高刀具使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层，从内到外依次包括底层、缓冲层、加强层和润滑层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强层为TiAlN单层和TiCrN单层交替设置形成的复合层，润滑层为TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替设置形成的复合层，所述TiCr/WS2-TiB2单层包括位于两侧的分别与TiAlN单层贴靠的过渡层，及位于两侧过渡层之间的稳定层，所述过渡层中从与TiAlN单层贴靠一侧到稳定层一侧，TiCr的质量分数逐渐减小，所述稳定层中TiCr的质量分数保持不变。
本发明中的复合涂层中，采用Ti金属层作为底层，可以提高复合涂层与圆锯片基体之间的亲和性、相容性和润湿性，有助于降低界面处的表面能，增强复合涂层的结合力，同时减小了复合涂层与圆锯片基体间的内应力，提高了复合涂层的韧性和强度。缓冲层和加强层使复合涂层内部的应力顺利的由内向外过渡并衰减，且TiN缓冲层的存在提高了底层和加强层的相容性，避免因成分突变而影响层间的结合强度。加强层中TiAlN单层和TiCrN单层交替设置，一方面使缓冲层和润滑层之间的应力波浪式传递，削弱外界压力对复合涂层的影响，另一方面相邻的TiAlN单层与TiCrN层分别形成两个三元相，具有不同的弹性性能，很好的分散了复合涂层的内部压力。
润滑层为TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替设置形成的复合层，WS2是软涂层材料，具有低剪切强度和低摩擦系数，因此可以使复合涂层具有润滑性能，不需要外加润滑剂就能起到良好的润滑效果，实现干切削。但如果直接在加强层上沉积WS2软涂层，因为WS2与TiAlN单层和TiCrN单层成分和微观结构上的差异，结合强度不高，且WS2层的硬度、热稳定性和耐磨性不足，降低了圆锯片的切削性能。本发明将软涂层材料WS2和硬涂层材料TiB2、TiCr同时沉积，形成TiCr/WS2-TiB2单层，并与TiAlN单层交替沉积，得到的润滑层不但具有硬涂层良好的硬度和耐磨性，又同时兼具软涂层的减磨自润滑性能，大大提高了圆锯片的使用性能，并且各单层间的结合强度好。
WS2-TiB2单层中因为WS2和TiB2的晶体结构都为六方结构，且界面的晶格错配度相近，同一层上的S-S原子间距和Ti-Ti原子间距可以较好匹配，同时WS2层状结构的各层之间通过范德华力相结合，S-S键易断裂，因此Ti-S键容易形成，两界面可以通过点阵畸变过渡和位错网络调节形成共格/半共格界面，共格/半共格界面的形成，抑制了WS2晶粒的长大，阻碍了WS2疏松的柱状晶组织的形成，同时促进了TiB2的非均匀形核，使TiB2以晶体生长方式形核和长大，从而形成了WS2-TiB2-WS2交替的层状结构，使得得到的WS2-TiB2单层既具有硬涂层的高硬度和良好的耐磨性，同时又兼具软涂层的低摩擦系数。
同时，为了使WS2-TiB2-WS2交替的层状结构与TiAlN单层具有良好的结合强度，并进一步提高润滑层的硬度，本发明中使用TiCr合金与WS2和TiB2共同沉积，形成TiCr/WS2-TiB2单层，并使TiCr/WS2-TiB2单层分为过渡层和稳定层，过渡层与TiAlN单层贴靠的一侧TiCr的质量分数最大，避免因成分和微观结构的突变影响两层之间的结合强度，然后过渡层向稳定层越靠近TiCr的质量分数逐渐降低，WS2和TiB2的质量分数增大，不断向稳定层过渡。稳定层中，TiCr、WS2、TiB2的质量分数保持不变。在TiCr/WS2-TiB2复合层中，WS2和TiB2形成WS2-TiB2-WS2交替的层状结构，而TiCr与WS2和TiB2共沉积时，由于Ti-S 的生成吉布斯自由能小于Cr-S，先是一部分Ti原子置换了W原子的位置，以Ti-S键的形式存在，形成置换固溶体，又由于Cr 原子的半径小于Ti 原子，Cr原子最终又会以置换Ti原子的形式存在于置换固溶体中；而另一部分TiCr则位于层间相邻的S原子之间，形成间隙固溶体。因此，TiCr的存在进一步增大了润滑层的硬度和耐磨性能，并使得TiCr/WS2-TiB2单层和TiAlN单层的结合性增强。
为了进一步提高复合涂层的硬度，本发明的润滑层又将TiCr/WS2-TiB2单层与TiAlN单层交替沉积，周期性的相互沉积可以抑制WS2、TiB2和TiAlN的生长，使晶粒尺寸细而均匀，从而提高润滑层的硬度。同时，因为TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层的弹性模量相差较大，因此交替沉积形成的多层复合层还会因为弹性模量差异致硬。如果各单层的厚度非常小，以至于单层内没有位错源起作用，在外加应力作用下，位错将从较软的TiCr/WS2-TiB2单层向两单层的界面运动，而具有较高弹性模量的TiAlN单层中会产生形变，引起排斥力，从而阻止位错沿界面穿过。因此润滑层采用TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替沉积形成的多层复合层，可以大大提高涂层的硬度，从而提高圆锯片的切削性能。
作为优选，TiCr/WS2-TiB2单层中过渡层的厚度为稳定层的1/10～1/6。采用此过渡层和稳定层的比例，既可以保证TiCr/WS2-TiB2单层与TiAlN单层良好的结合强度，又可以保证TiCr/WS2-TiB2单层的硬度、耐磨性和自润滑性能，使圆锯片具有良好的使用性能。
作为优选，缓冲层由里向外依次包括第一TiN层和第二TiN层，其中第一TiN层贴靠Ti金属层，第二TiN层贴靠加强层，第二TiN层与加强层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚100～200nm。保证复合涂层内部的应力平稳传递并逐渐削弱，强化复合涂层的强度。
作为优选，复合涂层的厚度为4～6µm，其中底层的厚度为80～180nm，加强层厚度1.0～1.5µm，润滑层的厚度为2.0～3.5µm，其余为缓冲层，加强层中TiAlN单层与TiCrN单层的厚度相同，润滑层中TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层的厚度相同。各层采用合适的厚度，可以保证复合涂层的硬度、耐磨性和自润滑性均符合圆锯片的使用要求。
本发明还公开了上述用于圆锯片的高硬度自润滑复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
（1）清洗除油：将圆锯片基体置于质量浓度为5%～10%的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗后再置于丙酮中超声清洗，通风干燥后置于280～360 ℃煅烧1～3小时自然冷却至室温；
（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至3×10-1Pa～5×10-1Pa，然后抽真空至1.2×10-2Pa，加热炉体至500 ℃，向炉体内通入氩气使压力升至2Pa，开启Ti靶，电流2～3A，偏压-75～-95V，在圆锯片基体表面沉积Ti金属层8～14分钟；
（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流2～3A、偏压为-75～-95V下在Ti金属层表面沉积第一TiN层4.0～6.4分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间2.6～3.8分钟，从而制备成缓冲层；
（4）加强层制备：分别开启TiAl合金靶、TiCr合金靶，通电电流为4～6A，偏压-90～-120V，圆锯片基体转向TiAl合金靶时沉积TiAlN单层，圆锯片基体转向TiCr合金靶时沉积TiCrN单层，TiAlN单层和TiCrN单层交替沉积至所需厚度；
（5）润滑层制备：开启TiB2靶和WS2靶，在工作气压0.1～0.5Pa，偏压-60～-40V下，圆锯片基体转向TiAL合金靶时沉积TiAlN单层，转向TiCr合金靶、TiB2靶和WS2靶时沉积TiCr/WS2-TiB2单层，沉积TiAlN单层时，通氩气和氮气混合气，TiAL合金靶电流2～3A，沉积时间2～3min；沉积TiCr/WS2-TiB2单层时，通氩气，始终保持TiB2靶和WS2靶电流0.5～0.6A，TiCr合金靶电流先在1min内由3A降至0.8～0.9A，得到一侧的过渡层，然后保持TiCr合金靶靶电流不变，沉积6～10min，得到稳定层，再将TiCr合金靶电流在1min内升至3A，得到另一侧过渡层；TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替沉积至所需厚度。
采用上述方法，可以有效制得本发明中的复合涂层，并保证复合涂层中的每一层的厚度和性能都复合使用要求。步骤（5）中，在沉积TiCr/WS2-TiB2单层时通氩气，防止氮气存在时生成TiBN及TiCr，影响WS2-TiB2-WS2交替的层状结构及置换固溶体及间隙固溶体的形成，从而影响涂层的硬度。
作为优选，步骤（1）中所述圆锯片基体的材质为高速钢。使圆锯片具有较高的硬度。
作为优选，步骤（1）中所述非离子型表面活性剂为聚氧乙烯酰胺、壬基酚聚氧乙烯醚或失水山梨醇中的一种。可以有效去除圆锯片基体表面的油类杂质，避免对复合涂层的沉积造成影响。
作为优选，步骤（4）和（5）中的TiAl合金靶中Ti和Al的原子比为（2-3）:1。
作为优选，步骤（4）和（5）中的TiCr合金靶中Ti和Cr的原子比为（2-3）:1。采用此比例可使复合涂层具有最佳的硬度，且各单层具有良好的结合力。
作为优选，步骤（5）中沉积TiCr/WS2-TiB2单层时使用一个TiCr合金靶，一个TiB2靶，两个WS2靶。保证TiCr/WS2-TiB2单层中各组分的有效比例，有利于WS2-TiB2-WS2网状结构及固溶体的形成，使得润滑层具有高硬度和良好的润滑性。
因此，本发明具有如下有益效果：本发明中制得的复合涂层，既具有硬涂层的高硬度和良好的耐磨性，同时又兼具软涂层的减磨自润滑性能，复合涂层与基体间、各层之间的相容性和亲和性良好，大大提高了圆锯片的使用性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1：
一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层，厚度为4µm，从内到外依次包括厚度为80 nm的底层、920nm缓冲层、1.0µm加强层和2.0µm润滑层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，缓冲层由里向外依次包括第一TiN层和第二TiN层，其中第一TiN层贴靠Ti金属层，第二TiN层贴靠加强层，第二TiN层与加强层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚100nm。加强层为TiAlN单层和TiCrN单层交替设置形成的复合层，加强层中TiAlN单层与TiCrN单层的厚度相同。润滑层为TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替设置形成的复合层，TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层的厚度相同，TiCr/WS2-TiB2单层包括位于两侧的分别与TiAlN单层贴靠的过渡层，及位于两侧过渡层之间的稳定层，过渡层中从与TiAlN单层贴靠一侧到稳定层一侧，TiCr的质量分数逐渐减小，稳定层中TiCr的质量分数保持不变，过渡层的厚度为稳定层的1/6。
上述可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层的制备方法为：
（1）清洗除油：将圆锯片基体置于质量浓度为5%的聚氧乙烯酰胺溶液中浸泡1h后再置于丙酮中超声清洗，通风干燥后置于280℃煅烧3小时自然冷却至室温，其中圆锯片基体为高速钢；
（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至3×10-1Pa，然后抽真空至1.2×10-2Pa，加热炉体至500 ℃，向炉体内通入氩气使压力升至2Pa，开启Ti靶，电流2A，偏压-75V，在圆锯片基体表面沉积Ti金属层8分钟；
（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流3A、偏压为-95V下在Ti金属层表面沉积第一TiN层6.4分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间3.8分钟，从而制备成缓冲层；
（4）加强层制备：分别开启TiAl合金靶、TiCr合金靶，通电电流为4A，偏压-90V，圆锯片基体转向TiAl合金靶时沉积TiAlN单层，圆锯片基体转向TiCr合金靶时沉积TiCrN单层，TiAlN单层和TiCrN单层交替沉积至1.0µm，其中TiAl合金靶中Ti和Al的原子比为2:1，TiCr合金靶中Ti和Cr的原子比为2:1；
（5）润滑层制备：开启TiB2靶和两个WS2靶，在工作气压0.1Pa，偏压-60V下，圆锯片基体转向TiAL合金靶时沉积TiAlN单层，转向TiCr合金靶、TiB2靶和两个WS2靶时沉积TiCr/WS2-TiB2单层，沉积TiAlN单层时，通氩气和氮气混合气，TiAl合金靶电流2A，沉积时间2min；沉积TiCr/WS2-TiB2单层时，通氩气，始终保持TiB2靶和两个WS2靶电流0.5A，TiCr合金靶电流先在1min内由3A降至0.8A，得到一侧的过渡层，然后保持TiCr合金靶靶电流不变，沉积6min，得到稳定层，再将TiCr合金靶电流在1min内升至3A，得到另一侧过渡层；TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替沉积至2.0µm。
实施例2：
一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层，厚度为6µm，从内到外依次包括厚度为180 nm的底层、820nm缓冲层、1.5µm加强层和3.5µm润滑层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，缓冲层由里向外依次包括第一TiN层和第二TiN层，其中第一TiN层贴靠Ti金属层，第二TiN层贴靠加强层，第二TiN层与加强层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚200nm。加强层为TiAlN单层和TiCrN单层交替设置形成的复合层，加强层中TiAlN单层与TiCrN单层的厚度相同。润滑层为TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替设置形成的复合层，TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层的厚度相同，TiCr/WS2-TiB2单层包括位于两侧的分别与TiAlN单层贴靠的过渡层，及位于两侧过渡层之间的稳定层，过渡层中从与TiAlN单层贴靠一侧到稳定层一侧，TiCr的质量分数逐渐减小，稳定层中TiCr的质量分数保持不变，过渡层的厚度为稳定层的1/10。
上述可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层的制备方法为：
（1）清洗除油：将圆锯片基体置于质量浓度为10%的壬基酚聚氧乙烯醚溶液中浸泡1h后再置于丙酮中超声清洗，通风干燥后置于360℃煅烧1小时自然冷却至室温，其中圆锯片基体为高速钢；
（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至5×10-1Pa，然后抽真空至1.2×10-2Pa，加热炉体至500 ℃，向炉体内通入氩气使压力升至2Pa，开启Ti靶，电流3A，偏压-95V，在圆锯片基体表面沉积Ti金属层14分钟；
（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流2.5A、偏压为-85V下在Ti金属层表面沉积第一TiN层4.0分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间2.6分钟，从而制备成缓冲层；
（4）加强层制备：分别开启TiAl合金靶、TiCr合金靶，通电电流为6A，偏压-120V，圆锯片基体转向TiAl合金靶时沉积TiAlN单层，圆锯片基体转向TiCr合金靶时沉积TiCrN单层，TiAlN单层和TiCrN单层交替沉积至1.5µm，其中TiAl合金靶中Ti和Al的原子比为3:1，TiCr合金靶中Ti和Cr的原子比为3:1；
（5）润滑层制备：开启TiB2靶和两个WS2靶，在工作气压0.5Pa，偏压-40V下，圆锯片基体转向TiAL合金靶时沉积TiAlN单层，转向TiCr合金靶、TiB2靶和两个WS2靶时沉积TiCr/WS2-TiB2单层，沉积TiAlN单层时，通氩气和氮气混合气，TiAl合金靶电流3A，沉积时间3min；沉积TiCr/WS2-TiB2单层时，通氩气，始终保持TiB2靶和两个WS2靶电流0.6A，TiCr合金靶电流先在1min内由3A降至0.9A，得到一侧的过渡层，然后保持TiCr合金靶靶电流不变，沉积10min，得到稳定层，再将TiCr合金靶电流在1min内升至3A，得到另一侧过渡层；TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替沉积至3.5µm。
实施例3：
一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层，厚度为5µm，从内到外依次包括厚度为100 nm的底层、800nm缓冲层、1.3µm加强层和2.8µm润滑层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，缓冲层由里向外依次包括第一TiN层和第二TiN层，其中第一TiN层贴靠Ti金属层，第二TiN层贴靠加强层，第二TiN层与加强层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚150nm。加强层为TiAlN单层和TiCrN单层交替设置形成的复合层，加强层中TiAlN单层与TiCrN单层的厚度相同。润滑层为TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替设置形成的复合层，TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层的厚度相同，TiCr/WS2-TiB2单层包括位于两侧的分别与TiAlN单层贴靠的过渡层，及位于两侧过渡层之间的稳定层，过渡层中从与TiAlN单层贴靠一侧到稳定层一侧，TiCr的质量分数逐渐减小，稳定层中TiCr的质量分数保持不变，过渡层的厚度为稳定层的1/7。
上述可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层的制备方法为：
（1）清洗除油：将圆锯片基体置于质量浓度为8%的失水山梨醇溶液中浸泡1h后再置于丙酮中超声清洗，通风干燥后置于320℃煅烧2小时自然冷却至室温，其中圆锯片基体为高速钢；
（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至4×10-1Pa，然后抽真空至1.2×10-2Pa，加热炉体至500 ℃，向炉体内通入氩气使压力升至2Pa，开启Ti靶，电流2.5A，偏压-85V，在圆锯片基体表面沉积Ti金属层11分钟；
（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流2A、偏压为-75V下在Ti金属层表面沉积第一TiN层4.5分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间3.3分钟，从而制备成缓冲层；
（4）加强层制备：分别开启TiAl合金靶、TiCr合金靶，通电电流为5A，偏压-100V，圆锯片基体转向TiAl合金靶时沉积TiAlN单层，圆锯片基体转向TiCr合金靶时沉积TiCrN单层，TiAlN单层和TiCrN单层交替沉积至1.3µm，其中TiAl合金靶中Ti和Al的原子比为2.5:1，TiCr合金靶中Ti和Cr的原子比为2.5:1；
（5）润滑层制备：开启TiB2靶和两个WS2靶，在工作气压0.3Pa，偏压-50V下，圆锯片基体转向TiAL合金靶时沉积TiAlN单层，转向TiCr合金靶、TiB2靶和两个WS2靶时沉积TiCr/WS2-TiB2单层，沉积TiAlN单层时，通氩气和氮气混合气，TiAl合金靶电流2.5A，沉积时间2.5min；沉积TiCr/WS2-TiB2单层时，通氩气，始终保持TiB2靶和两个WS2靶电流0.55A，TiCr合金靶电流先在1min内由3A降至0.85A，得到一侧的过渡层，然后保持TiCr合金靶靶电流不变，沉积8min，得到稳定层，再将TiCr合金靶电流在1min内升至3A，得到另一侧过渡层；TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替沉积至2.8µm。
上述方法制备出的复合涂层，摩擦系数0.117±0.02，磨损率10-15 m3/Nm，氧化分解初始温度610℃，维氏硬度3062±20HV，复合涂层与高速钢基体之间的粘结强度96±2N。
本发明制得的复合涂层在具有高硬度的同时具有小的摩擦系数，使用圆锯片进行切削时，无需切削液即可实现自润滑，涂层的磨损率低，与基体的粘结强度高，大大提高了圆锯片的使用寿命。

Claims (9)

1.一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层，其特征是，从内到外依次包括底层、缓冲层、加强层和润滑层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强层为TiAlN单层和TiCrN单层交替设置形成的复合层，润滑层为TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替设置形成的复合层，所述TiCr/WS2-TiB2单层包括位于两侧的分别与TiAlN单层贴靠的过渡层，及位于两侧过渡层之间的稳定层，所述过渡层中从与TiAlN单层贴靠一侧到稳定层一侧，TiCr的质量分数逐渐减小，所述稳定层中TiCr的质量分数保持不变；所述TiCr/WS2-TiB2单层中过渡层的厚度为稳定层的1/10～1/6。
2.根据权利要求1所述的一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层，其特征是，所述缓冲层由里向外依次包括第一TiN层和第二TiN层，其中第一TiN层贴靠Ti金属层，第二TiN层贴靠加强层，第二TiN层与加强层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚100～200nm。
3.根据权利要求1所述的一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层，其特征是，所述复合涂层的厚度为4～6µm，其中底层的厚度为80～180nm，加强层厚度1.0～1.5µm，润滑层的厚度为2.0～3.5µm，其余为缓冲层，加强层中TiAlN单层与TiCrN单层的厚度相同，润滑层中TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层的厚度相同。
4.如权利要求1-3任一所述的一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）清洗除油：将圆锯片基体置于质量浓度为5%～10%的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗后再置于丙酮中超声清洗，通风干燥后置于280～360 ℃煅烧1～3小时自然冷却至室温；
（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至3×10-1Pa～5×10- 1Pa，然后抽真空至1.2×10-2Pa，加热炉体至500 ℃，向炉体内通入氩气使压力升至2Pa，开启Ti靶，电流2～3A，偏压-75～-95V，在圆锯片基体表面沉积Ti金属层8～14分钟；
（3）缓冲层制备：向真空炉中通入氮气使压力升至3.2Pa，在Ti靶电流为电流2～3A、偏压为-75～-95V下在Ti金属层表面沉积第一TiN层4.0～6.4分钟，然后通入氮气使压力升至4Pa，在第一TiN层上沉积第二TiN层，沉积时间2.6～3.8分钟，从而制备成缓冲层；
（4）加强层制备：分别开启TiAl合金靶、TiCr合金靶，通电电流为4～6A，偏压-90～-120V，圆锯片基体转向TiAl合金靶时沉积TiAlN单层，圆锯片基体转向TiCr合金靶时沉积TiCrN单层，TiAlN单层和TiCrN单层交替沉积至所需厚度；
（5）润滑层制备：开启TiB2靶和WS2靶，在工作气压0.1～0.5Pa，偏压-60～-40V下，圆锯片基体转向TiAl 合金靶时沉积TiAlN单层，转向TiCr合金靶、TiB2靶和WS2靶时沉积TiCr/WS2-TiB2单层，沉积TiAlN单层时，通氩气和氮气混合气，TiAl 合金靶电流2～3A，沉积时间2～3min；沉积TiCr/WS2-TiB2单层时，通氩气，始终保持TiB2靶和WS2靶电流0.5～0.6A，TiCr合金靶电流先在1min内由3A降至0.8～0.9A，得到一侧的过渡层，然后保持TiCr合金靶靶电流不变，沉积6～10min，得到稳定层，再将TiCr合金靶电流在1min内升至3A，得到另一侧过渡层；TiAlN单层和TiCr/WS2-TiB2单层交替沉积至所需厚度。
5.根据权利要求4所述的一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层制备方法，其特征是，步骤（1）中所述圆锯片基体的材质为高速钢。
6.根据权利要求4所述的一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层制备方法，其特征是，步骤（1）中所述非离子型表面活性剂为聚氧乙烯酰胺、壬基酚聚氧乙烯醚或失水山梨醇中的一种。
7.根据权利要求4所述的一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层制备方法，其特征是，步骤（4）和（5）中的TiAl合金靶中Ti和Al的原子比为（2-3）:1。
8.根据权利要求4所述的一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层制备方法，其特征是，步骤（4）和（5）中的TiCr合金靶中Ti和Cr的原子比为（2-3）:1。
9.根据权利要求4所述的一种可实现圆锯片干切削的高硬度复合涂层制备方法，其特征是，步骤（5）中沉积TiCr/WS2-TiB2单层时使用一个TiCr合金靶，一个TiB2靶，两个WS2靶。
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